贴片机的贴装精度是衡量高精度贴片机的一项重要指标。印制电路板的公差和形变、元件尺寸的精确度、元件引脚的弯曲性等会直接影响总的贴装精度。在贴片机的选取、制造过程中,对贴片机的精度都要经济地进行选择。贴片机以一定的速度、精度将元器件贴放到要求的位置。因此,贴片机的精度首先要满足应用的要求,通过机械和控制的合理搭配,经济地实现功能要求。
影响贴片机贴片准确度取决于多种因素,包括PCB的设计加工、SMD的封装形式、贴片机传动系统定位偏差等多种因素,在此分析中只考虑与贴片机自身相关的因素。主要包括以下几方面。
①总体机械结构。贴片机的总体机械结构设计主要是考虑采用何种方式使贴装的元器件精确地定位在印制电路板的焊盘图形上,而结构形式将大大影响贴装速度和精度。在本设计中,采用的是贴装头运动、印制电路板固定的方式进行加工的,只有两个传送机构会影响 X - Y 的定位精度,可以获得最高的贴装精度。
② X - Y 传送机构。 X 、 Y 轴的传送机构是贴片机的精度和速度的重要因素之一。传送机构的定位系统有开环和闭环系统两种。开环系统没有纠正轴驱动误差的反馈,精度低,价格低。本设计中,采用的是闭环系统中的线性轴编码器跟踪机构位置,它可以直接反馈贴装头的实际位置,以减少定位误差,使贴装精度大幅度提高。
③PCB板坐标的读数。在贴装元器件之前,要先将PCB的位置通过摄像头扫描到计算机中,根据PCB上的点建立坐标系,和贴装前输入到计算机中的坐标系相比较,确定每个元器件的坐标值,然后进行贴装。印制板坐标的读数也是影响贴装精度的重要因素。
④其他影响因素。除了上述三个因素外,元器件定心、喂料器、计算机控制系统、元器件检测等都不同程度地影响贴装精度和速度。
贴片机的精度一般包括以下几个部分: X - Y 机械手定位精度、吸嘴前端机械精度、供料器与贴片机的连接位置精度、供料器供料精度、控制系统图像处理综合精度。
印制电路板自从20世纪50年代早期就已经有了。从那时起,对越来越小、越来越轻和越来越快速的电子产品的需求就一直推动着电子元件、PCB和装配设备技术朝着SMT的方向发展。越来越小的元器件封装和小间距IC封装,使得贴片机的精度不断提高。
目前在元器件贴装领域最小封装元器件是01005(0402),其几何尺寸为:0.4mm×0.2mm×0.2mm(长×宽×厚)。元器件和吸嘴尺寸如图2-3所示。
图2-3 元器件和吸嘴尺寸
在用吸嘴从部件供给装置对01005封装的芯片进行吸取时,吸嘴位于芯片部件几何中心50μm以内的范围。如果不在此范围内,将会造成立片,甚至吸取失败。
01005这种封装形式大大增加了SMT设备的制造难度及成本,同时也增加了工艺成本。
IC元器件的引脚间距也越来越小,如0.3mm的QFP,球距0.4mm的BGA。如果球栅直径为100μm、间距为175μm,则精度要求为50μm。
随着电子产品小型化和功能集成化的不断发展,贴片机对贴装精度的要求越来越高,提高贴装精度是贴片机设计的一项重要要求。提高贴装精度的关键因素包括下述几个方面。
(1)贴片机要有良好的设计和制造方法
①采用牢固的机床台面、抗扭硬式框架和贴装头的机械固定结构。
②用高分辨率的位置和旋转测量系统进行直接的位置检测,运用闭环位置检测能直接测量框架的位置和真空吸嘴的贴装角度,可排除在大动力负荷时因操作杆或皮带的扭曲带来的测量误差。采用这种方法,驱动系统常年运转而带来的磨损也不影响测量的精度。
(2)贴片机要配有先进的视觉系统
现在比较高档的贴片机如富士、松下、西门子等公司都拥有高精度视觉系统,包括印制板坐标识别系统和元器件中心定位系统,为所有轴提供高质量的位置控制。
在表面安装器件(SMD)贴片系统中,借助于识别系统可以直观地确定印制板上的标识点(其形状有单十字、双十字、方形、圆形等,其选用取决于应用便利,每块板设定2~3个基准点)和元器件的位置。CCD摄像机录下印制板的图像数据,然后通过数字图像处理系统(相关原理、灰度标系统)进行估值。同时在微型元件的放置过程中,运用功能强大的识别系统是非常必要的。因为印制板及器件的定位必须达到所需的放置精度,即使在放置标准元件时,识别系统也凭借它在速度、精度和元件装载方面的优点而显得卓越超群。在SMD贴片系统中,视觉系统在印制板坐标识别和元件中心定位应用中,所获得的定位精度比常规的印制板机械中心定位针或机械元件中心定位工作站更高,并具有下述优异功能。
①识别PCB位置,并在PCB翘曲程度确定之后将不正的印制板修正到正常位置,如Siplace 80S PC板视觉系统测量精度为±20μm。
②可以识别元件中心位置,在元件放置过程中修正其位置,如Siplace 80S元件视觉系统对中精度为±20μm。
③在细间距元件放置时可以进行共面性测量及其局部参考标识的识别,以补偿印制板的非线性形变。
④可以检查封装类型,识别弯曲的引脚,而对元件无机械压力。