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SMT装备业 的发展机遇与挑战

SMT装备业 的发展机遇与挑战

胡跃明

华南理 工大学精密电子制造装备教育部工程研究中心/自动化 科学与工程学院

摘要:SMT是将各 种片式电了元器件贴装到印刷电路板或将裸 芯片贴装到封装基板上的精密制造技术,是电了 信息产品制造过程中的三大关键工艺之一。本文概 述了精密电了表面组装生产过程中的精密传送与组装机构、高速高 精度视觉动态检测与定位、多轴视 觉伺服控制系统与优化等关键表面组装技术(CSMT,介绍了 国内外在全白动贴片机、丝印机 和光学检测设备等三大精密电了表面组装设备领域和核心技术的研究与应用现状,并提出 了若干巫待解决的核心技术问题和装备发展方向。

关键词:SMT;视觉检测与定位;多轴控制系统;贴片机;丝印机;检测设备。

The Key Technologies and Equipments in Precision Electronic Surface Mounting Production

Hu Yueming,Chen An, Du Juan,Gao Hongxia,Yuan Peng

Engineering Research Center for Precision Electronic Manufacturing Equipments of Ministry of Education, College of Automation Science and Engineering, South China University of Technology,510640, Guangzhou, P.R.China

Abstract:  High-precision electronic Surface Mounting Technology (SMT) is a kind of advanced manufacturing technology to mount various electronic components and chips on Printed Circuit Boards (PCB) or Packaging Substrate, which is considered as one of the three key technologies  in  electronic  information product manufacturing.  The key  surface mounting technologies, including high-precision transport and assembly mechanism, vision detecting and positioning, multi-axis visual servo control system and optimization, are presented in this paper. The global research and applications of automatic SMT machine, Silk Screen Printers and automatic optical inspector are then reviewed. A number of core technologies and equipment problems to be solved are put forward finally.

Key words:  Surface Mounting Technology; vision detecting and positioning; multi-axis control system; Mounting Machine; Silk Screen Printer; Detecting Equipment.

1  SMT的应用背景

精密电 了表面组装技术(C9MT)是将各 种片式电了元器件贴装到印刷电路板(PCB或将裸 芯片贴装到封装基板上的精密制造技术【i,9,i7}。表面组 装生产过程主要工序和装备包括:(s1).印刷:将焊膏 或贴片胶漏印到PCB的焊盘,采用丝印机实现;(s2).贴片:将表面 贴装元器件准确贴装到PCB或将裸 芯片贴到封装基板的固定位置,通过贴片机实现;}s3).焊接:将焊膏融化,使表面贴装元器件与PCB板牢固粘接,由回流焊炉实现;(s4).检测:对PCB进行组装质量检测,表面缺 陷通过白动光学检测caon设备完成,内部缺陷则通过x射线白动检测(AXI)设备完成;(s5).其它:上下料机、返修设备等。此外,对立式 元器件还需要采用插件机和波峰焊炉等设备进行白动插装。

SMT融合了半导体封装、微组装、工业机 器人等先进制造技术【1,4],对其制 造装备如贴片机、丝印机 和检测设备等有着极高的精度和速度要求,特别是 贴片机更被视为是电了信息产品组装制造过程中的关键工作母机。SMT有力带动了手机、笔记本电脑、数字电视、数码相 机等电了信息产品的日新月异,是整个 电了信息制造产业链中三大精密制造工艺及装备领域之一,实现SMT本地化 是产业界多年来的共同期盼[36,37]

本文将 系统介绍国内外SMT领域的 研究与应用现状,分析和总结SMT特别是 贴片机在精密传送与组装机构、高速高 精度视觉动态检测与定位、多轴视 觉伺服控制系统与优化等方面的核心技术问题和解决方案,并基于 本研究团队十多年来在SMT领域的 研究开发经验积累,提出若 干巫待解决的技术创新问题,以期引 起国内白动化同行的注意。

2 SMT的关键技术问题

伴随着 芯片制程和芯片封装等的技术进步,近三十年来SMT的发展更是日新月异,精密传送与组装机构、机器视觉检测与定位、多轴伺 服控制等技术的应用,使得SMT装备推 动了便携式电了信息产品的吃速发展。下面简要概述SMT的若干关键技术问题。

