第5章电子组装设备与组装生产线课件.ppt

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1、第5章 电子组装设备与组装生产线,高等教育出版社电子产品制造工艺第二版配套课件,1,t课件,引入：SMT技术概述,1、 SMT技术的发展 SMT，Surface Mounting Technology，也称表面装配技术、表面组装技术 通孔插装技术：THT，Through-Hole mounting Technology。,2,t课件,2、SMT的发展历经了三个阶段：, 第一阶段（19701975年）,这一阶段把小型化的片状元件应用在混合电路（我国称为厚膜电路）的生产制造之中。, 第二阶段（19761985年）,这一阶段促使了电子产品迅速小型化、多功能化；SMT自动化设备大量研制开发出来 。,3

2、,t课件, 第三阶段（1986现在）,主要目标是降低成本，进一步改善电子产品的性能-价格比； SMT工艺可靠性提高 。,4,t课件,3. SMT的装配技术特点,表面安装技术和通孔插装元器件的方式相比，具有以下优越性：, 实现微型化。, 信号传输速度高。, 高频特性好。,(5)有利于自动化生产，提高成品率和生产效率。,(4) 材料成本低。, SMT技术简化了电子整机产品的生产工序，降低了生产成本。,5,t课件,5.1 SMT电路板组装工艺方案与组装设备,6,t课件,(1)SMT元件引脚距离短，目前引脚中心间距最小的已经达到0.3mm。,(2) SMT元器件直接贴装在印制电路板的表面，将电极焊接在

3、与元器件同一面的焊盘上。,1. 表面装配元器件的特点,7,t课件,8,t课件,2. 表面装配元器件的种类和规格,从结构形状分类，有薄片矩形、圆柱形、扁平异形等； 从功能上分类为无源元件（SMC，Surface Mounting Component）有源器件（SMD，Surface Mounting Device）机电元件三大类,9,t课件,表面安装元件电阻、电容,10,t课件,表面贴装电感器,11,t课件, 表面安装钽电容器,表面安装钽电容器的外型都是矩形，按两头的焊端不同，分为非模压式和塑模式两种。,12,t课件, 表面安装电感器,贴片电感排,贴片电感,13,t课件,表面安装电感器,14,t

4、课件,无源元件SMC,SMC包括片状电阻器、电容器、电感器、滤波器和陶瓷振荡器等。,15,t课件,长方体SMC是根据其外形尺寸的大小划分成几个系列型号 。欧美产品大多采用英制系列，日本产品大多采用公制系列，我国还没有统一标准，两种系列都可以使用。,16,t课件,典型SMC系列的外形尺寸（单位：mm/inch）,1inch=1000mil；1inch=25.4mm，1mm40mil。,17,t课件,常用典型SMC电阻器的主要技术参数,18,t课件,SMD分立器件,SMD分立器件包括各种分立半导体器件，有二极管、三极管、场效应管，也有由两、三只三极管、二极管组成的简单复合电路。, SMD分立器件的

5、外形尺寸,19,t课件,SMD分立器件的外形尺寸,20,t课件,3、包装 片状元器件可以用三种包装形式提供给用户：散装、管状料斗和盘状纸编带。,21,t课件,SMT元器件的包装,22,t课件,5.1.1 锡膏涂敷工艺和锡膏印刷机,1、锡膏2、SMT所用的粘合剂(红胶）。用于SMT组装的固化胶粘合剂，在110130的温度下很快固化； 可经260以上的高温焊接。,23,t课件,电子产品的SMT生产工艺,两种装配方案1、纯SMT元件装配,24,t课件,2、插件元件与SMT混合装配,25,t课件,1、网板印锡膏、回流焊工艺,制作钢网,印锡膏,贴元件,回流焊,进行其他加工,26,t课件,2、粘胶固化波峰

