芯耀
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为了满足大批量生产需要，特别是随着SMC/SMD的精细化，人们越来越重视采用贴片机实现高速高精度的贴装元件。近30年来，贴片机已由早期的低速度（1～1.5秒/片）和低精度（机械对中）发展到高速（0.06秒/片）和高精度（光学对中）。高精度全自动贴片机是由计算机、光学、精密机械、滚珠丝杆、直线导轨、线性马达、谐波驱动器以及真空系统和各种传感器构成的光机电一体化高科技装备。
随着表面贴装技术（SMT）的迅速发展，贴片机在我国电子组装行业中的应用越来越广泛，它是SMT产品组装生产线中的核心设备，也是SMT关键设备，是决定SMT产品组装的自动化程度、组装精度和生产效率的决定因素。
一、贴片机类型
贴片机按功能分为以贴片元件为主体的高速/超高速贴片机和以大型元件和异型元件为主的多功能机，按贴装方式分为顺序式、同时式（仅适用于圆柱元件）和同时在线式：按结构大致可分为动臂式、转塔式、复合式和大型平行系统。不同类型的贴片机各有优劣，通常取决于应用或工艺对系统的要求，在其速度和精度之间也存在一定的平衡。
1. 动臂式
动臂式贴片机具有好的灵活性、高精度和低速特性，适用于大部分元件，尤其是QFP、BGA等，支持多种不同类型的供料器，如带式、盘式、散装式和管式等。大多数厂商均推出这一些列高精度的中速贴片机，品牌主要有安必昂ACM系列，日立TIM-X系列，富士QP-341E和XP系列，松下BM221系列，环球GSM系列，三星CP60系列，雅马哈YV系列，Juki公司KE系列，Mirae公司MPS系列。
动臂式贴片机分为单臂式和多臂式，单臂式是最早先发展起来的现在仍然使用的多功能贴片机。在单臂式基础上发展起来的多臂式贴片机可将工作效率成倍提高，如雅马哈YV112、环球GSM2和三星SM310贴片机，含有两个动臂贴装头，可同时对两块电路板进行安装。
2. 转塔式
转塔式贴片机由于拾取元件和贴片动作同时进行，使得贴片速度大幅度提高，这种结构的高速贴片机在我国的应用最为普遍，不但速度较高，而且性能非常稳定，但是这种机器由于机械结构所限，其贴装速度已达到一个极限值，不可能再大幅度提高，而且占用空间太大，噪音大。转塔式只能贴装带式包装或散料包装的元件，而管料和盘料就无法进行贴装，多应用于阻容元件多，装配密度大场合，像计算机板卡、移动电话、家电等产品。主要生产商松下、日立和富士，如松下MSH3贴装速度为0.075秒/片，富士CP842E贴装速度为0.068s/片。
3. 复合式
复合式贴片机是从动臂式发展而来，它集合了转塔式和动臂式特点，在动臂上安装有转盘，并可通过增加动臂数量来提高速度，具有较大灵活性，因此它的发展前景被看好。如环球公司Genesis，有两个带有30个吸嘴的旋转头，贴片速度每小时达6万片：西门子HS50和HS60，有4个旋转头，贴装速度每小时可达5万片。
4. 大型平行系统
大型平行系统由一系列的小型单独的贴装单元组成，每个单元自成体系，各自有丝杠定位系统机械手，机械手带有摄像机和贴装头。各贴装头同时从几个带式供料器拾取元件，为多块电路板的多块分区进行安装。对单个头来说，贴装速度不高（0.6s/片），贴装头运动惯性小，贴装精度能得以保证。但由于多个贴装头同时工作，大大提高效率。主要生产商有安必昂FCM，可安装16个贴装头，实现了0.0375秒/片的贴装速度，但就每个贴装头而言，贴装速度在0.6秒/片左右：富士QP-132型超高速机，整机速度高达13.3万片/h。
贴片机按速度可分为超高速贴片机、高速贴片机和中速贴片机。超高速贴片机速度大于4万片/h，比如安必昂FCM和FUJI-QP-132贴片机，它们均由16个贴片单元组合而成，贴片速度分别为9.6万片/h和12.7万片/h。高速贴片机速度为9000~40000片/h，主要厂商有松下、西门子、富士、环球、安必昂、日立和三洋，其中松下、西门子和富士贴片机的市场占有量最高，号称“三驾马车”。中速贴片机速度为3000~9000片/h，厂商有Juki、雅马哈、三星、Mirae和Mydata。
值得注意的是，复合式和转塔式速度一般为2万~5万个/h，大型平行系统一般为5万~10万片/h，它们属于高速贴装系统，常用于小型片状元件贴装。动臂式速度一般为5千~2万个/h，适合QFP、BGA等元件贴装。
二、贴片机构成
目前贴片机种类很多，但无论是全自动高速贴片机还是手动低速贴片机，它的总体结构均有类似之处。全自动贴片机是由计算机控制，集光机电气一体的高精度自动化设备，主要由机架、PCB传送及承载机构、驱动系统（X/Y轴运动机构，Z/轴运动旋转机构）、定位及对中系统、贴装头、供料器、光学识别系统、传感器和计算机控制系统组成，其通过吸取一位移一定位一放置等功能，实现了将SMD元件快速而准确地贴装。
1. 机架