2. 1精密传送与组装机构

SMT生产关 键设备一贴片机、丝印机 和检测设备均涉及精密的传送机构设计,特别是 工作母机一贴片机为满足越来越高的组装速度和精度要求,在总体机械结构、喂料和 组装机构设计方面也从传统的转塔式、动臂式 到复合式方向发展【i7}。转塔式 贴片机的贴装头数一般都在12个以上,因无在 线检测和校准功能,通常只适用于尺寸小、引脚简单、精度低的组装任务。动臂式 贴片机的贴装头数一般在2—8个,因采用 机械手臂及高速视觉系统进行质检、定位和校正,同时采 用了吃行换嘴技术(即在检 测过程中如发现被贴装元器件型号与吸嘴型号不匹配时,可在高 速运动过程中实时调整吸嘴种类,以保证 吸取和贴装的可靠性),故可贴 装各种尺寸和封装形式的元器件。因此,随着元 器件尺寸和芯片引线问距日益变小,动臂式 机器人结构已成为目前贴片机的主流机械结构。复合式 贴片机是从动臂式机器发展而来的,它集中 了动臂式和转塔式贴片机的特点,在动臂 上安装有转盘式贴装头。由于复 合式贴片机可通过增加动臂数量来提高贴装速度,具有较大的灵活性,因此它 的发展前景被看好。

此外,随着片 式元器件尺寸越来越小,多规格 喂料机构和吸嘴机构的精密设计、材料选型、加工装 配及可靠性方面也是SMT装备中的热点问题[23,26]

2. 2高速高 精度动态视觉检测与定位

贴片机、丝印机和检测设备等SMT核心装 备均涉及精密的视觉检测系统设计,目的是检测PCB及元器 件的各种质量缺陷和位置信息,特别是 贴片机涉及的视觉系统更为复杂。为获得PCB及多种 待贴元器件的类型、缺陷和 位置等基本信息并进行贴装校准,贴片机的CCD一般直 接安装在机械手臂上,待贴装 的各种元器件通过安装在前后台或工作平台上的喂料机构由安装于机械手臂上的多个吸嘴同时吸取后完成图像采集,因此CCD和待贴 装元器件均处于高速运动状态,且机械 手臂的高速运动和各待贴装元器件喂料过程可能出现的不同步对图像采集提出了特高的可靠性难题。如图3和图4所示,各种干 扰因素直接影响图像实时采集的可靠性。此外,在同样 图像采集硬件配置下,不仅要 处理种类繁多的缺陷检测和定位信息,而且要满足PCB及芯片 高密度大尺寸化、片式元 器件日益微型化的在线检测需求,这也是 贴片机国产化过程中最具有挑战性的检测技术难题【i i,i4】

2. 3多轴视 觉伺服控制系统与优化

全白动 贴片过程涉及多规格元器件白动喂料、多吸嘴白动吸取、多种待 贴装元器件位置白动校正、高速高 精度贴装等流程,如图5所示。

以8头全白动贴片机为例,通过机械手臂安装的8个吸嘴 在高速运动吸取不同喂料机构送出的8种元器件或芯片,并通过CCD采集图 像和识别各待贴元器件的类型、质量、位置等 信息后反馈给控制系统进行校正,最终按 照设定位置完成贴装操作任务。机械手臂(三个白由度)和8个贴装头(按照机 构驱动方式可为两个或三个白由度),再加上多达上白-个不同 型号或种类的喂料系统,构成了一个非常复杂的多轴视 觉伺服控制系统与优化问题【“一‘}l。如何建 立此类复杂机器人的动力学模型以及优化问题模型,并设计 高速高精度高可靠性的优化控制方案,依然是SMT领域巫待解决的难题。

3国内外发展概况

如上所述,SMT涉及到高速高精度动/静态计算机视觉检测、多任务 及多轴运动控制和优化、柔性机 械设计与精密加工、精密测试等先进技术,是一典型的集光、机、电、计算机、白动化 及材料等技术于一体的先进制造领域,也是国 际电了信息产业界的竞争热点之一

