影响准确贴装的主要因素

任何一台贴装机在实际应用中都有一定的局限性，不存在十全十美的贴装机。

在具体应用领域，为了充分发挥贴装机某一方面的性能，就必须采用一些折中的方案。比如，要提高贴装机的精度，就要在一定程度上降低贴装速度，反之亦然。从用户角度考虑，要根据实际需要选择具有相应性能的贴装机，才能避免不必要的功能上或经济上的损失。因此，讨论影响贴装机功能的因素，对于设计和选用贴装机都具有非常重要的意义。下面讨论影响贴装机性能的主要因素。

1.贴装机的总体机械结构

贴装机的总体机械结构设计主要考虑采用何种方式使要贴装的元器件定位并贴装在PCB的焊盘图形上。不同方法将有不同的贴装速度和贴装精度。一般有以下两种类型的机械结构：

1）所有运动都集中在贴装头上，在贴装元器件时，PCB保持静止。

2）在贴装元器件过程中，PCB和贴装头都运动。典型的设计方案是：贴装头从供料器拾取元器件并把它贴放在PCB的预定位置上，而工作台使PCB沿X轴和Y轴运动，将PCB上的焊盘图形定位在要贴装的元器件下面。

当所有运动都集中在贴装头上时，一般可以获得最高的贴装精度，因为这种情况下只有两个传送机构影响X—Y定位误差。而当贴装头和PCB都运动时，贴装头和PCB工作台机构的运动误差相重叠，导致总误差增加，贴装精度下降。这两种设计方案中，元器件的旋转都由贴装头的运动来完成。

采用PCB工作台移动的贴装机，为了实现高的贴装率，PCB工作台就必须快速移动，其加速度可以达到10～30m/s。在这种情况下，由于大型元器件的惯性，会使已贴好的大型器件移位，导致故障。所以在贴装这类器件时，应降低PCB工作台的运动速度和加速度。

精度和速度的选择经常需要考虑折中的方案。在贴装头和工作台都运动的贴装机上，二者可以同时并行运动，贴装头从供料器上拾取元器件，同时工作台运动使PCB定位。这种类型的贴装机虽然精度会下降，但却可以获得0᥊2～0᥊7s的贴装周期时间。当贴装所需的运动都集中在贴装头上时，这类贴装机在贴装过程的每一个工序都要由贴装头按顺序完成，尽管可提高贴装精度，但贴装周期时间却需要1～3s。

2.X—Y传送机构

贴装机的精度和速度是由使X轴和Y轴运动的传送机构决定的。传送机构的定位控制系统有开环系统和闭环反馈系统两种。开环系统没有纠正轴驱动误差的任何形式的反馈，所以精度低，价格便宜。闭环反馈系统采用旋转或线性轴编码器跟踪机构位置，以减少定位误差，所以使贴装系统的精度大大提高，但设备成本高。开环系统用于低精度贴装机，闭环系统用于高精度贴装机。

传送机构有几种类型。在廉价的开环控制的设备中常采用链条或带式传送机构。这种传送机构也可用于闭环系统。但是，闭环系统一般采用滚珠丝杠螺旋副驱动机构，可获得更精密的运动。它是在一根磨光的轴上设有精密螺旋轨速，再用滚珠轴承套面套在轨道上，套筒就作与轴的旋转成比例的线性运动。在闭环系统中，当采用丝杠驱动时，用旋转轴编码器作反馈传感器，编码器数是丝杠的旋转数，将信息反馈给比较器，以便确定贴装头的精确位置。这种驱动机构靠丝杠轨道的精度把旋转运动转换成线性运动。

用来取代滚珠丝杠的驱动机构是最新开发的驱动器。这种机构与线性编码器组合在一起可获得较高的精度和速度。线性编码器将贴装头的实际位置信息直接反馈，所以比旋转轴编码器更精确，但结构更复杂，价格昂贵。

3.坐标读数的影响

自动贴装机按照程序把元器件贴放在PCB的目标位置上。为了确保这些位置精确地与PCB焊盘图形的位置相对应，PCB焊盘图形和元器件（包括引线）的有关信息必须寄存在机器的坐标系统中。