机架是机器的基础，所有的传动、定位机构均和供料器均牢固固定在它上面，因此必须具有足够的机械强度和刚性。目前贴片机有各种形式的机架，主要包括整体铸造式和钢板烧焊式。第一种整体性强，刚性好，变形微小，工作时稳定，一般应用于高档机：第二种具有加工简单，成本较低的特点。机器具体采用哪种结构的机架取决于机器的整体设计和承重，运行过程中应平稳、轻松、无震动感。
2. PCB传送及承载机构
传送机构是安放在导轨上的超薄型皮带传送系统，通常皮带安装在轨道边缘，其作用是将PCB送到预定位置，贴片后再将其送至下一道工序。传送机构主要分为整体式和分段式两种，整体式方式下PCB的进入、贴片和送出始终在同一导轨上，采用限位块限位、定位销上行定位、压紧机构将PCB压紧、支撑台板上支撑杆上移支撑来完成PCB的定位固定。定位销定位精度较低，需要高精度时也可采用光学系统，只是定位时间较长。分段式一般分为三段，前一段负责从上道工艺接收PCB，中间一端负责PCB定位压紧，后一段负责将PCB送至下一道工序，其优点是减少PCB传送时间。
3. 驱动系统
驱动系统是贴片机的关键机构，也是评估贴片机精度的主要指标，它包括XYZ传动结构和伺服系统，功能包括支撑贴装头运动和支撑PCB承载平台运动，第一主要应用于多功能贴片机，第二种主要应用于转塔式贴片机。还有一种贴片机为贴装头安装在X导轨上，PCB承载台安装在Y导轨上，两者配合完成贴片过程，特点是XY导轨均与机座周定，属于静导轨结构。
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动机构影响X-Y定位误差。当PCB承载台运动时，由于大型元件的惯性会使已贴装元件移位，导致故障。面当贴装头和PCB都运动时，贴装头和PCB承载台机构的运动误差相重叠，导致总误差增加，贴装精度下降。
3.1 传动结构
XY传动机构主要有两大类，一类是滚珠丝杠/直线导轨，另一类是同步带/直线导轨。滚珠丝杠/直线导轨结构较为为典型，贴片头固定在滚珠螺母基座和对应的直线导轨上方基座上，马达工作时带动螺母做X方向往复运动，有导向直线导轨支撑保证运动平行。X轴在两平行滚珠丝杠/直线导轨上做Y方向移动，从而实现XY方向正交平行移动。
由于运动马达和和滚珠丝杠之间摩擦产生热量，很容易影响贴装精度。新型传动系统在导轨内部设有液氮冷却系统，保证热膨胀带来的误差。新型高速贴片机中采用无摩擦线性马达和空气轴承导轨传动，运送速度更快。
同步带/直线导轨结构钟，同步带由传动马达驱动小齿轮，使同步带在一定范围内做直线往复运动。由于同步带载荷能力相对较小，仅适用于支持贴片头运动，典型产品是德国西门子贴片机，如HS-50型贴片机，该系统运动噪音低，工作环境好。
3.2 伺服系统（定位系统）
随着SMC/SMD尺寸的减少及精度的不断提高，对贴片机贴装精度要求越来越高，即对XY定位系统的要求越来越高，而这是由XY伺服系统来保证，即上述滚珠丝杠/直线导轨及同步带/直线导轨由伺服电机驱动，并在位移传感器及控制系统指挥下实现精确定位，因此位移传感器的精度起着关键作用。目前传感器有旋转编码器、磁栅尺和光栅尺。
编码器是一种通过直接编码将被测线形位移量的编码器转化为二进制表达方式的数字测量装置。编码器有接触式、电磁式和光电式，结构简单，抗干扰性强，测量精度取决于编码器中光栅盘上的光栅数及滚珠丝杠导轨的精度，一般位为1~5%，主要应用于多功能型贴片机中。
磁栅尺是一种利用电磁特性和录磁原理对位移进行测量的装置，由电磁性标尺、拾磁头及检测电路组成。磁栅尺优点为复制简单，安装调整方便，高稳定性，量程范围大，测量精度1~5um。一般高精度自动贴片机采用此装置，贴装精度一般在20mm。
光栅尺是一种新型数字式位移检测装置，由光标尺，光读数头，检测电路组成。光尺是在透明玻璃或金属镜面上真空沉积镀膜，利用光刻技术制作密集条纹（每毫米100~300条纹），条纹平行且距离相等。光栅读数头由指使光栅、光源、透镜及光敏元件组成。指示光栅有相同密度条纹，光栅尺是根据物理学的莫尔条纹形成原理进行位移测量，测量精度高达0.1~lum。西门子贴片机最早采用光栅尺/AC伺服电机系统，但对环境要求比较高，特别是防尘，否则很容易出现故障。
3.3 Y轴方向运行的同步性
由于支撑贴装头的X轴是安装在两根Y轴导轨上，为了保证运行的同步性，早期贴片机采用齿轮、齿条和过桥装置将两Y导轨相连接。但这种做法机械噪音大，运行速度受到限制，贴片头的停止与启动均会产生应力，导致震动会影响贴装精度。目前设计的新型贴片机采用XY完全同步控制回路的双AC伺服电机驱动系统，将内部震动降至最低，速度快，噪音小，贴片头运行流畅轻松。
3.4 XY运动系统的速度控制
在高速机中，XY运动系统的运行速度高达150mm/s，瞬时启动与停止都会产生振动和冲击，最新运动系统采用模糊控制技术，运动分为三段控制“慢一快一慢”，呈“S”型变化，从而使运动变得更“柔和”，也有利于贴装精度的提高，噪音也小。