3. 1国外发展概况

鉴于SMT技术广 阔的工业应用背景,国外相 关研究和技术研发工作主要集中在各大公司,对其核 心技术往往采取封锁政策以保持其设备和终端制造产品的市场竞争力,主要研 究成果和技术往往以专利形式保护,公开的 研究工作也主要集中在组装工艺【1】、优化调度[2-4]、虚拟仿真[5 ,6}等外围技术。目前国 际主流机型组装过程的贴装精度达到0.001 mm,重复精度要达到99.9999%,大多数 机型组装片式元件的实际速度达到1.5万片/小时以上,可见SMT装备对 速度和重复性能等技术的要求高。

目前,主要设 备特别是全白动贴片机等高端设备依然被欧美和日本等发达国家垄断。日本是SMT装备的 研发和制造大国,FUJI, JUKI,  SONY, PANASONIC, YAMAHA,SUZUKI等知名 公司都拥有白主SMT装备。如FUJI公司的XP-242E多功能贴片机可放40个供料器及20种IC盘,组装精度:士0.03 mm(38);速度:0.43 s/件;范围:01005(即0.01英寸X0.005英寸,下同)到45X150 mm。美国环 球仪器则致力于超高速贴片机领域,将Lightning组装头技术与Genesis/AdV antis平台相结合,速度可达6万片/小时。德国西门了公司、荷兰安 必昂公司和瑞典MYDATA公司则 致力于中高速贴片机领域。韩国三星也后来居上,推出了SMT设备,但整体 水平属于中低速机型。

目前,国际主 流厂商都已转向追求各种先进封装形式的IC和01005片式元件贴装功能、模块化 结构等技术方向,以推动高精密、多功能 贴片机型的新发展。同时,为适应BGA等倒装 芯片组装过程的质量检测需求,安捷伦等采用微聚焦X射线检测技术开发的AXI设备实 现了对内部组装缺陷的断层扫描检测。

3. 2国内发展概况

鉴于SMT在产业 发展中的重要地位,我国从上个世纪80年代引进SMT时就开 始相关的应用研究工作。一些SMT工程师 着手介绍和研究SMT技术的发展趋势、设备选 型和管理等实际生产中遇到的基本问题,一批学 者和行业资深应用专家也积极推动SMT的教育和研究工作[21,37]部分学者致力于SMT领域的基础问题研究,文[26]研究了 贴片机的驱动形式对动力学性能的影响,文【7,9,30]研究了SMT贴片机 的定位运动控制,文【19,20,34】等对贴 片机的视觉检测算法及运动控制问题进行了深入研究。更多学 者致力于光学检测系统的应用研究【8,10,18,19,25】以及提 升贴装效率的优化算法研究工作【15,,27-29,38】。此外,随着欧 盟无铅指令的实施,一大批 从事焊接技术的学者和工程师开始关注无铅焊料、无铅工艺的研究,以克服 西方电了信息产品无铅化指令对我国电了信息产业出口造成的巨大威胁【20,24】

随着SMT在电了 信息制造业中的重要性日益提高,SMT领域特 别是全白动贴片机的应用研发工作已成为业界关注的热点。目前,丝印机已由深圳德森、东莞凯格、东莞科 隆威等实现量产并达上千台的销售规模,回流焊 设备已占据国内市场的三分之二,白动光 学检测设备也开始由东莞神州视觉、深圳日联科技、深圳振 华兴等公司实现量产。遗憾的是在SMT最核心 装备一全白动贴片机的白主研制和产业化方面却一直举步艰难。从上个 世纪八十年代末期起,上海21所等单 位先后启动研发工作,但一直 停留在样机和鉴定阶段。2000年后又 有南京熊猫电了等多家单位启动全白动贴片机项目,但均因技术、资金和 市场等多方面因素先后中断项目。

白2000年以来,作者所 在团队致力于中高速全白动贴片机的研发工作。经过十 余年的持续努力,目前不 仅在成套设备的研发和应用方面取得了一定进展,同时也 在共性技术研究方面发表了一系列成果[7,11-14]。特别是融合SMT、插装、测试分 选和检测工艺技术,使系列 贴片机不仅可贴装各种主流片式电了元器件和芯片,同时还 拥有片式元器件贴装、立式LED测试分选上料、插装和 白动光学检测等功能,大幅度 提升了插件效率和降低了设备成本[39]。其次,各种元 器件在外形和尺寸上的差异,对光源 照明技术提出了极高的可靠性和抗干扰性能要求,作者提 出了一种可靠性高、组合灵活、适用面 广的白适应式光源照明系统,主要包括光源控制器、光传感器矩阵、智能组合光源,有效提 高了图像采集过程的可靠性【17】。此外,采用现代拓扑变换、向量映射、不变矩等工具,提出了 高速运动环境下各种高端芯片的新型智能缺陷检测和定位算法,有效地 解决了图像采集系统和被检测对象均在高速运动环境下的图像采集和定位可靠性难题【12,14,19】。系列研 究结果已成功应用于全白动贴片机等多种设备的定位和检测系统,取得了 满意的应用效果。

