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0201裝配,從難關到常規貼裝
更新時間:2018-07-06         來源:創美佳精品制造SMT貼片廠

 

  本文解釋并探討在高產量與高混合裝配兩種運作中的支配0201貼裝的指導原則。

  雖然通常認為是相當近期的一項發展,印刷電路板(PCB, printed circuit board)自從五十年代早期就已經有了。從那時起,對越來越小、越來越輕和越來越快速的電子產品的需求就一直推動著電子元件、PCB和裝配設備技術朝著SMT的方向發展。
  對SMT最早的普遍接受是發生在八十年代早期,那時諸如Dynapert MPS-500和FUJI CP-2這些機器進入市場。在那時,1206(3216)電阻與電容是最流行的貼裝元件??墒窃谝粌赡陜?,1206即讓路給0805(2125)作為SMT貼裝的最普遍的元件包裝。
  在這個期間,機器與元件兩者都迅速進化。在機器變得更快更靈活的同時,0603 (1608) 元件開始發展。在這時,許多裝配機器制造商走回研究開放(R&D, research and development)實驗室,重新評估用于接納這些更新、更小元件的設備中的技術。更高分辨率的相機與更小的真空吸嘴就在這些元件帶給裝配設備的變化之中。
  0402(1608)包裝的出現在PCB裝配的各方面都產生了進一步的挑戰。在機器發展方面,真空吸嘴變得更小和更脆弱。新的重點放在元件的送料器(feeder)上面,它作為需要改進的一個單元,為機器更準確地送出零件。
  隨著0402元件的出現,工藝挑戰又增加到那些需要為成功的元件貼裝而探討的問題之中。錫膏(solder paste)印刷變得更加關鍵 - 模板(stencil)厚度與錫膏網孔是越來越重要的工藝考慮因素。這種貼裝所需要的技術也涉及重要的新成本。
  這些因素的結合造成在電子工業歷史中最慢采用的一種新包裝形式??傆?,幾乎將近五年時間,0402包裝才在工業中達到廣泛的接受 - 并且在今天還有許多裝配工廠從來不貼裝一顆0402片狀。
  現在,進入了0201。
  在過去一年半時間里,0201貼裝已經是整個工業內討論的一個關鍵主題。由于尺寸、重量和功率消耗的需求,許多OEM電路板裝配商需要將甚至更小的元件和技術結合到其產品中去。合約制造商(CM, contract manufacturer)也必須具備新的技術,以保持裝配工藝最新和為客戶提供完整的服務范圍。對于機器制造商,其挑戰是開發在一個動態的技術變化的時代中更加抵抗陳舊過時的裝配設備。

0201貼裝的挑戰
  0201元件的貼裝比其前面的元件介入更具挑戰性。主要原因是0201包裝大約為相應的0402尺寸的三分之一。
  原先可以接受的機器貼裝精度馬上變成引進0201的一個局限因素。另外,傳統的工業帶包裝(taping)規格對于可靠的0201貼裝允許太多的移動,而工藝控制水平也必須提高,以使得0201貼裝成為生產現實。
  雖然這些障礙非常大,但它們遠不是不可克服的。當然,它們需要全體的決心,因為對0201貼裝所必須的技術獲得要求大量的資金和最高管理層對研究開發(R&D)的許諾。

可靠的0201貼裝的關鍵
  在FUJI,進取的R&D計劃已經產生了使所有的電路裝配機器以100%速度兼容0201的能力,最低的吸取可靠性為99.90%,目標的吸取可靠性為99.95%,和最低的貼裝可靠性為99.99%。在一開始,設計的每個方面都得到評估其對一個完整的0201方案的能力,還有緊密相關的機器元件參數的單一元素的結合證明對達到成功是關鍵的。這些參數包括:

  • 元件送料器工作臺。R&D計劃得出結論,精密定位料車(carriage)工作臺的能力 - 和作出極小的調整來補償料帶 (tape) 的不精確 - 是達到元件吸取可靠性高于99.95%的關鍵因素。
      為了達到這個,送料器(feeder)工作臺必須精密加工,以保證單個送料器的可重復定位,并且使用雙軌線性移動導軌與一個高分辨率半封閉循環的伺服系統相結合。該設計允許作出很小的調節 - 基于由視覺系統判斷的吸取精度結果。這保證元件盡可能地靠近中心吸取。
  • 元件送料器。送料器必須制造達到極緊的公差,以保證吸取位置維持可重復性,不管元件高度和大量的可能元件位置的變化。用于定位和將送料器鎖定在位置上的機構必須耐用和精密,還要保持用戶友好。另外,用于制造送料器的材料必須強度高、重量輕,以允許人機工程上的操作,同時保證元件料帶(carrier tape)的精密、可重復的送出。
  • 送料器驅動鏈輪。驅動鏈輪在機器定位元件料帶的能力中起關鍵作用。驅動鏈輪輪齒的形狀、錐度和長度重大地影響送料器定位料帶的能力。其它因素也作了調查研究,比如驅動鏈輪的直徑和料帶與鏈輪接觸的數量等。對基本的鏈輪設計所作的改變得到定位精度的改進,比較早的設計在X方向提高20%,Y方向提高50%。
  • 吸取頭。在適當地進給元件之后,下一步是將元件吸取在真空吸嘴上,并把它帶到電路板上。真空吸嘴(nozzle)需要順應以吸收在吸取與貼裝元件期間的沖擊,補償錫膏高度上的微小變化,并且減少元件破裂的危險。為了這些原因,吸嘴必須能夠在其夾具內移動。
      材料選擇、材料硬度、加工公差和熱特性都必須理解,以構造一個可靠的吸取頭。吸嘴必須在其夾具(holder)內自由移動,而不犧牲精度(圖一)。
  • 吸嘴軸裝配。吸嘴軸(nozzle shaft)也是一個關鍵的設計元素 - 通過保持整個吸嘴與軸裝配直接對中,消除了過壓(overdrive)現象。過壓是由于當貼裝頭上下運動是所產生的慣性造成的。如果吸嘴和軸不在一條直線,就產生一點抖動(whip) - 或過壓。過壓造成定位精度的變化,它決定于運動速度、吸嘴重量和元件重量。通過消除過壓,直接對中減少與元件吸取和貼裝有關的負面因素的數量(圖二)。
  • 吸嘴設計。吸嘴設計上的變化對于允許接納0201元件是一個很重要的因素。為了吸取 0.6x0.3 mm 的元件,吸嘴必須有不大于 0.40mm 的外徑。這樣形成一個長而細的吸嘴軸,彎曲脆弱但還必須保持精度以維持吸取的高可靠性。從直線軸到錐形設計的改變增加吸嘴強度,并允許吸嘴抵抗彎曲(圖三)。
  • 基體結構。所有機械在運行期間都產生振動?;w框架設計是減少產生振動和諧波共振的速度與運動效應的關鍵第一步。通過使用鑄鐵基礎框架和藝術級結構技術,振動與諧波共振可在機器內減少到可控制水平,這樣,負面影響可以應付。

達到標準
  通過所有六個關鍵因素,可靠的0201貼裝的障礙已經消除。因此,R&D的焦點已經轉向更新、更小的元件,0201不再認為是前緣的元件包裝技術。
  對于0201元件貼裝,現在接受的工藝窗口是在3 Σ 時大約75μm 的X 和75μm 的Y。為了達到 6 Σ 的貼裝可靠性,X與Y的公差必須減少到50μm。最新的高速貼裝設備具有66μm的等級,實際標準偏差大約為35~45μm。隨著0201元件變得更加廣泛地使用和制造工藝變緊,可達到提高的準確性。
  供應商之間的元件尺寸差別對0201進料和貼裝都產生挑戰。散裝進料(bulk feeding)正在開放之中,應該在2001年可以得到。
  雖然機器現在具備這個能力,但只有一小部分使用者將準備在未來12~24個月內邁出使用0201貼裝的步伐。這類似于球柵陣列(BGA, ball grid array)和0402元件的引入,在裝配這個環境里,機器的能力超前于工藝狀態。

前面的挑戰
  雖然0201元件的貼裝現在是新貼裝設備的一個標準特性,還需要作另外的工作來改進終端用戶的整體工藝。在機器制造商、元件供應商、電路板制造商、模板工廠和錫膏制造商之間的關系需要加強,以形成一個更加無縫的(seamless)開發過程。最終結果將是對該工藝的統一的理解,以及將使最終用戶受益的更好的工作關系,特別是通過使新的生產技術更快和更有效的結合。

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