現(xiàn)今,PCB的生產(chǎn)深受其成本的影響,總生產(chǎn)成本中勞動(dòng)力成本是主體,降低生產(chǎn)成本一直是OEM和合約制造商面對(duì)的重要挑戰(zhàn)。
對(duì)于產(chǎn)品而言,勞動(dòng)力成本占產(chǎn)品總體生產(chǎn)成本的一半。大部分情況下,勞動(dòng)力成本與生產(chǎn)車間的操作人員相關(guān)。因此,制造商不斷尋找方法將制造產(chǎn)品盡可能減少所需的工人數(shù)量。在過去十年里,生產(chǎn)設(shè)備的不斷發(fā)展促使所需工作人員不斷減少。
然而,手工貼裝元件的操作人員仍然是總體生產(chǎn)成本的重要部分。雖然專用的異形元件貼裝機(jī)已經(jīng)開始應(yīng)用于某些高產(chǎn)量生產(chǎn)操作,但是主流的電子制造商越來越希望實(shí)現(xiàn)異形元件的自動(dòng)化裝配,以便更進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。
在電子電路發(fā)展的早期,通孔元件裝配完全是手工操作。當(dāng)?shù)谝慌詣?dòng)化機(jī)器推出時(shí),這些機(jī)器可貼裝某些簡(jiǎn)單的有引腳的元件。不過與此同時(shí),較為復(fù)雜的元件仍需手工貼裝,才可使用波峰焊設(shè)備焊接電路板。
大約20年前,表面貼裝元件的推出開創(chuàng)了一個(gè)新的貼裝時(shí)代。首先是無源元件,然后是有源元件和集成電路,都紛紛轉(zhuǎn)用表面貼裝 (SMD) 式,便于使用貼裝機(jī)器來裝配。在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),人們堅(jiān)信所有的引腳元件最終均會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镾MD封裝。經(jīng)過20年的發(fā)展,市場(chǎng)仍有一些器件采用含引腳元件,這些器件包括連接器、插座、變壓器等等,它們被稱作異形 (或異體) 元件 (圖1)。
這些異形元件仍然采用引腳結(jié)構(gòu)是有原因的。首先,從經(jīng)濟(jì)角度來看,大多數(shù)此類元件不會(huì)大批量生產(chǎn),而且改進(jìn)元件或PCB都是不經(jīng)濟(jì)的。引腳元件的繼續(xù)存在也有技術(shù)背景,因?yàn)椴⒎撬械漠愋卧寄艹惺躍MD工藝通常所需回流焊的高溫,而且,對(duì)于電話插孔、連接器和串口等器件,采用壓接式通孔元件能夠獲得更好的機(jī)械強(qiáng)度。此外,通孔元件的繼續(xù)存在也由于許多消費(fèi)電子產(chǎn)品 (如錄像機(jī)和電視機(jī)),仍有大量空間來容納它們。
異形元件的自動(dòng)貼裝
現(xiàn)今,SMD裝配已完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化而且非常合乎成本效益原則。那么,為什么要以合乎成本效益的方式完成自動(dòng)裝配異形元件卻這么困難呢？
如上文所述,異形元件的封裝形式和一般的SMD元件不同,大多數(shù)異形元件可能是用戶定制的,甚至各批產(chǎn)品都有可能不同。如果不做較大的改進(jìn),裝配設(shè)備的靈活度通常不足以應(yīng)對(duì)這些差異,不然操作人員則只能作單一元件的調(diào)整。此外,異形元件的公差要求通常比標(biāo)準(zhǔn)SMD更寬松,而裝配機(jī)器難以補(bǔ)償其貼裝精度。
既然實(shí)現(xiàn)異形元件裝配自動(dòng)化這么困難,我們?yōu)槭裁催�要繼續(xù)探索呢？
對(duì)于包含異形元件的產(chǎn)品,最合適的生產(chǎn)方法仍然是手工貼裝。操作人員是極其靈活的,能夠很快適應(yīng)電路板設(shè)計(jì)或元件的變化。然而,操作人員不是機(jī)器,所以其裝配的產(chǎn)品存在誤差。他們操作上的差異將會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)成本。
質(zhì)量
質(zhì)量是生產(chǎn)過程中最重要的要求,故操作人員必須時(shí)刻高度集中精神。這在重復(fù)性操作時(shí)很難做到,易發(fā)生錯(cuò)誤,特別是在一個(gè)班次快要結(jié)束前,操作人員更是容易發(fā)生錯(cuò)誤。另外,許多其它的常規(guī)人為因素如性情,也會(huì)影響貼裝質(zhì)量。使用機(jī)器進(jìn)行裝配,質(zhì)量通常好很多,并可在每一次換班時(shí)仍保持非常穩(wěn)定的質(zhì)量水平。
產(chǎn)量