3.5 Z轴/吸嘴伺服系统（定位系统）
Z轴控制系统特指贴片头的吸嘴运动过程中定位，其目的是适合不同厚度PCB与不同高度元件的贴片需要。Z轴控制系统主要有旋转编码器（AC/DC马达伺服系统）和圆筒凸轮控制系统。值得注意的是，凸轮控制系统中依靠特殊设计的凸轮曲线实现吸嘴上下运动，贴片时PCB装载台高度调节完成贴片过程。
贴装头拾放动作中，吸嘴做Z向移动时，既要速度快，又要平稳。早期吸嘴Z向移动是选用微型气缸完成，气缸易磨损、寿命短、噪音大。目前不少新机型都选用了新颖的机电一体化传动杆，使Z向运动状态都可以控制，大大提高Z方向运动综合性能。贴装头的微型气动电磁阀是一个重要组件，它管理着移动和拾放等功能。随着贴片机的发展，集成电磁阀组亦有了相当大的发展，有些单个电磁阀厚度仅为10~18毫米，而且电磁阀驱动功率小，一般电路的驱动电平都可直接驱动。
3.6 Z轴/吸嘴旋转系统（定位系统）
吸嘴吸取元件移动定位时，大部分元件都需作一定量的旋转运动，一是修正板上元件的安装轴线和元件在移动过程中轴线的角度，二是解决供料器上元件与PCB板元件焊盘轴线的角度差。早期贴片机Z轴旋转控制是采用气缸和挡块来实现，或采用开环步进电机控制通过小型同步皮带进行回转操作。现在贴片机已直接将微型脉冲马达安装在贴装头内部，通过高精度的谐波驱动器（减速比30:1）直接驱动吸嘴装置，以实现0方向高精度控制。
3.7 精度影响因素
一般贴装精度为引线间距的1/10，即贴装0.65mm引线间距元件的系统应具有土0.065mm的定位精度。要精确贴装元件，一般要考虑几个因素：PCB定位误差，元件定心误差和机器本身运动误差（XY0）等。
驱动XY二维运动构件的参数是贴片机精度的关键，X-Y二维运动都是在X/Y轴的导轨上进行。驱动有伺服电机和有步进电机等，副传动有同步带或滚珠丝杆，它们都有很好的动态特性和位置精度，承载运动件导轨是运动导向精度的关键零件。目前使用最广的是精刻滚珠直线导轨，此导轨摩擦系数小、精度高、寿命长，安装维护方便，便于标准化生产。常用直线导轨的断面形状也有多种，在结构形式上也有大跨距双丝杆横梁结构、单悬肩双导轨式等。有些高速机采用无摩擦线形马达驱动和空气轴承导轨传动。导轨安装时要保证两导轨在空间平行，并保持水平工作面，导轨应直线性好，并不应有扭弯等几何变形，滚珠丝杆与伺服电机联结处，有一高精度高性能的弹性联轴器有效地消除安装过程中产生的不同轴不同心等现象。根据贴装精度要求不同，驱动系统可采用开环或闭环两种不同的控制方式。根据要求和精度进行配置设计之后就需要有一组的合理结构装置和相应的传动元件。
4. 贴装头
贴装头是贴片机关键部件，安装在PCB上方，可配置一个或多个机械夹具或真空吸嘴，通过安装多种形式的传感器使各机构能够协同工作。贴装头拾取元件后能在校正系统的控制下自动校正位置，并将元件准确的贴装到指定位置，和供料器一起决定着贴装能力。贴装头是贴片机发展进步的标志，已由早期的单头机械对中发展到多头的光学对中。
贴装头拾取元件一般是采用真空负压吸嘴来吸住元件，依据达到一定真空度来判断拾起元件是否正常，当元件侧立或“卡带”未能被吸起时将发出报警。贴装头贴装元件有两种方式，一种是根据元件高度实现输入厚度值，当贴装头下降到此位置后释放元件，这种有时会因为元件厚度偏差出现贴装过早或过迟现象，从而引起移位或“飞片”缺陷：另一种是根据元件与PCB接触的瞬间产生的反作用力来实现贴装的软着落，贴片轻松不易出现移位与飞片缺陷。
贴片机配有自动更换吸嘴装置以适应不同元件的贴装，吸嘴与吸管之间有一弹性补偿的缓冲机构，保证在拾取过程对元件的保护，提高元件的贴装率。随着元件的微型化，吸嘴材料和机构也得到重视。由于高速下元件磨损，吸嘴材料由早期的合金材料改为碳纤维耐磨塑料，更线径的则采用陶瓷材料及金刚石，使吸嘴更耐用。吸嘴孔的大小由元件的外形决定，每一台贴片机都有一套实用性很强的吸嘴。为了保证小元件吸起的可靠性，吸嘴开孔为双孔以保证吸取平衡。此外考虑与周围元件的间隙在减小，吸嘴制作为锥形而不影响周边元件。
贴装头是一个高速运动的组件，要提高精度就必须减小它的重量和体积。设计贴装头之前要多研究分析各种贴装的特点，还要充分由集机电一体化技术发展的各种元件性能、结构、材料等，如传感器，微电机，激光器，真空发生器，视觉识别系统，微型电磁阀，微型珠滚丝杆等。
5. 光学定位对中系统
贴片机对中是指贴片机在吸取元件时要保证吸嘴吸在元件中心，使元件的中心与贴装头主轴中心线保持一致。早期贴片机的元件对中是机械方法来实现（定心台、定心爪），速度收到限制，同时也容易收到损坏，目前对中方式主要为光学定位对中。
5.1光学系统原理