4 SMT面临的挑战

尽管国外在SMT领域已捷足先登,但也远 远不能满足日益增长的元器件组装需求,特别是 随着极大规模集成电路芯片制程向14^-16 nm方向迈进、先进芯片封装工艺向3D及倒装等方式发展、各种片 式元器件尺寸也在向01005以下规格不断微型化、手机等 便携式终端产品呈现各种个性化非标设计趋势,因此给SMT装备领 域的精密机械设计、视觉检测及定位、组装机构及控制、工艺可 靠性及产品质量控制等方面提出了越来越高的技术要求,主要表现在:

4. 1高速动 态视觉信息获取与预处理

在精密电了组装中,为了提高生产效率,对电了 组装速度的要求越来越高。但高速 运动环境下动态视觉信息获取往往存在多种现场噪声,同时也 会因为高速运动放大图像形变和镜头畸变,大大降 低了后续的质量、位置检测精度。因此,如何处 理视觉信息获取过程的抗干扰问题,以获得 高质量高可靠性的图像信息,是SMT装备视 觉检测技术中巫待进一步突破的问题。

视觉信 息预处理的目的是将贴装元器件准确地从图像的背景中分割出来。目前常用的方法有(1).阑值法:设定灰度阑值,然后将 各像素灰度值与其比较后分为两类;(2).区域法:选取种了点,再将种 了像素周围的相似像素合并构成区域;(3).边缘法:检测不 同区域问的边缘来解决图像分割问题;(4)分水岭法:把灰度 图像视为地形表面,每个像 素灰度值为该点海拔高度,每个局 部极小值及影响区域称为集水盆,其边界形成分水岭。这些方 法在使用过程中均有一定的局限性,主要是SMT组装生 产过程不仅受到生产现场光照环境变化的干扰,同时芯 片或元器件种类繁多且生产过程中存在的钝化等现象也严重影响图像采集质量。因此,如何采 用光源硬件和各种非线性滤波技术保证图像获取和预处理的可靠性,是目前 精密电了制造装备领域的共性难题之一。

4. 2高速高 精度动态视觉检测

随着芯 片制程及封装技术的吃速发展,尤其是 各种封装形式的IC越来越 高度集成化和引线问距精细化,给SMT产业也 提出了越来越高的组装技术要求。由于元 器件与产品种类繁多、形状尺寸变化范围大、缺陷指 标随元器件类型而变化,再加上 图像采集硬件配置因素,使得SMT装备中 相应的视觉检测和定位技术变得越来越具有挑战性。

视觉检 测的目的是识别和定位待贴或待插元器件的儿何中心、旋转角度、规格尺寸、引脚质量等信息,如对于BGA类的芯 片主要需要识别以下信息:判断吸 取类型是否正确;计算球形引脚数、面积是否符合要求;计算位置偏差、角度偏差。目前识别方法主要有(1).模板匹配法:设定标准模板,然后进行匹配。这种方法计算量大、耗时,尽管结 合快速傅立叶变换等可适当提高速度,但难于满足SMT生产过 程的快速性要求;(2).儿何矩法;利用HU氏矩关于平移、缩放、旋转等的不变性质,提取特征进行匹配,可有效 地提高识别可靠性;(3)矢量匹配法:利用四元数理论,对RGB图像进行识别,对提升 彩色图像识别的可靠性和速度有明显的效果。

目前SMT装备视 觉检测系统中主要靠模板匹配以及结合统计过程特性进行检测,组装执 行机构通过运动减速来保证组装精度,显然此 类方法已远远不能满足精密电了组装过程的高速高精度要求。因此如 何结合一些基于亚像素和儿何拓扑学等思想去发展适用于各种高端电了元器件包括IC, LED等组装特征点的新型高速高 精度动态视觉检测算法及实现技术,并应用 新型压电传感器巳【7,31-33】、超高加 速度控制方法和机器人技术去满足多组装头的高速高精度定位要求等,迫切需 要开展相关的理论研究和应用探索工作。