6、焊接工艺,27,t课件,SMT生产设备,1、印刷机2、贴片机3、回流焊机,28,t课件, 制作焊锡膏丝网,29,t课件,图5.2 漏印模板印刷法的基本原理,30,t课件,丝网漏印焊锡膏,手动刮锡膏,31,t课件,自动刮锡膏,32,t课件,自动刮锡膏,33,t课件,5.1.2 SMT元器件贴片工艺和贴片机,34,t课件,自动贴片机以日本、欧美和韩国的品牌为主，主要有：FUJI（富士）、SIEMENS（西门子）、UNIVERSAL（环球）、PHILIPS（飞利浦）、PANASONIC（松下）、YAMAHA（雅马哈）、CASIO（卡西欧）、SONY（索尼）、SAMSUNG（三星）等。 可以分为高速机

7、（通常贴装速度在5Chips/s以上）与中速机，一般高速贴片机主要用于贴装各种SMC元件和较小的SMD器件（最大约25mm30mm）；而多功能贴片机（又称为泛用贴片机）能够贴装大尺寸（最大60mm60mm）的SMD器件和连接器（最大长度可达150mm）等异形元器件。保证贴片质量三个要素：贴装元器件的正确性、贴装位置的准确性和贴装压力（贴片高度）的适度性。,35,t课件, 贴装SMT元器件,小型贴片机,36,t课件,2 SMT生产设备,37,t课件,SMT元器件贴片机的类型,38,t课件,自动贴片机的主要结构自动贴片机相当于机器人的机械手，能按照事先编制好的程序把元器件从包装中取出来，并贴放到电

8、路板相应的位置上。贴片机的基本结构包括设备本体、片状元器件供给系统、电路板传送与定位装置、贴装头及其驱动定位装置、贴片工具（吸嘴）、计算机控制系统等。为适应高密度超大规模集成电路的贴装，比较先进的贴片机还具有光学检测与视觉对中系统，保证芯片能够高精度地准确定位。,39,t课件,图5.7 贴片机的贴装精度,40,t课件,图5.8 元器件贴装偏差,41,t课件,(4) SMT焊接设备,再流焊,42,t课件,SMT自动生产线,43,t课件,SMT自动生产线的组合,44,t课件,5.1.3 SMT涂敷贴片胶工艺和点胶机,把贴片胶涂敷到电路板上的工艺俗称“点胶”。常用的方法有点滴法、注射法和印刷法。,4

9、5,t课件,自动点胶机的工作原理示意,46,t课件,贴片胶的固化,在涂敷贴片胶的位置贴装元器件以后，需要固化贴片胶，把元器件固定在电路板上。固化贴片胶可以采用多种方法，比较典型的方法有三种：用电热烘箱或红外线辐射（可以用再流焊设备），对贴装了元器件的电路板加热一定时间；在粘合剂中混合添加一种硬化剂，使粘接了元器件的贴片胶在室温中固化，也可以通过提高环境温度加速固化；采用紫外线辐射固化贴片胶。,47,t课件,SMT工艺流程小结,48,t课件,完整的SMT工艺总流程,49,t课件,5.2 与SMT焊接有关的检测设备与工艺方法,生产厂家在大批量生产过程中，检测SMT电路板的焊接质量，广泛使用自动光学

10、检测（AOI）或自动X射线检测（AXI）技术及设备。采用电性能测试的方法，通过在线检测（ICT）仪或飞针测试仪等自动化检测装置对焊接质量进行判断。,50,t课件,5.2.1 自动光学检测设备（AOI）,DRC法是用给定的设计规则来检查电路图形，它能从算法上保证被检测电路的正确性，统一评判标准，帮助制造过程控制质量，并具有高速处理数据、编程工作量小等特点，但它对边界条件的确定能力较差。图形识别法是用已经储存在计算机里的数字化设计图形与实际产品的图形相比较，按照完好的电路样板或计算机辅助设计（CAD或EDA）时编制的检查程序进行比较，检查的精度取决于光学系统的分辨率和检查程序设定的参数。这种方法用

11、设计数据代替DRC方法中预定的设计原则，具有明显的优越性，但其采集的数据量较大，对系统的实时性反映能力有较高的要求。,51,t课件,SMT焊接质量标准 可靠的电气连接:焊面3/4在焊盘上 足够的机械强度 光洁整齐的外观,52,t课件,AOI系统,AOI系统用可见光（激光）或不可见光（X射线）作为检测光源，光学部分采集需要检测的电路板图形，由图像处理软件对数据进行处理、分析和判断，不仅能够从外观上检查电路板和元器件的质量，也可以在贴片焊接工序以后检查焊点的质量,53,t课件,AOI功能,AOI被安排在电路板组装工艺过程中的不同位置，能够完成不同的功能： 将AOI系统放在锡膏印刷机后面，可以用来检