贴片机光学系统主要采用摄像机作为计算机感觉图像的传感部件。摄像机感觉到在给定视野内的物的光强分布，然后将其转化为模拟电信号，通过A/D转化器被数字化成离散数值，这些数值表示视野内给定点的平均强度，这样得到的数字影像被规则的空间网格覆盖，每个网格叫一个像元，一个图像占据一定的像元数，如图2-1所示。计算机对上述像元阵列进行处理，所得图像特征与事先输入计算机的参考图像进行比较判断，并根据其结果向执行机构发出指令。
5.2 光学系统构成
贴片机光学系统由视觉硬件和软件组成。硬件基本组成包括光源、镜头、摄像机、图像处理单元、数模转换及监视器。光源一般采用LED光源，光照稳定、寿命长、体积小、形状可塑性好。镜头一般使用长角镜头和变角镜头，选择镜头时要考虑分辨率、相对孔径（与物体亮度有关）、焦距等相关参数。摄像机有标准光导摄像机、固态电视摄像机。用于贴片机的一般采用固态电视摄像机，其主要部分是一块集成电路，集成电路芯片上有许多细小精密光敏元件组成的CCD阵列。摄像机获取大量信息由微处理机处理，其结果由监视器显示。摄像机与微处理机，微处理机与执行机构及监视器之间有通讯电缆连接，一般采用RS232串行通讯接口。
5.3 光学系统分辨率及精度
（1）光学系统分辨率
光学系统中采用两种分辨率：灰度分辨率和空间分辨率。灰度值法是用图像多级亮度来表示分辨率的大小。机器能分瓣给定点的测量光强度，需要处理的光强越小，灰度分辨率就越高。但是光学系统的分辨率能力有限，灰度值超过256的系统就失去意义（人眼处理灰度值仅为50~60）。灰度值越大，数字化图像与人观察的视图越接近。目前不少光学系统采用256级灰度值，具有很强的区别目标特征的能力，但是处理的信息量大，时间长。空间分辨率规定覆盖原始影像的栅网大小，栅网越细，即网点和像元数越高，尺寸测量就越精确。具有512×512网格的系统比具有128X128网格系统测量精度高。
通常在分辨率高的场合下CCD能见的视野小，大视野条件下分辨率低，故在高速高精度贴片机中装有两种不同视野的CCD，在处理高分辨率的情况下采用小视野CCD，在处理大元件时则使用大视野CCD。在一个光学测量系统中，灰度值分辨率和空间分辨率要相匹配，因为整个系统的分辨率是视野尺寸和改系统不同单元分辨率的函数。
每个光敏探测元件输出的电信号与被观察目标上相应位置反射光强度成正比，这一电信号即作为这一像元的灰度值被记录下来，像元坐标决定了该点在图像中的位置。
（2）光学系统精度
影响光学系统精度的主要因素是摄像机的像元数和光学放大倍数：摄像机的像元数越多，精度就越高：图像的放大倍数越高，精度就越高。因为图像的光学放大倍数越大，对于给定面积的像元数就越多，所以精度越高。不过放大倍数过大，寻找元件更加困难，容易丢件，降低了贴装率。所以要根据实际需要选择合适的光学放大倍数。
5.4 摄像机安装位置
视像系统一般分为激光对齐、俯视、仰视和头部摄像机，具体视位置和摄像机的类型而定。激光对齐是指从光源产生一适中的光束，照射在元件上来测量元件投射的影响。如图2-2所示，这种方法可以测量元件的尺寸、形状以及与吸嘴中心轴的偏差。这种方法快速，因为不要求从摄像机上方走过。但对于有引脚的元件，如SOIC、QFP和BGA等，则需要第三维的摄像机进行检测，这样每个元件的对中又要增加数秒的时间，影响整机性能。90年代激光对位技术推出时只能处理7mmX7mm的元件，目前安必昂公司推出的第二代激光对位系统处理元件尺寸增至18mm×18mm，激光技术可识别更多的形状，精度也有显著提高。
俯视摄像机在电路板上搜寻目标（称作基准点），以便在组装前将电路板置于正确位置。仰视摄像机用于在固定位置检测元件，一般采用CCD技术，在安装之前，元件必须移过摄像机上方，以便做视像处理。粗看起来，好像有些耗时。但是由于贴装头必须移至供料器收集元件，如果摄像机安装在拾取位置（从送料处）和安装位置（板上）之间，视像的获取和处理便可在贴装头移动的过程中同时进行，从而缩短贴装时间。
头部摄像机直接安装在贴装头上，一般采用line-sensor技术，在拾取元件移到指定位置的过成对元件的检润飞行对中技术”，它可以大幅度提高贴装效率。如图2-3所示，系统由两个模块组成：一个模块是由光源与镜头组成的光源模块，光源采用LED发光二极管与散射透镜，光源透镜组成光源模块，另一个模块为接收模块，LineCCD及一组光学镜头组成接受模块，此两个模块分别装在贴装头主轴的两边，与主轴及其他组件组成贴装头。贴片机有几个贴装头，就会有相应的几套系统。
三种元件对中方式（激光、CCD、Line-sensor）中，以CCD技术为最佳，目前的CCD硬件性能都具备相当的水平。在CCD硬件开发方面前些时候开发了“背光”及“前光”技术（如图2-4），以及可编程的照明控制，以更好应付各种不同元件贴装需要。例如引脚QFP元件从后面照明，而BGA元件最好是从前光照明，将完整的锡球分布在包装底面上显示出来，有些微型BGA在元件底面有可见的走线，可能混淆光学系统，这些元件要求侧面照明系统，它将从侧目照明锡球，而不是底面的走线，因此光学系统可检查锡球分布，正确地认识元件。