其次,芯片和 电了元器件生产过程存在各种或多或少的物理缺陷,实际贴 装生产过程难于取得理想的图像模板,因此在 通过工艺经验数据以及白适应学习等智能方法获得高可靠性匹配模板的同时,如何直 接从提取待检测对象的儿何特征来快速识别空问位置、尺度大小、旋转角 度等相关信息将是非常有直接应用意义的研究课题。

此外,随着新型倒装焊(FCB)、球栅阵列(BGA)和3D封装器件的应用,组装过 程的不可见缺陷或内部缺陷检测已成为产品可靠性的重要因素。为了有 效地解决高端芯片在组装过程可能出现的内部缺陷检测问题,近年来国外将X射线检测技术应用于PCB组装和IC封装过程。X射线检 测技术主要通过不同材料对X射线的吸收差异,对物体 内部结构进行成像然后进行缺陷检测,在工业 探伤与医疗等领域已得到广泛应用,但面向SMT组装生 产尚有许多技术难题。主要是 传统工业探伤主要采用50 nm以上X射线技术,而各种高端芯片线宽、封装材料和工艺要求6u以下的微聚焦X射线源、高解析 度的信号增强及高精度的3D图像重构,才能实 现对各种不可见缺陷的微检测成像,而6u特别是2}以下的微聚焦X射线源 在国际上也尚未进入成熟应用阶段。同时,随着硅 通孔和铜互联等封装工艺的发展,X射线对 这些被检高密度材料的信号衰减也使得信号增强技术变得极具挑战性。因此,如何针 对各种新型封装材料和封装结构,发展高可靠性的X射线3D断层扫 描检测技术和设备也是目前研究热点之一。

4. 3高速高 精度视觉伺服位置/力协同控制

目前SMT装备包括丝印机、贴片机 和光学检测设备均全部采用视觉检测*运动/位置/力控制 的半闭环控制处理方法(即对待 组装或待检元器件位置和角度偏差进行反馈控制,而对运 动和力控制采取开环控制方式)以降低 控制过程的复杂性,不仅未 考虑组装过程多个同时被检对象的视觉检测随机延时对机械手运动行程控制引起的影响,同时也 没有考虑多个组装对象基于模式的协同组装控制问题,因此在 固定机械结构框架下很难进一步提高组装速度和精度。如何借鉴【9,32,33]等文中 的先进制造执行系统思想以及多白由度工业机器人控制方法去全面探讨其基于视觉的动力学建模与优化控制问题,从而有 效地提高各执行机构问的协同处理能力和组装速度,是值得 深入研究的重要课题。

另一方面,为提高 组装速度和可靠性,贴片机 终端执行机构往往采用多个吸嘴吸取元器件、采用同 一套视觉系统处理多个待组装元器件信息以及使用多组装头进行同时组装,并采用吃行换嘴技术(既在运 动过程中发现被检元器件尺寸与吸嘴尺寸不匹配时就白动更换吸嘴位置,从而保 证吸取和组装过程的可靠性),不仅需 要控制各组装头贴装位置,同时还 需要根据各吸嘴所吸元器件进行组装力控制,以保证 组装可靠性和不损坏元器件与电路板。特别是 组装过程中元器件和PCB种类繁多,不同元器件和PCB需施加 不同的力控制以保证组装生产的可靠性,如何针 对组装过程多目标任务来研究多头贴片机的白适应鲁棒力/位置控 制算法及实现技术,目前国 内外还没有相关的研究报道,也巫待 开展相关的基础理论研究和应用验证工作。

4. 4 SMT发展的主要方向

1)封装组装一体化

目前,IC封装与 后工序组装作为整个产业链的两大环节,尽管在 倒装芯片封装领域采用了贴片技术,特别是目前LED倒装封 装过程已开始应用该工艺实现封装组装工艺的一体化,但总体 来说还缺乏工艺和核心技术的有机融合,如何将 封装工艺与组装工艺结合起来使裸片外围线路键合和组装一体化设计制造,是巫待 要重点突破的核心工艺和技术,封装组 装一体化的实现将大幅度提升终端产品的集成化和便携式化水平。

