摘??要??表面貼裝技術自80年代以來以在電子工業(yè)中得到了廣泛應用和發(fā)展，本文對其未來的發(fā)展趨勢作了初步分析。
關鍵詞??表面貼裝技術;計算機集成制造系統;貼片機;波峰焊;回流焊;表面貼裝元器件
Developing Trend of Surface Mount Technology
Xian??fei
(Jinglun Electronic Co.,Ltd,Wuhan??430223,China)
????Abstract??Surface Mount Technology has been developed quickly and got wide application????????in electronic industry since 1980,the article analyeses the developing trend of Surface Mount Technology.
????Keywords Surface Mount Technology; CIMS; Mounter; Wave soldering; Air soldering; Surface Mount Device
????隨著電子產品向便攜式/小型化、網絡化和多媒體方向迅速發(fā)展，表面貼裝技術（Surface Mount Technology，簡稱SMT）在電子工業(yè)中正得到越來越廣泛的應用，并且在許多領域部分或全部取代了傳統電子裝聯技術。SMT的出現使電子裝聯技術發(fā)生了根本的、革命性的變革。在應用過程中，SMT正在不斷地發(fā)展與完善,本文將就SMT發(fā)展的部分熱門領域進行概括介紹。
????????????????????????????SMT生產線的發(fā)展
SMT生產線是面對高產能、高質量大規(guī)模電子裝聯生產，SMT生產線是生產的基礎，目前其有如下幾個發(fā)展趨勢：
1.計算機集成制造系統（CIMS）的應用
目前電子產品正向著更新快、多品種、小批量的方向發(fā)展，這就要求SMT的生產準備時間盡可能短，為達到這個目標就需要克服設計環(huán)節(jié)與生產環(huán)節(jié)聯系相脫節(jié)的問題，而CIMS的應用就可以完全解決這一問題。CIMS是以數據庫為中心，借助計算機網絡把設計環(huán)境中的數據傳送到各個自動化加工設備中，并能控制和監(jiān)督這些自動化加工設備，形成一個包括設計制造、測試、生產過程管理、材料供應和產品營銷管理等全部活動的綜合自動化系統。
CIMS能為企業(yè)帶來非常顯著的經濟效益：提高產品質量、設備有效利用率和柔性制造能力，大大縮短產品設計周期和投入市場時間等等。正因為CIMS具有這么多優(yōu)點，所以可以預見得到CIMS在SMT生產線中的應用將會越來越廣泛。
2.SMT生產線正向高效率方向發(fā)展
高生產效率是衡量SMT生產線的重要性能指標，SMT生產線的生產效率體現在產能效率和控制效率。產能效率指的是SMT生產線上各種設備的綜合產能。為了提高產能效率，一些 SMT生產線的回流爐后都配上了全自動的連線測試儀，這樣，在整個生產過程中都可杜絕人為因素的干擾，大幅度提高產品生產速度，從而提高生產效率；還有些SMT生產線正從傳統的單路連線生產向雙路連線生產方式發(fā)展，在減少占地面積的同時，提高生產效率。控制效率包括轉換和過程控制優(yōu)化及管理優(yōu)化，控制方式上已從傳統的分步控制方式向集中在線優(yōu)化控制方向發(fā)展，生產板轉換時間越來越短。目前國外很多企業(yè)都在使用生產管理軟件對整個SMT生產線實行集中在線控制管理，可對各個設備的生產工藝參數進行監(jiān)控、統計，確保每臺機器工作在正常狀況下，大幅度提高生產線管理效率和生產效率。
3.SMT生產線向“綠色”環(huán)保方向發(fā)展
為了保護地球生態(tài)環(huán)境，SMT生產線的環(huán)保問題正受到人們越來越多的關注，符合環(huán)保要求的“綠色”生產線將是21世紀SMT發(fā)展趨勢。
?????????????????????? SMT設備的發(fā)展
SMT生產線是由SMT設備構成的，目前SMT設備的發(fā)展正向著高效、靈活、智能、環(huán)保等方向發(fā)展。
絲印設備