5.5 照明技术
元件材料多种多样，表面特征也各有不同，需要采用有效的元件图像识别系统。这些系统的性能取决于照明技术所采用的算法。
（1）外形对中的照相技术
这种方式对于元件进行光学对中时采用平行光，对元件的边缘进行确认，找到元件的中心，算出贴片时需要调整的误差。尽管这个原理对于测量元件较困难的光学特性来说是完全可行的，但对于面阵列元件成像问题有点无能为力。一般对于间距达到一定范围的面阵列封装元件也可以采外形对中法，比如对于间距大于0.5mm的FC元件和间距大于0.75mm的BGA/CSP。由于FC的芯片切割误差（平均为25um）和BGA/CSP的基板外形误差可能会对贴装质量造成负面影响。
利用外形对中还可以采用激光侧面照明法，它的原理是从侧面发一小段激光束并转动元件（激光对中）。激光对中装置集成到贴装头上时，就能在运动的过程中进行光学对中，而不会增加时间。与固定安装的仰视摄像机相比，这种方法只对边长大于30mm的元件进行测量。
（2）球栅对中的照明技术
BGA/CSP/FC因为是球型引脚，在照相处理上不同于其它元件，它要对每一个焊球进行检测，焊球位置和焊球亮度都是检测内容。有不合标准的，就作为不合格元件弃用。侧光在对BGA进行光学检测时起着重要的作用。
为消除FC切割误差和BGA/CSP基板误差的影响，球栅对中可能只有强制使用正面光照系统。这是因为如果获取的图像质量很差，即使使用最好的算法也没意义。因此对于元件摄像机来说，主要目标是使用比例协调的光，从不同角度照亮目标，从而在相关结构（球栅）和背景环境之间获得足够的对比度。至少使用三个不同的光源，每个都要确定一个特定的照射角度，每个光源强度都可进行精细调整，从而实现最大的灵活性。这样通过使用儿个可调节器间的光源，每种封装形式都能获得一个独特的“理想”光照（仰视摄像机）。正是由于这个原因，再加上其它的因素，需要处理所有封装形式的高性能SMD贴装系统至少要有两个元件摄像机。
（3）BGA/FC球栅检测
尽管焊料球阵列很坚固，有时也要求元件图像识别系统对封装的焊料球阵列进行检测。采用有效、灵活的照明方法和特定的检测算法，可以对焊料球阵列的完整性（包括损伤和是否存在）进行一定程度检测。
元件图像识别系统的主要工作是对各种不同类型的封装进行准确和快速对中，只有简单的摄取图像才可能实现高速的光学对中（不进行复杂的多重测量）。较大视野会导致分辨率相对较低，影响到精密球栅检测，而且在全部球栅检测和较高的贴切装速度之间存在着矛盾。由于这个原因，对于封装的每个区域，通常只对很少量的球栅（3~5个）进行检测。
（4）方向性检查
球栅阵列对中的另一个问题是方向性检查，对于面阵列封装，通常也称为第一脚识别。SMD贴装设备图像识别系统具有这种功能，能有效地防止方向性的错误。对非对称的面阵列进行球对中时，方向性检查在贴装过程中自动进行。在FC技术中，面阵列通常已经是非对称的。但是对于已经在高产量、全自动SMT生产线中大量应用的BGA/CSP元件来讲，这个重要的前提条件还不具备。
5.6 光学系统作用
贴片机光学系统在工作过程中首先是通过对俯视摄像机对PCB进行定位，然后通过仰视摄像机或贴装头摄像机对元件进行对中检测。贴片机在执行检测功能时，将被检测元件的各项特征与存储的封装元件进行比较，如果通不过检测，则可能元件封装出错，或者料上错，或者元件有缺陷，系统就令贴装头将元件送入废料区。各项检测特征主要有元件有否偏差（封装：包括引脚数、引脚位置、引脚长度、外型大小）、引脚有无弯曲、引脚的共面性、以及极性检测等。
6. 传感器
贴片机中装有多种传感器，主要包括压力传感器（空气压力检测）、负压传感器（元件吸附检测）、位置传感器（PCB传输定位）、图象传感器（元件辨识）、激光传感器（元件辨识）、区域传感器（贴装头安全区域检测）、元件检查传感器（元件辨识）和贴装头压力传感器（软着陆）。贴片机通过众多传感器与驱动系统协调工作，完成元件准确无误贴装到PCB上。
7. 计算机控制系统
贴片机系统按照涉及到的控制对象从功能上看可分为两大块：运动控制和1/O控制。运动控制主要对XYZR四个运动轴系进行伺服控制，包括速度控制、加速度控制、运动轨迹的控制等：1/O控制主要是获取传感器的信号并对各种开关量进行控制：如位置传感器信号的采集、气阀的控制、真空度的控制、光源控制以及CCD摄像机图像采集触发信号的控制等。
控制系统的组成结构主要由运动控制卡、各种传感器、各种阀和汽缸、伺服电机和编码器等组成。工作过程中数据采集、传输和计算的工作量大、实时性要求高：运动过程速度快、行程短、精度高、启动频繁：1/0需要控制点多，逻辑关系和信号种类复杂。鉴于这种情况，控制系统在总体上采用两级控制：上位机+下位机。
7.1 软件系统整体设计