2)智能化柔性化组装

智能化 柔性化组装已成为各大SMT贴片设 备制造商追求的主流技术。它解决了SMT贴片中 相互制约的儿个因素如贴片机的速度、精度、灵活性等,并使SMT贴片机 成为可以满足儿乎所有生产需求的设备:既高速高产,又灵活精确,且不占用很多空问。其中,智能技 术所涉及的范围包括示教系统、智能检测与定位、智能调 度优化与管理等,而柔性 化特别是模块化技术则可使贴装机构适当组合形成中央贴装工作站模式,以适应 不同的贴片环境。犹如数 控加工中心一样,正是智 能化柔性化组装技术的发展才有力推动了超高速贴片机的应用。遗憾的 是直到目前为止,国内在 这方面的应用研究还尚处于起步阶段,迫切需要产、学、研、用之问 密切合作进行创新工作,特别是 整线生产过程的智能优化调度和管理,以提升 整线乃至多线生产过程的总体效率和智能化水平。

3)特种组装技术

目前,各种通用SMT设备应 用范围尚不能满足变化万千的组装需求,特别是一些异形件和3D封装接口器件。随着国 际电了信息产品向多元化和个性化两极方向发展,尤其是 手机等便携式产品的个性化设计浪潮推动异形件组装需求呈快速增长趋势。如手机屏蔽罩、太阳能电池板、柔性面板、半导体 照明显示用电路板等,传统的喂料方式、吸取机构、检测和 组装系统均难于满足实际贴装性能需求,巫待研 发更高效的专用SMT设备,特别是扬弃现有的SMT装备结构和操作思想,以灵巧 机械手或超精密机器人技术并结合三维目标检测和组装控制技术实现各种异形件的白动化组装。

4. 5我国SMT产业面临的相关问题

我国已成为SMT制造大国,拥有白主SMT装备对 促进电了信息产业的持续性和安全性发展至关重要。然而,正如业 界多位知名专家所述,我国的SMT产业尚 存在着以下主要问题:

1)我国电 了信息制造产业链有许多缺口,成为电 了制造大国是由于WTO后大量 国外电了制造基地转移而形成的,在一定 程度上说是被动型的。SMT装备特 别是贴片机涉及的高精密贴装、吸取、喂料及 电机驱动等精密零部件迫切需要产业配套提升技术水平。

2) SMT产业乃 至整个后工序制造业的发展,没有引 起各大电了信息制造企业的足够重视。没有白主的SMT装备就 像两弹缺卫星技术一样,我国的 电了信息产业就无法以高附加值面貌参与激烈的国际竞争。国家应 该制定相关鼓励政策支持大型制造企业应用本地化产品,逐步减 少对国外进口设备的依赖。

3) SMT装备的 广阔市场前景促进了我国该领域的白主创新工作,目前有 十多家公司在致力于贴片机的研发和产业化工作。但大多 数企业对贴片机的技术难度、资金投入力度、生产条 件和市场推广等往往欠缺合理规划,难以形 成规模化市场竞争力。

4)教育与 生产脱节也导致整个电了信息装备制造领域专业人才严重缺乏。目前,全国高 校中还尚未设置SMT相关专业,SMT研发和 应用人才严重医乏。一般技 工因专业基础和外语水平有限,难于对SMT设备开 展工艺和技术创新。因此,在机电 和微电了专业加强SMT高层次 人才的培养工作日显重要。

5结束语

本文概 述了精密电了表面组装生产过程中的关键技术,介绍了国内外在SMT装备领域的 研究与应用现状,并提出 了若干巫待突破的核心技术。随着半 导体照明显示等新型战略产业的发展以及中国制造2025目标的制定,特别是 我国大量的中小型电了信息制造企业巫待从传统的劳动密集型向高端的全白动组装方向进行产业升级或转型,实现SMT装备本 地化已迫在眉睫。期望本 文能起到抛砖引玉作用,吸引更 多科技人员开展相关的基础理论和技术创新工作。

最后衷心感谢国家863计划、国家基金委、广东省 科技厅和教育厅相关科技计划对本工作的持续性支持。

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