在傳統的錫膏印刷過程中，錫膏長時間暴露在開放環(huán)境下是引起印刷缺陷的重要原因。而MPM“流變泵”印刷頭是解決上述問題的最新突破。與錫膏在開放的環(huán)境中滾動不同，“流變泵”中的焊膏被裝在密封的印刷頭中，只有開孔錫膏才與網板接觸，標準錫膏封裝夾筒不斷地通過壓力來充填焊膏，并提供動壓力，使錫膏進入開孔。這一“流變泵”技術從根本上消除了影響錫膏印刷的最大變量因素，使用戶無需考慮印刷時間歇或機器工作時間等情況，從而得到滿意的效果。絲印機制造行業(yè)的另一巨頭DEK也采用了與此相類似的技術，可以看出將錫膏由開放環(huán)境轉入封閉環(huán)境將會是絲印設備的一個發(fā)展方向。
此外隨著模塊化高速貼片機的應用，以及一條生產線多臺高速貼片機的連接，貼片速度將不再是瓶頸，而印刷錫膏可能成為新的瓶頸所在。因為印刷要求錫膏滾動，而速度太快錫膏不可能滾動起來，因此，如何在印刷速度上作文章將是以后一個重要話題。DEK公司推出了新設計的刮刀，它不在是單一的平面設計，而多角度組合以達到高速印刷時錫膏能滾動前進，但效果如何，還有待實踐的檢驗。
貼裝設備
貼片機是SMT生產線中最關鍵的設備，它往往占了整條生產線投資額的一半以上，因此貼片機的發(fā)展更能引起人們的關注。目前貼裝機的發(fā)展正向著高速、高精度、智能化、柔性制造系統（FMS）、多功能等方向發(fā)展。
1．新型貼片機為了更好地提高生產速度，除了對機械結構加以改進，減少震動，提高系統穩(wěn)定性外，還采用了以下一些新技術：
“飛行對中”技術
這項技術最早由美國QUAD公司開發(fā)并采用，它把CCD圖象傳感器直接安裝在貼裝頭上，一起運動，實現了在拾起器件后，在運動到印制電路板貼裝位置的過程中對器件進行光學對中，使細腳距IC的貼片速度提高了5倍，打破了細腳距IC的貼片瓶頸。
雙路輸送結構
雙路輸送貼片機在保留傳統單路貼片機的性能下，將PCB的輸送、定位、檢測等設計成雙路結構，這種雙路結構的貼片機其工作方式可分為同步方式和異步方式。同步方式運轉時，完成二塊大小相同的印制板的器件貼裝；異步方式運轉時，當一塊印制板在進行器件貼裝時，另一塊印制板則完成傳送、基準對準、壞板檢查等步驟。這兩種方式均能縮短貼裝機的無效工作時間，提高生產效率。
自動吸嘴轉換功能
由于傳統的貼片機貼裝頭部的吸嘴唯一，因此在吸取大小不同的器件時需經常到吸嘴站(Nozzle Station)更換吸嘴，使無效工作時間增加，從而造成生產效率的降低。為了解決這一矛盾，日歐一些公司新型貼片機的貼裝頭部作了改進，如采用轉盤和復式吸嘴結構。轉盤結構指的是貼片機的貼裝臂上安裝有轉盤，其中包含有各種不同類型的吸嘴，在貼裝頭移動過程中自動更換所需吸嘴，無需增加額外時間，并且在一個拾放過程中可以同時吸取多個元器件，降低了貼裝臂來回運動的次數，從而提高貼片機工作效率。這種機器可以通過增加貼裝臂數目來提高速度，具有較大靈活性，像SIMENS的HS-50就含有四個這樣的貼裝頭，可實現每小時貼5萬片元件。復式吸嘴結構指的是貼裝頭采用了同軸兩個大小不同吸嘴，當吸取較小元件時，小吸嘴伸出；當吸取較大元件時，大吸嘴伸出。這種結構也可以實現吸嘴自動轉換，如松下公司的MSH3就采用了這種結構。
2．新型貼片機發(fā)展的另一重要趨勢就是高精度，目前正采取如下措施，以適應窄間距、新型器件對貼裝精度的要求，主要改進有：（1）采用了高分辨率的線性編碼器閉環(huán)系統。（2）采用智能服務系統提高了服務性能和縮短了調整時間，減輕主機負荷，提高貼裝可靠性。（3）改進了機器視覺系統，采用高分辨率的線性掃描攝象機，并對圖象進行灰度處理，提高圖象處理精度，進一步提高了貼裝機的精度等級。（4）采用溫度補償功能，降低環(huán)境對貼裝超細間距IC的影響。
3．由于現在的生產制造環(huán)境千變萬化，為了適應這一情況，新型貼片機正向柔性制造系統（FMS）方向發(fā)展。如日本富士公司一改貼裝機的傳統概念，將貼裝機分為控制主機和功能模塊機，可以根據用戶的不同需要，由控制主機和功能模塊機柔性組合來滿足用戶的需要。模塊機有不同的功能，針對不同元器件的貼裝要求，可按不同精度和速度進行貼裝，以達到較高的使用效率，當用戶有新的要求，可以根據需要增加新的功能模塊機。
4．多功能也是貼片機的一個發(fā)展趨勢。由于這類貼片機兼具高速機和高精度機的特點，貼裝元器件的范圍覆蓋了高精度機和高速機，它能解決無論是高速機還是高精度機引起的瓶頸問題。因而較普通機器具有更大的靈活性，只需一臺多功能機器就可取代高速機十中速高精度機的配置，從而降低整條線的成本，減少占地面積。多功能貼片機正受到越來越多中小企業(yè)的青睞。