系统的整个功能一般由PC上位机和PMAC下位机共同分担完成。因此整个系统软件的设计实际上也可以分为两个部分：上位机软件设计和下位机软件设计。其中上位机软件主要完成人机界面交互、贴装信息数据库管理、系统诊断报警等非实时性工作。而下位机软件则完成运动伺服控制，PIC循环逻辑检测等实时性工作。而上位机程序和下位机程序之间的连接则是依靠硬件供应商提供的驱动程序（动态连接库）。上位机程序是根据贴片机所需要的工艺要求而开发的用户程序，开发平台常采用当前最通用的VisualC++。下位机程序一般由运动控制子程序、PLC子程序和硬件驱动程序组成，它是采用PMAC自带的语言编写，直接控制运动执行件。
上位机软件是整个软件系统的顶层，是直接面对操作者的。由于贴片工艺的复杂，造成上位机软件也很复杂。为了软件研发的顺利和结构清晰，将上位机软件分为多个子系统组成，每个子系统完成不同的功能：
（1）项目管理子系统：将每一个PCB板的贴片作为一个项目存储有关项目的信息并进行管理，包括项目的新建、删除、复制等。
（2）PCB板管理子系统：对PCB板的贴装数据进行输入、输出、修改、存储等有效管理。
（3）元件数据库管理子系统：对各种元件的信息建立数据库，并进行调用、查找、排序等操作。
（4）工艺控制子系统：对各种不同的贴片工艺进行配置，调整。以满足不同的贴片工艺要求。
除了这些必备的功能子系统外，为了使用者的方便，还应该建立其他一些辅助子系统，如用户管理子系统、帮助子系统、外部数据接口子系统等。
下位机软件在上位机软件的协调指挥下直接控制硬件的动作，因此可以认为所有在下位机运行的软件对上位PC机来说都是由硬件来完成的，即所有由下位控制卡上完成的工作对PC机都是透明的，它所有的信息对上位机来说是可以获取的。
下位机软件从结构上可分为运动控制程序和PIC程序，其中运动控制程序负责4个运动轴系的运动，包括速度控制、加速度控制、位移轨迹控制等。PLC程序则负责I/O点的逻辑关系控制。由于刷新速度非常快，因此运动控制程序和PLC程序可以看作是实时并行的。下位机软件从功能上看，又可分为许多子程序，如取料运动程序、取像运动程序、自动贴装运动程序、上板PLC程序、送料PLC程序、输入输出刷新PLC程序等，以完成不同的控制任务。
三、元件供料器类型
供料器的作用是将元件SMC/SMD按照一定规律和顺序提供给贴装头以便准确方便的拾取，在贴片机中占有相当的数量和位置，是选择贴片机和安排贴片机工艺的重要组成部分，随着贴片速度和精度的提高，供料器的设计与安装受到人们很高的重视。目前适合表面组装元件的供料器主要有标准编带式，管式（杆式），托盘（华夫盘）式和散装式。杆式有两种类型，一种是重力供料器，一种是振动棒式供料器。
1. 带状供料器
1.1标准编带
标准编带由带盘和编带组成，适用于电阻、电容及各种SOIC编带包装元件的供料器，它将表面组装元件编带后成卷地进行定点供料适合进行大批量生产。标准编带按照材质不同可分为纸编带、塑料编带及粘结式编带，其中纸编带和塑料编带可用于一种带式供料器，而粘结式编带使用供料器有所不同，但三种有相同的结构。纸编带由基带、底带和带盖组成标准编带，标准化宽度尺寸有8mm、12mm、16mm、24mm、32mm、44mm、56mm和72mm，基带上同步孔距用来装载0603以上元件为4mm，而小于0603以下的为2mm，够供料器时应加以注意。
塑料编带结构同纸带，但材料均为塑料。粘结式编带常用于包装尺寸大一些的元件，如SOIC等。包装元件依靠不干胶粘合在编带上，通过专用针型销从编带常槽中将元件顶出脱离而被真空吸住。
1.2供料器种类及运行原理
供料器根据驱动同步棘轮的动力来源分为机械式、电动式和气动式。编带安装在供料器上后，通过压带装置进入供料槽内。上带与编带基体通过分离板分离，固定到收带轮上，编带基体上同步孔装入同步棘轮齿上，编带头直至供料器的外端。贴片头按照程序吸取元件并通过进给滚轮给手柄一个机械信号，使同步棘轮转一个角度，使下一个元件送至供料位置。上层带通过皮带轮机构将上层带收回卷紧，废基带通过废带通道排到外面并定时处理。
2. 管状供料器
许多元件采用管状包装，它具有轻便、价廉的特点，通常分为两大类：PLCC、SOJ“丁型脚”和SOP“鸥翼脚”。
管状供料器的功能是反管子内的元件按顺序送到吸片位置供贴装头吸取，其由电动振动台、定位板等组成。早期仅安装一根管，现在可将相同的几个管叠加在一起，也可以并列在一起，以减少换料时间。
3. 盘装供料器
盘装包装主要应用于QFP期间，这类元件引脚精细、极易碰伤，采用上下托盘加紧防止移动，方便运输。这种矩阵盘对于小批量和中等批量以及元件外形有明显变化的元件的贴装，是非常理想的。使用华夫盘换料器还可以极大地增加柔性。
盘装供料器包括单盘式和多盘式，单盘式仅是一个矩形不锈钢盘，多盘式却可为40种不同QFP同时供料。较先进的多盘供料器可将托盘分为上下两部分，各容20盘，并能分别控制，更换元件时可实现不停机换料。
4. 散装供料器