12、测锡膏印刷的形状、面积甚至包括锡膏的厚度。 把AOI系统放在高速贴片机之后，可以发现元器件的贴装缺漏、种类错误、外形损伤、极性方向错误，包括引脚（焊端）与焊盘上锡膏的相对位置。 将AOI系统放在多功能贴片机后面，可以检查窄间距、多引脚的集成电路贴片误差，甚至从元器件表面印制的标记识别集成电路的品种是否正确。 将AOI系统放在再流焊之后，可以检查焊接品质，发现有缺陷的焊点。,54,t课件,5.2.2 X射线检测设备（AXI）,组装有PLCC、SOJ、BGA、CSP和FC等集成电路的电路板，在焊接完成以后，由于焊点在芯片的下面，依靠人工目检或AOI系统都无从发现焊接缺陷，因此，用X射线（x-ray

13、）检测就成为判断这些器件焊接质量的主要方法,55,t课件,5.2.3 在线检测（ICT）设备与方法,ICT是在线测试技术的缩写，有时也指在线测试仪器。ICT是在大批量生产电子产品的生产线上的测试技术，所谓“在线”，具有双重含义：第一，ICT通常在生产线上进行操作，是生产工艺流程中的一道工序；第二，它把电路板接入电路，使被测产品成为检测线路的一个组成部分，对电路板以及组装到电路板上的元器件进行测试，判断组装是否正确、焊接是否良好或参数是否正确。,56,t课件,ICT分为静态测试和动态测试,静态ICT只接通电源，并不给电路板注入信号，一般用来测试复杂产品在产品的总装或动态测试之前首先保证电路板的组

14、装焊接没有问题，以便安全地转入下一道工序以前把静态ICT测试叫做通电测试；动态ICT在接通电源的同时，还要给被测电路板注入信号，模拟产品实际的工作状态，测试它的功能与性能。显然，动态在线测试对电子产品的测试更完整，也更复杂，因此一般用于测试比较简单的产品。,57,t课件,58,t课件,测试针床和顶针示意图,59,t课件,ICT技术参数, 最大测试点数 可测试的元器件种类 测试速度 测试元器件参数的范围 测试电压、电流、频率 电路板尺寸,60,t课件,ICT测试原理, 电阻测试 RU/I 电容量测试 电感量测试 二极管测试。正向测试二极管时，加入一正向电流，硅二极管的正向压降约为0.6V0.7V

15、；若加一反向电流，二极管的压降会很大。 三极管测试，分三步测试三极管。 跳线测试。 测试集成电路,61,t课件,ICT编程（选学内容，建议学生自学）,电阻元件编程：在“T”栏输入“R”；在“Part name”处输入元件图号，如R1；在“Ideal”栏输入标称值，如R1是1k；在“Pin1”、“Pin2”输入其引脚相对应的针号；“%”、“T+”、“T-”栏输入该电阻的误差范围，“W”栏输入测试方法“I”（普通测试方法），如果电阻在电路中与一个电解电容器并联（如图5.22(a)所示），则因测试方法“I”的测试时间很短，电容器充电需要一定时间，将会出现测试误差，只要将“W”栏中的“I”改为“V”，

16、再加一定的延时时间“dms”，如20ms，则测试结果就与实际值相同了。,62,t课件,隔离点,测量电阻时，有时因为电路关系，需增加一隔离点，如图5.22(b)所示：电阻R1和R2、R3并联，当在顶针1、2位测试R1的阻值时，测试结果不是1k，而是500。这是由于从1号顶针位流入的电流I有一部分流入了R2、R3支路了。要解决这一问题，可以选择在3号位增加一顶针“3”，使“3”号顶针的电位和1号顶针的电位相等。那么，R2、R3支路就不会使1号顶针的电流分流，测试结果也就准确了。“3”号顶针就叫隔离点。编程对地“G”处填入“Y”，表示启动隔离功能。在“G1/4G5”处填入“3”，表示“3”是隔离点。