（1）PCB对准标志 表面贴装要求元器件必须对准实际的焊盘图形，因此用作参考特征的加工孔或其他标志必须精确地表示印制电路板的影像（电路图形和焊盘图形）。为了进行精确定位，根据不同的精度要求，采用几种不同的方法把PCB的位置特征寄存在贴装机的坐标系统中。一般采用的方法有：

1）寄存PCB边缘。最简单的方法是把PCB边缘作为参考值寄存在贴装机的坐标系统中。具体方法是将PCB边缘与工作台上的挡板接触。以确定贴装机坐标的起点和取向。这种方法的精度取决于PCB边缘对准PCB电路图形的影像精度。PCB边缘和电路图形影像的典型定位精度是±0.25mm，冲切边缘的定位精度为±0.18mm，剪切边缘的定位精度为±0.5mm。

2）寄存加工孔。印制电路板角落设置的加工孔作为参考特征，可以获得较高的精度。钻孔与电路图形影像的定位误差约为±0.1mm，采用精冲孔，其定位误差可优于±0.025mm。当采用加工孔作对准标记时，要考虑表5-4所示的几个加工孔精度因素，这导致总的对准精度约为±0.17mm。

表5-4 加工孔精度因素

3）PCB级视觉对准。当贴装多引线细间距器件时，通常不适于采用机械参考特征，而必须以PCB的实际影像作参考特征进行对准。当采用这种方法时，加工孔或PCB边缘可用于粗对准。再在PCB原图上角落附近设计三个基准标志，利用这三个基准标志，贴装系统根据设定的基准位置和PCB的实际位置之间的差别计算PCB精确定位补偿值，在系统控制下完成全部操作，不需要人工干预。采用这三个基准标志，贴装系统能对X铀和Y轴的线性平移、正交、定标和旋转等误差进行补偿。如果把视觉系统的传感部件安装在贴装头上，就可以消除贴装头运动机构的不精确性引起的误差，最终可使PCB的对准精度达到±0.025mm。表5-5列出各种不同的对准技术的近似精度。

表5-5 各种不同的对准技术的近似精度

（2）元器件定心 仅据供料器提供的元器件大致取向定心对于精确定位是不够的，所以贴装工具拾取元器件之后必须进行元器件定心。可以根据贴装精度的实际要求选择采用机械定心爪、定心台或光学对准系统进行元器件定心。

1）机械定心爪。这种方法一般采用与贴装工具同轴安装的镊子型机械定心爪。通常采用两对定心爪，对应同一条轴线。在贴装工具拾取元器件后，定心爪靠紧元器件使之定心，在贴装工具贴放元器件前定心爪放开。采用这种定心爪，通常有两种定心方法。最常采用的是同时定心，即两对定心爪同时靠紧元器件，这种方法精度高，但特定的定心爪只能适用于一定尺寸范围的元器件。另一种是顺序定心，即在操作时，先启动一对定心爪，紧跟着再启动第二对定心爪，这在一定范围内取消了对元器件尺寸的限制，但其明显的缺点是第二对定心爪引起的元器件的移动将不能消除，所以定心精度差，但价格便宜。机械定心爪也可以不与贴装工具同轴安装，而安装在接近供料器的固定位置上。在贴装操作时，贴装头从供料器上拾取元器件，传送并放在定心爪上定心，然后再从定心爪上拾取元器件贴放在PCB上。这种贴装头结构简单，成本低。但是由于增加了辅助工序，使贴装率下降。总的来说，采用机械定心爪价格便宜，定心时能获得一定精度，且不降低贴装率。但由于是对准元器件本体定心，相对于元器件引线来说，定心精度受到限制；另外，定心爪对元器件施加一定机械力，有时会损坏元器件及其引线，所以应用受到限制。

2）定心台。采用定心台对元器件定心可以克服采用机械定心爪的许多问题。如图5-2所示，定心台由一套适合于器件引线的梳子组成。在贴装时，贴装头从供料器取元器件，并放到定心台上，由于重力作用元器件引线落到V形梳子的齿上，使之与定心台中心对准。然后再由贴装头从定心台上拾取元器件并贴放到PCB上。由于定心台应使贴装工具精确地对准元器件引线的中心，所以要求它的对准精度高，且对引线不施加力，以适用于易损元器件定心，如细间距芯片载体，当然也适用于无引线的片式元件。定心台的主要缺点是由于加入了额外工序引起贴装率下降，另外不同类型引线数的器件要求使用相应的定心台。(www.xing528.com)