操作人員在電路板上放置元件的數(shù)量是有限的,而且難以預(yù)測(cè)。根據(jù)元件尺寸、重量和形狀的不同,操作人員每小時(shí)可放置元件的數(shù)量為一百至幾百個(gè)。同樣地,操作人員的性情對(duì)產(chǎn)量也有影響。機(jī)器則可輕松地達(dá)到幾個(gè)操作人員的工作速度,而且可以提前計(jì)算和精確預(yù)測(cè)產(chǎn)量。
經(jīng)濟(jì)成本
每個(gè)國(guó)家的勞動(dòng)力成本各不相同,但是通常來說,操作人員的成本是很高的。機(jī)器可能也很貴重,但卻是一次性投資,可在一段有限的時(shí)期內(nèi)抵銷。
重復(fù)性壓力傷害
在制造廠內(nèi),操作人員的工作環(huán)境變得日益重要,人機(jī)工程學(xué)問題不容忽視。所有人都知道重復(fù)性壓力傷害 (repetitive strain injury, RSI) 問題。與操作人員不同,機(jī)器不存在 RSI 問題,非常適合重復(fù)進(jìn)行相同的操作。
優(yōu)良的異形元件貼裝機(jī)的必備特性
一旦PCB制造商決定進(jìn)行異形元件的自動(dòng)化裝配,就需要比較同類裝配機(jī)器的不同特性和優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然,基本需求如高質(zhì)量的貼裝、高精度貼裝和高正常運(yùn)行時(shí)間是必不可少的,不過,異形元件置放還有額外的要求。
首先,產(chǎn)量必須盡可能高,以獲得相對(duì)于手工勞動(dòng)的最大優(yōu)勢(shì)。異形元件的產(chǎn)量主要由機(jī)器處理這些元件的方式?jīng)Q定,不同形狀的元件需要進(jìn)行不同的拾取操作,使用真空吸嘴或者機(jī)械抓爪。在所有情況下,均需使用視像系統(tǒng)進(jìn)行元件識(shí)別和對(duì)中,最終,元件必須裝配在PCB上或者嵌入其中。這個(gè)流程執(zhí)行得越快,機(jī)器的產(chǎn)量就越高。如果兩個(gè)或更多的操作能夠并行執(zhí)行,例如同時(shí)抓取和飛行對(duì)中,將有助于提高產(chǎn)量。
其次,從易碎元件到壓接式元件,異形元件的種類繁多,貼放機(jī)器需要具備貼裝力可編程功能。易碎元件需要非常小心地處理;壓接元件則需要高至40N的力量,以將其嵌入PCB。機(jī)器也必須估計(jì)何時(shí)施加較大的貼裝力,元件引腳插入PCB的瞬間摩擦力必須非常小,否則引腳會(huì)折彎。插入后則需要使用較大的Z向貼裝力將元件嵌進(jìn)板內(nèi) (圖2)。
視像系統(tǒng)應(yīng)該能夠識(shí)別、檢查和對(duì)中多種不同的部件。它應(yīng)該能夠檢測(cè)元件引腳、引腳間距、元件至引腳的容差,有時(shí)甚至需要檢查引腳共面情況。照明必須足夠,以便正確識(shí)別各種采用不同顏色的難以辨認(rèn)元件。
靈活性是所有異形貼放機(jī)的重要特性,可以在放置引腳直徑僅1mm的部件之后,接著安裝165mm甚至更大的SIMM連接器。貼裝機(jī)應(yīng)該擁有足夠的靈活性以應(yīng)付這些變化。標(biāo)準(zhǔn)SMD貼裝能力是一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì),并可在數(shù)分鐘內(nèi)從一個(gè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換到下一個(gè)產(chǎn)品。
許多機(jī)器都具有很好的機(jī)械手設(shè)計(jì),但它們的總體能力很大程度上取決于將元件輸送到機(jī)器的能力。送料器被視用專用設(shè)備,過去幾年,有數(shù)家專業(yè)送料器制造公司進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。Robodyne、GPAX、Laurier、 Zierick和Hover-Davis等公司提供多種送料器,可與現(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)器接口�，F(xiàn)有適于各種封裝的送料器,包括棒狀、管狀、徑向、針頭狀、Gpax和標(biāo)簽等。
什么類型的機(jī)器能夠自動(dòng)裝配異形元件？
在決定所需機(jī)器的特性以后,制造商可以在兩種基本類型的異形元件置放機(jī)器中進(jìn)行選擇：一種是專用的異形元件貼放設(shè)備;另一種是具備異形元件置放功能的SMD設(shè)備。
專用異形元件貼放設(shè)備通常是非常靈活的,可處理的異形元件種類最多。這類機(jī)器的缺點(diǎn)是產(chǎn)量低且價(jià)格高,與手工插件對(duì)比,它們的成本效益往往很低。 |
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