17、,63,t课件,电容测试,电容类元件有两种测试方法。容量100nF以下的小电容，用交流（AC）测试。在“T”填入“C”，“Part name”填入元件图号，“Ideal”填入标称容量，在“Pin1”、“Pin2”填入引脚的对应测试针号，“W”填入“A”，即AC测试方法，“Freq”填入测试频率（默认为30kHz），“%”、“T+”、“T-”填入相应的误差值，其他按默认值。大容量的如电解电容器，在“W”填入“D”，即DC测试方法，“Dms”填入适当的延时时间，如30，表示延时30ms。,64,t课件,65,t课件,测试针床,66,t课件,产品测试,录像,67,t课件,4. ICT编程与调试,返回

18、,68,t课件,5.2.4 飞针测试仪,飞针测试仪是一种高精度的移动探针测试设备，通常用在专业印制板生产厂检测多层板的金属化孔质量，或在电子产品制造厂检测高密度组装的SMT产品焊接质量。作为小批量产品的高端检测设备，它的工作原理是，在固定在测试架上的印制板两侧，用快速移动的成对探针同时移动到同一位置上，测量电路的连接状态（电阻）。与ICT测试方法相比，飞针测试仪避免了为小批量产品专门制作昂贵的测试针床，只需要根据产品特性编程或直接输入电路板的CAD或EDA设计文件。,69,t课件,70,t课件,5.2.5 清洗工艺、清洗设备和免清洗焊接方法,71,t课件,5.2.6 SMT生产线的设备组合与计

19、算机集成制造系统（CIMS）,中、小型SMT自动生产流水线设备配置平面图,72,t课件,计算机集成制造系统（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System）,是将设计工程、管理工程、生产工程有机地连接到一起的系统工程，也叫做计算机综合生产系统。它是利用现代的信息技术、自动化技术与制造技术，通过计算机软硬件，将企业的经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售服务等环节和人力、财力、设备等生产要素有机地集成起来，以形成适用于小批量、多品种生产需求并能实现总体高效益的智能化制造系统。,73,t课件,SMT的CIMS系统示例模型,74,t课件,5.3 SMT

20、工艺品质分析,SMT的工艺品质，主要是以元器件贴装的正确性、准确性、完好性以及焊接完成之后元器件焊点的外观与焊接可靠性来衡量。SMT的工艺品质与整个生产过程的每一环节都有密切关联。,75,t课件,用因果分析法（鱼刺图）分析SMT工艺品质,76,t课件,5.3.1 锡膏印刷品质分析,焊膏的印刷是再流焊质量的关键。有三个因素会影响焊膏印刷：焊膏、模板与印刷。焊膏：窄间距器件的焊接质量与焊膏合金粉末的颗粒形状有关，焊膏的粘度与成分也必须选用适当。模板：锡膏模板的开孔设计、模板厚度与模板加工制作方式，将对焊膏印刷的外形质量起决定作用。印刷：印刷用刮刀的材质与形状，刮印的速度、压力与模板的间隙以及模板的

21、清洗，都会影响印刷质量。,77,t课件,锡膏印刷不良导致的品质问题,锡膏不足（局部缺少甚至整体缺少）将导致焊接后元器件焊点锡量不足、元器件开路、元器件偏位、元器件竖立；锡膏粘连将导致焊接后电路短接、元器件偏位；锡膏印刷整体偏位将导致整板元器件焊接不良，如少锡、开路、偏位、竖件等；锡膏拉尖易引起焊接后短路。,78,t课件,5.3.2 SMT贴片品质分析,SMT贴片常见的品质问题有：漏件、侧件、翻件、偏位、损件等。,79,t课件,5.3.3 SMT再流焊常见的质量缺陷及解决方法,再流焊的品质受诸多因素的影响，最重要的因素是再流焊炉的温度曲线及锡膏的成分参数。现在常用的高性能再流焊炉，已能比较方便地