图5-2 元器件定心台

3）光学定心。光学定心是采用视觉系统观测器件引线进行定心。视觉系统的摄像机安装在机架上，向上观察器件引线的实际情况和视觉系统中存在的相应标准之间的差别，由计算机系统进行分析处理，确定贴装纠正因素，由贴装系统控制贴装头精确地进行贴装。这种方法可获得很高的贴装精度，已广泛应用于高精度贴装机。

4.准确贴装的检测

（1）元器件检测 贴装机以高度自动化的方式在PCB上快速贴装大量SMC/SMD。为了确保SMA的可靠性，不容许有缺陷的元器件贴装到PCB上。所以在贴装时要求贴装机自动地对贴装的元器件进行检测并纠正可能有的缺陷。元器件检测主要有三项基本内容：元器件有/无；机械检测；电气检测。

首先贴装机应检测元器件是否已被贴装头成功地从供料器上拾取，拾取的元器件取向是否正确，元器件的电气技术规格是否符合要求。完成这些检测项目要求贴装机有复杂的检测系统。并且，发现有缺陷的元件，贴装机必须进行适当的纠正动作。在通用贴装机上通常是放弃有缺陷的元器件，并另取一个代替。而在高速贴装机上则不可能马上执行纠正动作，它将丢弃有缺陷元器件并继续按程序贴装，直到全部程序完成后，再进行替换有缺陷元器件的补贴工序。

1）元器件有/无。这是检验元器件的最简单形式，几乎所有贴装机都有这种功能。一般都采用真空检测器感受元器件是否已被拾取。当贴装工具拾取元器件后，堵塞空气流，在贴装工具内形成真空，真空检测器感觉到这个真空后显示元器件已成功地被拾取。

2）机械检测。一般的贴装机很难对元器件的外形，特别是器件引线的情况进行实地检测。高精度贴装机采用视觉系统可完成该检测，发现引线有缺陷的器件，执行纠正动作，避免贴装故障。

3）电气检测。对于片式元件，可以通过设置在定心爪上的电气触点进行电气检测。所以电气检测触点成了定心爪的结构组成部分，把定心爪上的触点连接到外部仪器上即可完成片式元件的综合电气检测。复杂的器件必须在专门的检测台上进行检测，贴装工具拾取器件后先把它放在测试台上进行电气性能检测，然后再由贴装工具从测试台上拾取器件进行定心和贴放。由于增加了额外的工序，所以贴装率下降。SMA组装厂对元器件和PCB进行在线检测，是确保组件可靠性的重要工序，但是在线电气检测是一项十分困难的工作，现在由于从元器件制造厂家出厂的元器件已经进行了可靠的电气检测，所以SMA组装厂一般不再对元器件进行在线检测。

（2）贴装精度的测量方法 对SMD印制电路板装联工厂而言，贴装机的贴装精度与重复精度的测量方法是一道必要的工艺流程，电子组装中，一般对于大尺寸多引脚器件的贴装精度有很高的要求，特别是精细间距引脚QFP器件，贴装精度是保证其组件钎焊顺利的必要条件之一。对于多引脚器件以及片式元器件贴装精度测量方法及主要步骤如下：

1）多引脚器件贴装准确度的测量。玻璃仿真器件样本外形尺寸略大于正式器件标称值，在其背面采用真空薄膜工艺法来沉积金属层，光刻法制作器件引脚轮廓投影，采用这种工艺来制作器件样本，其外形尺寸精度甚至可达到亚微米级别。利用同样的方法在玻璃板平面制作基准标志与贴装焊盘位置的轮廓投影图形，其精度在1～5μm。须在贴装焊盘上喷涂粘结剂或粘贴双面胶带（厚度为5～10μm），同时应尽可能避免视差对测量数据产生不利的影响。