散装供料器是最近几年出现的新型供料器，元件放在专用塑料盒里，美盒装有一万只元件，不仅可以减少停机时间，面且节约了大量编带纸。
散装供料器带有一套线性振动轨道，随着轨道的振动，元件在轨道上排队向前。其适合矩形盒圆形片式冤家爱你，但不适合极性元件。目前最小元件尺寸已做到0402，散装供料器占料位与8mm带状包装供料器相同，目前有双仓、双道轨两种，即一只供料器相当于两只供料器的功能。
在贴装设备中，包装方式一般根据元件封装形式来决定，表3-1为常见元件封装形式，表3-2为其包装方式，BGA和CSP元件的喂料基本上是采用标准的编带（用于大批量）形式或华夫盘。一般制造商应考虑供料器在其机器上的通用性，但有时制造商也会为某种特定机器设计供料器，这就限制了供料器在其他机器上的用途。
四、光学系统性能评估要求
在评估面向SMD贴装对位系统和应用的贴片机光学系统时，可以遵循如下的一些准则。
1. 确定PCB基准标记位置的能力
由于PCB基准标记的可靠定位是任何SMD贴装对位的第一步，光学系统必须可以识别不同的基准，即使在基准外观并不理想的状况下，例如，来自制造工艺的氧化、镀锡和波峰焊料导致的各种变化，可能造成镜面反射和表面不一致，它们会极大地改变标记的外观，可能影响基准外观的其他因素包括电路板变形、焊料堆积过多、电路板颜色改变等等，具有容忍这些状况的光学系统可以帮助使用者提高对位成规率，减少操作者的干预。
2. 识别非标准元件能力
机器光学系统影响能够可靠地识别各类非标准元件的外形，无论它们的形状如何少见，现有的贴片对位软件，带有内置的几何图案寻找工具，这些工具能“学习”元件的几何属性，即使它形状怪异，系统也能够识别元件。
3. 可靠避开吸嘴的能力
SMD元件贴装一般使用前光照明或背光照明，或两种都用。背光照明用于产生元件的背影，显现的图像类似于二进制图像，使光学系统更容易识别元件，在识别片式阻容类等简单元件时通常采用这类照明，但背光也会给光学系统带来难题，拾取元件的吸嘴的背影经常会从元件后面突出来，或部分遮蔽芯片（如图4-1），尽管正面照明技术可以防止这种现象，但吸嘴本身的象素灰度值可能会使光学系统无法可靠地区分吸嘴和元件，选择能够识别元件和拾取元件的吸嘴之间形状差别的光学系统，这样的系统能容忍吸嘴的部分遮蔽，因此将提高元件对中精度，防止由于视觉错误而使元件误放。
4. 识别密间距元件的白色陶瓷表面元件的能力
为了精确地识别BGA、到住芯片或CSP等各种元件，并检查引脚偏差，光学系统必须能够准确定位每一个元件，光学系统还应该可靠地识别白色陶瓷表面元件，它的低对比度反射性质会使传统的视觉技术失去作用，这些功能应该得到核实，测试软件应该能区分各个物体。
5. 具有自动化编程能力
针对非常特殊的元件，新型视觉软件工具应该具有自动”学习“的能力，用户不必把参数人工输入到系统中，从头创建元件描述，他们只需把元件拿到视觉摄像机前照张相就可以了，系统将自动地产生类似CAD的综合描述，这项技术可以提高元件描述精度，并减少很多操作者的错误，加快元件库的创建速度，尤其是在類率引入新型元件或使用形状独特的元件的情况下，从而提升生产效率。
6. 支持多种类型的摄像机
以前处理图像的时间一直要比获取它们的时间长，但CPU技术的新发展加快了图像处理速度，图像获取速度反而可能成为限制因素，为了提高系统处理效率，要把获取图像的时间降低到最低程度，光学系统应该能够支持多种先进的行扫描、高分辨率（1024×1024像素）、高速的数字式摄像机。
在评估面向SMD贴装对中的贴片机光学系统时应该充分考虑上述几个因素。确保您选择的系统具有高度的灵活性，能够轻松处理新的元件类型和来自不同制造商的不同元件，使用户的工作变得更为简单。
五、贴片机选择要求
贴片机性能参数包括精度（Cpk1.33或2）、速度、贴装头/吸嘴套输数量、贴装头/吸嘴套轴类型、摄像机类型、供料器/华夫盘数量、真空吸嘴规格、真空吸嘴数量、属性缺陷率、每6000小时维护保养次数、维护保养时间、误吸率、修复故障的平均时间等。
1. 贴装精度评定要求
对每一种元件贴装后的大量误差数据的统计学处理，行业内通常假设误差数据服从正态分布。根据给定的工艺极限值：Chip类为±0.10mm；IC：±0.05mm.可以采用下式计算设备能力指标和工艺能力指标Cpk的值：
Cpk=（给定上限-给定下限）6o
其中a为样本的标准偏差，下同。
Cp=(1-k)Cpk
Cp表示贴片机处于稳定状态下（设备、元件、基板、工艺等），进行实际加工的能力.其中K=（工艺目标-工艺平均值）（给定上限一给定下限）
Cpk参数值与贴装超差元件数值（X10）以及质量置信度的对应关系如表5-1.IPC-9850-F1表有两项指标评估引脾/引线端-焊盘搭接面积的百分比例，这两项参数一是根据IPC-SM-782，IPC-A610规定的电子产品分类要求和偏移标准界限（50%，75%），二是表述贴片机贴装能力Cpk值。