5．高速貼片機模塊化。旋轉頭的設計經歷了近十年的發(fā)展壯大，在高速機行列中獨領風騷，但隨著速度進一步提高，從理論上講，傳統的單軸多頭的旋轉設計已走到了盡頭，它的速度是受電機及控制部件速度、精度限制的。目前的發(fā)展趨勢是模塊化設計，一臺貼片機由多個相同的模塊組成，而每個模塊內部實現高速化（有單頭多模組及旋轉多模組組成），如PHILIPS和SIMENS是這方面的典型代表。PHILIPS的FCM機器采用單頭多模組方式，速度高達8萬片/小時，SIMENS的HS-50機器采用旋轉頭多模組，速度達5萬片/小時。其實這種設計可以簡單理解為多模組同時進行相同的貼片工作，這樣綜合速度指標就可以達到更高的水平。
6．貼裝機的另一發(fā)展方向是智能化，這就為CIMS用于SMT生產線打下技術基礎。
焊接設備
再流焊接設備正向著高效、多功能、智能化發(fā)展，其中有具有獨特的多噴口氣流控制的再流焊爐、帶氮氣保護的再流焊爐、帶局部強制冷卻的再流焊爐、可以監(jiān)測元器件溫度的再流焊爐、帶有雙路輸送裝置的再流焊爐、帶中心支撐裝置的再流焊爐等。除了上述這些新型再流焊爐外，智能化再流爐也已經出現了，其調整運轉由內置計算機控制，在Window視窗操作環(huán)境下可很方便使用鍵盤或光筆輸入各種數據，又可迅速地從內存中取出或更換再流焊工藝曲線，節(jié)省調整時間，提高了生產效率。智能化再流焊爐的許多機構的運作，例如：回流爐自動啟動和停止，在規(guī)定時間選定存儲的再流焊工藝曲線，自動調整加熱區(qū)設置，啟動再流焊爐，到時關閉。鏈式傳送帶寬度自動調節(jié)，與加工印制板尺寸相匹配，通氮工藝與常規(guī)空氣再流焊工藝變換等功能的自動設置都不必人工操作，全由計算機程序控制。智能化再流焊爐的出現，給SMT焊接工藝增添了新的活力，也為CIMS進入到SMT生產線中創(chuàng)造了條件。
波峰焊在混裝工藝中應用廣泛，其新發(fā)展有：（1）過程控制電腦化。這使得整機可靠性大為提高，操作維修簡便，人機界面友好。（2）環(huán)保方向發(fā)展。由于ODS的禁用和VOC的限用，PCB焊后的清洗問題，變得越來越緊迫和嚴重。目前出現的SMT波峰技術與免清洗技術的結合，產生了當前的超聲噴霧和氮氣保護等機型，這些新機型的出現順應了保護地球生態(tài)環(huán)境的呼聲和要求。（3）釬料波峰動力技術方面的發(fā)展。隨著感應電磁泵技術理論研究的深入和應用技術的完善，感應電磁泵技術將逐漸替代機械泵技術，成為未來釬料波峰動力技術的主流。（4）PCB傳動系統的發(fā)展。由于PCB進入波峰的傾角，是影響焊接效果的一個重要因素，而傾角大小的取舍又是與整機外型尺寸大小相關連的，既要整機外型小，又要傾角大，這一對矛盾只有通過采用曲線漸變異軌和機械手可變傾角結構來加以調和。瑞士epm的Eleven機器人型波峰焊接機正是上述結構的典型應用。（5）惰性氣體保護技術。在設備上采用惰性氣體（例如氮氣）保護技術，將釬料槽和波峰上釬料完全與空氣隔絕，從根本上消除釬料氧化現象的發(fā)生。
?????????????????????????? 表面貼裝元器件的發(fā)展??????????????????
隨著電路安裝密度的提高，表面貼裝元器件（Surface Mount Device,簡稱SMD）代替?zhèn)鹘y的過孔插裝元器件已成為必然趨勢。目前SMD在形態(tài)上正向著兩個相反的方向上發(fā)展，即小型化和大型化。小型化指的是SMD的外形尺寸越來越小，如片狀電阻電容，它經歷了以下發(fā)展歷程：3225→3216→2520→2125→1608→1005,目前最新出現的尺寸是0603（即長0.6mm,寬0.3mm），日本等國已經將0603類型的元件用于DVD、移動電話等產品的生產中，極大提高了電路板組裝密度，縮小了產品的體積。而大型化是指由于IC芯片功能增加導致I/O端子數增加，從而使IC封裝尺寸增大。為滿足高密度組裝的要求，器件大型化的實質是IC封裝的高集成化、高功能化、多引線化和細間距化。為了適應目前電路安裝密度越來越高的要求，一些新型元器件(如FC、BGA、CSP等)紛紛出現。隨著這些新型元器件的出現，一些新技術、新工藝也必將產生，從而極大地促進了表面貼裝技術的發(fā)展。
?????????????????????? SMT工藝材料的發(fā)展
常用的SMT工藝材料包括：條形焊料、膏狀焊料、助焊劑、稀釋劑和清洗劑等。出于保護地球環(huán)境的目的，其正向著免清洗和無鉛型發(fā)展，如歐美日等發(fā)達國家正開展無鉛焊料的研究，并取得了較快的進展，相信在不久就會進入生產實用階段。