将玻璃板测试样本送进贴装机，然后采用承载板使玻璃板平放在贴装机最大贴装区的任何一个位置上。将器件样本装载在华夫盘上，贴装机以正常的操作流程进行。在众多测量玻璃板样本器件贴装偏差的方法中，最简单的便是使用光学工具显微镜，而且其精度可满足测试样本的要求。每个样本器件进行四次测量：①样本器件顶面引脚图形与玻璃板焊盘图形的相对偏差；②样本器件底面引脚图形与玻璃板焊盘图形的相对偏差；③样本器件左侧引脚图形与玻璃板焊盘图形的相对偏差；④样本器件右侧引脚图形与玻璃板焊盘图形的相对偏差。

X轴向偏差是顶面/底面偏差平均值；Y轴向偏差是左侧/右侧偏差平均值；样本与焊盘图形的相对转动角偏差是顶面与底面偏差的差值。

通常一台高质量贴片机的传动系统应该没有基本的传动缺陷，在整个贴装区范围内，只显示极小的偏差波动。测试过程中，测量采样次数的确定必须遵照实际制造的技术要求正确取得，真实地反映贴片机所能达到的精度指标。在贴装区内，按照一定规则选择几个测试点，每个点以0°、90°、180°、270°几个不同的角度组合，每组至少对五个测量值提供统计分析。在理想情况下，排除了器件和印制电路板等因素，采用精密的样本器件及贴装样板可以正确客观表征贴装机的真实性能。

2）片式器件贴装准确度的测量。贴装如1206、0805等片式器件，贴装精度的测量最常用的方法是利用实际器件直接在印有坐标栅格的基板表面上进行贴装测量，栅格交点的坐标值是由基板的基准标志确定。这种测量方法的缺点是实用器件通常为长方形，外形尺寸随机变化，且测量器件的中心定位很困难，但并没有光学比较仪或其他测量工具测量时繁琐费时。在加工尺寸精度高的金属或塑料的样本器件时，其测量误差可小于25μm，通常的贴装机片式器件的贴装准确度为0.15mm。所以测量精度高于贴装准确度5～6倍。

另外有一种较为简便的测量方法是在PCB片式器件贴装后，不再从贴装机内取出，而是由内置的下视摄像机测量器件贴装偏差。例如采用视像对中，因测量时使用的是同一个光学检测系统，该系统的误差将会引入测量数据，这些重复误差都包含在内，所以这种方法的测量精度都比较低，只能用来作比较参考。

5.计算机控制

计算机控制系统是贴装机的“大脑”，所有贴装操作的指挥中心。计算机可安装在贴装机中，也可设置单独的控制台。它由控制硬件和程序两部分组成。更加复杂的全自动贴装系统还可以和中央过程控制计算机接口，以协调整个生产线的全部操作，如图5-3所示。

图5-3 采用中央计算机控制的贴装系统

（1）控制硬件 贴装机控制器一般由专用微机组成，并利用终端设备实现人机对话，控制全部贴装操作。有的贴装机与工艺控制计算机接口，由主机控制全部贴装操作。二级工艺控制主机可以选用不同的计算机，最普通的是选用PC机，它适应性强，成本低，容易普及。更加高级的全自动化SMT工厂采用高级微型机作主机，以满足更加复杂的过程控制的需要。

（2）编程方式 低成本的贴装机常采用示教方式编程，优点是不需要编程用计算机，所以成本低。另外，操作人员能补偿PCB实际位置和设计位置之间的误差，这在无设计数据备用情况下显得特别有意义。缺点是：贴装头的定位完全取决于操作人员的技巧，因此精度低，编程操作慢，编程时贴装机不能进行贴装操作。

较高档的贴装机广泛采用计算机编程，有联机编程和脱机编程。联机编程时贴装机要停止贴装操作，但节省了脱机编程用计算机的投资。在生产中，大多数贴装机采用脱机编程，这种编程避免了示教式编程出现的问题，并可直接使用设计数据，可获得更高的贴装精度，它对生产无任何影响。如果采用CAD数据，可完全避免人工干预，大大减少了产生误差的机会。但脱机编程要求附加资本投入和对操作人员进行专门培训。

（3）数据存储介质 早期的数控贴装机采用穿孔纸带存储数据，后来采用磁带存储介质。现在的贴装机已经普遍采用软盘和硬盘存储器作存储介质。硬盘提供了高的存储容量和快的存取时间，比软盘有更高的可靠性。