元件贴装焊接标准：1和2类引线宽最大外伸为50%，3类引线宽最大外伸为25%，元件贴装可接受精度标准为0.05mm（chip元件）和0.025mm（细间距元件）。实验表明：动臂式机器的安装精度较好，最先进的动胃式贴装系统可达46，25um的精度，复合式和转塔式机器的组装速度较高，但精度不高，转塔式最好只做到0.5mm。假定焊盘的直径大致上等于凸点的直径，对于间距0.5mm，凸点直径0.3mm的micro-BGA和CSP，要求贴装精度应≤0.15mm.对于间距175m，凸点直径100um的FC，贴装精度应≤50um.但是对于TBGA和较重的CBGA来说，自动校正只能达到很有限的程序，这时对于贴装精度的要求也明显提高了。
2. 贴片机选择要求
贴片机选择要求可以从PCB处理能力、贴装元件类型及范围、容纳元件供料器数量及类型和贴装要求等几个方面考虑。表5-2为从PCB处理、元件范围及元件供料器三个方面考虑一列举示例，表5-3为从贴装工艺要求方面考虑一列举示例，表5-4为贴装工艺实现方式评定要求，表5-5为贴装要求可靠性评定参数。
其中传输时间是指一基板传入和传出工作区的时间和在工作区内夹紧件公开基板的时间；总节拍时间是指一维持指定的生产工艺能力时，贴完板上的所有元件所需时间，不包括传输时间、基准测试时间和吸嘴更换时间：节拍时间是指维持指定的贴装工艺能力时，贴装个元件所必须时间，不包括传输时间、测基准的时间和更换吸嘴的时间。净产量是指一贴片机1h内在一块认证板上贴装元件的数量（CPH）。
一般时间参数和可靠性参数在实际应用中不方便评估，而贴装性能实现方式评定要求及PCB、元件及供料器的工艺要求成为主要评估标准。注意的是在此之前，需要根据产品对供料器、摄像机、吸嘴及软件进行要求。
供料器种类和数量应根据元件的封装形式和元件种类进行适当配置。由于供料器的价格比较高，配少了不够用，配多了造成浪费。多品种、中小批量时应按照封装形式和元件种类最多的产品进行配置，并适当多配置几个，用于补充元件或换元件时提前准备，以免影响贴装速度。
摄像机应根据贴装元件的贴装精度要求进行选择，如果有0.3mm引脚间距的QFP元件和CSP，应配置满足贴装0.3mm元件的高分辨率摄像机。
吸嘴应根据元件的封装形式的种类进行配置，吸嘴是易损件，应根据吸嘴的使用寿命适当多配置一些，同时应根据贴装头的多少进行配置。
离线编程及优化软件一般在多品种、中小批量生产时，可以减少在线编程占用贴片机的工作时间。
此外设备灵活性也是考虑的一个问题。由于目前电子产品的竞争日趋激烈，生产的不确定因素加大，需经常调整产品的产量或安排产品转型，因而对贴片机也就提出了相应的要求，即要求具有良好的灵活性，以适应当前千变万化的生产制造环境，这就是我们常说的柔性制造系统（FMS）。例如美国环球仪器公司的贴片机，从点胶到贴片的功能互换时，只需将点胶组件与贴片组件互换，这种设备适合多任务、多用途、投产周期短的加工企业。机器灵活性是我们在选购设备时要考虑。
贴片机要求重量轻、振动小、高刚度、可升级性好，必须具有优良的结构可靠性及传动系统的高稳定性和高分辨率。此外，抗振动性能不容忽视。贴片机的传动机构在高速运转时，各种原因造成力的不平衡都会引起振动，使得定位精度降低，加快机械传动机构的磨损，缩短使用寿命。同时，安装条件也是一重要因素，因为地基代表贴片机末端条件，其刚度或阻尼的任何变化或多或少的影响发生振动的趋势，一般安装在水泥底板上比橡胶上好。
六、贴片机发展前景
贴片机未来主要向高速度、高精度、高可靠性、多功能的方向发展，趋势如下：
（1）采用双轨道以实现一轨道上进行PCB贴片，另一轨道送板（西门子的HS-50已出现）减少PCB输送时间和贴装头待机停留时间。
（2）采用多头组合技术（类似FCM机）飞行对中技术和Z轴软着陆技术，以使贴片速度更快，元件放置更稳，精度更高、真正做到PCB贴片后直接进入再流焊炉中再流。
（3）改进供料器的供料方式，缩短元件更换时间。目前大部分阻容元件已实现散装供料，但减少管式包装的换料时间尚有许多工作可做。
（4）采用模块化概念，通过快速配置，整合设备可轻易在生产线间拼装或转移，真正实现线体柔性化和多功能化。
（5）开发更强大的软件功能系统，包括各种形式的PCB文件，直接优化生成贴片程序文件，减少人工编程时间，机器故障自诊断系统及大生产综合管理系统，实现智能化操作。
（6）异型元件贴装。异型元件指的是无论通孔元件还是SMT元件，其高度、重量或形状都不适合采用标准的贴片机自动进行贴装，一般通过单独的插装机放置到电路板上。单独的插装机最适用某几种异性元件的插装。对于少量不同形状的异型元件效果不佳。
异型元件的手工组装适用于数量少、产量低的印制板组装，也适合高柔性、高混合、低产量的印制板组装。自动化异型元件组装设备应用于生产中，可大大提高产量。其具有多个专用抓手的转盘头，并具有可变换的喂料器，可方便应用于多种异型元件贴装。