22、精确控制、调整温度曲线。相比之下，在高密度与小型化的趋势中，焊膏的印刷就成了再流焊质量的关键。有时，再流焊设备的传送带振动过大，也是影响焊接质量的因素之一。,80,t课件,典型SMT焊点的外观,81,t课件,典型SMT焊点的外观：有末端重叠部分,82,t课件,SMT常见焊点缺陷及其分析,83,t课件,竖件,84,t课件,锡桥,85,t课件,无末端重叠部分,86,t课件,5.4 电子产品组装生产线,5.4.1 生产线的总体设计5.4.1.1 生产线的总体设计是一项系统工程设计建设生产线系统，不仅要按照产品的工艺要求及其相应的约束条件，合理安排生产过程的不同阶段、环节、工序，使其在时间、空间上平衡

23、衔接、紧密配合，构成一个协调的整体，生产出社会需要的产品，同时还应该满足有关安全性、可行性、可靠性、可维修性等的一系列目标。这是一项综合技术的创造性工作，需要进行总体的调度、综合的优化和有条不紊的组织管理，才能完成这项工作。,87,t课件,生产线系统设计各阶段的任务,88,t课件,某计算机厂生产线系统设计的基本方案,89,t课件,生产线初步设计阶段的工作,某计算机厂生产线系统平面布置简图,90,t课件,几种典型生产线,手工插装生产线,91,t课件,波峰焊生产线,92,t课件,小型产品组装、调试生产线,93,t课件,大型产品组装生产线,94,t课件,5.4.2 电子整机产品制造与生产工艺过程举例

24、,整机装配顺序,95,t课件,5.5新一代电子组装技术简介,96,t课件,5.5.1 基片, 陶瓷基片 约束芯板基片。约束芯板基片由42号合金、包钢钼、瓷化殷钢等材料制成。约束芯板基片具有强度大、体积轻的特点。 塑性层基片。塑性层基片采用增加塑性层的方法制成，在环氧玻璃基片上涂上环氧树脂层。 环氧玻璃基片。环氧玻璃基片由环氧树脂和玻璃纤维组成的复合材料制成。由于玻璃纤维质地坚硬、环氧树脂塑性好，所以环氧玻璃基片具有强度高的特点。,97,t课件,5.5.2 厚/薄膜集成电路技术,厚/薄膜集成电路，是以膜的形态在绝缘基板上形成的一种集成电路，膜集成电路与半导体集成电路不同，它只能集成无源元件。按膜

25、的厚度和形成工艺的不同，分为厚膜集成电路和薄膜集成电路两种。,98,t课件,5.5.3 载带自动键合（TAB）技术,与板载芯片（COB）技术相同，载带自动键合（TAB，Tape Automated Bonding）技术也是将IC裸片贴到基片上。图5.39(a)是TAB的示意图。与COB相比，TAB技术的主要优点是它在印制板上的断面形状比较低。TAB所用引线较短，引线电感比COB大约小20%以上，这就使TAB在电气性能方面，尤其是在高频下优于COB。,99,t课件,5.5.4 倒装芯片（FC）技术,倒装芯片（FC，flip chip）技术，是将芯片倒置后直接安装在基片上，互连介质是芯片和基片上的

26、焊区，图5.39(b)是具有代表性的基片上倒装芯片的示意图。消除了键合引线和封装，倒装芯片技术的组装密集比COB和TAB都高。,100,t课件,5.5.5 MCM封装,在还不能实现把多种芯片集成到单一芯片上、达到更高的集成度之前，可以将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片和专用集成电路芯片组合在高密度的多层互联基板上，封装成为具有各种完整功能的电子组件、子系统或系统。可以把这种封装方式简单地理解为集成电路的二次集成，所制造的器件叫做多芯片组件（MCM），它将对现代计算机、自动化、通信等领域产生重大的影响。,101,t课件,5.5.6 大圆片规模集成电路（WSI）技术,将电路板、子系统乃至整个系统的电路集成在一片大面积硅基片上，无疑是最理想的组装技术。大圆片规模集成电路（WSI，wafer scale integration）正是基于这种设想而诞生的一种多芯片组件组装技术。它主要采用冗余设计、激光修整以及混合集成等方法来达到组装要求。WSI技术的发展非常迅速，它与另一种先进的组装技术三维（3D）叠装技术相结合，在神经网络计算机的研究领域中发挥了重要的作用。,102,t课件,