表面贴装技术的发展趋势

摘 要：表面贴装技术自80年代以来以在电子工业中得到了广泛应用和发展，本文对其未来的发展趋势作了初步分析。
关键词：表面贴装技术;计算机集成制造系统;贴片机;波峰焊;回流焊;表面贴装元器件。 随着电子产品向便携式/小型化、网络化和多媒体方向迅速发展，表面贴装技术（Surface Mount Technology，简称SMT）在电子工业中正得到越来越广泛的应用，并且在许多领域部分或全部取代了传统电子装联技术。SMT的出现使电子装联技术发生了根本的、革命性的变革。在应用过程中，SMT正在不断地发展与完善,本文将就SMT发展的部分热门领域进行概括介绍。
一、SMT生产线的发展
SMT生产线是面对高产能、高质量大规模电子装联生产，SMT生产线是生产的基础，目前其有如下几个发展趋势：
1、计算机集成制造系统（CIMS）的应用
目前电子产品正向着更新快、多品种、小批量的方向发展，这就要求SMT的生产准备时间尽可能短，为达到这个目标就需要克服设计环节与生产环节联系相脱节的问题，而CIMS的应用就可以完全解决这一问题。CIMS是以数据库为中心，借助计算机网络把设计环境中的数据传送到各个自动化加工设备中，并能控制和监督这些自动化加工设备，形成一个包括设计制造、测试、生产过程管理、材料供应和产品营销管理等全部活动的综合自动化系统。
CIMS能为企业带来非常显著的经济效益：提高产品质量、设备有效利用率和柔性制造能力，大大缩短产品设计周期和投入市场时间等等。正因为CIMS具有这么多优点，所以可以预见得到CIMS在SMT生产线中的应用将会越来越广泛。
2、SMT生产线正向高效率方向发展
高生产效率是衡量SMT生产线的重要性能指标，SMT生产线的生产效率体现在产能效率和控制效率。产能效率指的是SMT生产线上各种设备的综合产能。为了提高产能效率，一些 SMT生产线的回流炉后都配上了全自动的连线测试仪，这样，在整个生产过程中都可杜绝人为因素的干扰，大幅度提高产品生产速度，从而提高生产效率；还有些SMT生产线正从传统的单路连线生产向双路连线生产方式发展，在减少占地面积的同时，提高生产效率。控制效率包括转换和过程控制优化及管理优化，控制方式上已从传统的分步控制方式向集中在线优化控制方向发展，生产板转换时间越来越短。目前国外很多企业都在使用生产管理软件对整个SMT生产线实行集中在线控制管理，可对各个设备的生产工艺参数进行监控、统计，确保每台机器工作在正常状况下，大幅度提高生产线管理效率和生产效率。
3、SMT生产线向“绿色”环保方向发展
为了保护地球生态环境，SMT生产线的环保问题正受到人们越来越多的关注，符合环保要求的“绿色”生产线将是21世纪SMT发展趋势。
二、SMT设备的发展
SMT生产线是由SMT设备构成的，目前SMT设备的发展正向着高效、灵活、智能、环保等方向发展。
1、丝印设备
在传统的锡膏印刷过程中，锡膏长时间暴露在开放环境下是引起印刷缺陷的重要原因。而MPM“流变泵”印刷头是解决上述问题的最新突破。与锡膏在开放的环境中滚动不同，“流变泵”中的焊膏被装在密封的印刷头中，只有开孔锡膏才与网板接触，标准锡膏封装夹筒不断地通过压力来充填焊膏，并提供动压力，使锡膏进入开孔。这一“流变泵”技术从根本上消除了影响锡膏印刷的最大变量因素，使用户无需考虑印刷时间歇或机器工作时间等情况，从而得到满意的效果。丝印机制造行业的另一巨头DEK也采用了与此相类似的技术，可以看出将锡膏由开放环境转入封闭环境将会是丝印设备的一个发展方向。
此外随着模块化高速贴片机的应用，以及一条生产线多台高速贴片机的连接，贴片速度将不再是瓶颈，而印刷锡膏可能成为新的瓶颈所在。因为印刷要求锡膏滚动，而速度太快锡膏不可能滚动起来，因此，如何在印刷速度上作文章将是以后一个重要话题。DEK公司推出了新设计的刮刀，它不在是单一的平面设计，而多角度组合以达到高速印刷时锡膏能滚动前进，但效果如何，还有待实践的检验。
2、贴装设备
贴片机是SMT生产线中最关键的设备，它往往占了整条生产线投资额的一半以上，因此贴片机的发展更能引起人们的关注。目前贴装机的发展正向着高速、高精度、智能化、柔性制造系统（FMS）、多功能等方向发展。
（1）、新型贴片机为了更好地提高生产速度，除了对机械结构加以改进，减少震动，提高系统稳定性外，还采用了以下一些新技术：
a、“飞行对中”技术
这项技术最早由美国QUAD公司开发并采用，它把CCD图象传感器直接安装在贴装头上，一起运动，实现了在拾起器件后，在运动到印制电路板贴装位置的过程中对器件进行光学对中，使细脚距IC的贴片速度提高了5倍，打破了细脚距IC的贴片瓶颈。
b、双路输送结构
双路输送贴片机在保留传统单路贴片机的性能下，将PCB的输送、定位、检测等设计成双路结构，这种双路结构的贴片机其工作方式可分为同步方式和异步方式。同步方式运转时，完成二块大小相同的印制板的器件贴装；异步方式运转时，当一块印制板在进行器件贴装时，另一块印制板则完成传送、基准对准、坏板检查等步骤。这两种方式均能缩短贴装机的无效工作时间，提高生产效率。
c、自动吸嘴转换功能
由于传统的贴片机贴装头部的吸嘴唯一，因此在吸取大小不同的器件时需经常到吸嘴站(Nozzle Station)更换吸嘴，使无效工作时间增加，从而造成生产效率的降低。为了解决这一矛盾，日欧一些公司新型贴片机的贴装头部作了改进，如采用转盘和复式吸嘴结构。转盘结构指的是贴片机的贴装臂上安装有转盘，其中包含有各种不同类型的吸嘴，在贴装头移动过程中自动更换所需吸嘴，无需增加额外时间，并且在一个拾放过程中可以同时吸取多个元器件，降低了贴装臂来回运动的次数，从而提高贴片机工作效率。这种机器可以通过增加贴装臂数目来提高速度，具有较大灵活性，像SIMENS的HS-50就含有四个这样的贴装头，可实现每小时贴5万片元件。复式吸嘴结构指的是贴装头采用了同轴两个大小不同吸嘴，当吸取较小元件时，小吸嘴伸出；当吸取较大元件时，大吸嘴伸出。这种结构也可以实现吸嘴自动转换，如松下公司的MSH3就采用了这种结构。
（2）、新型贴片机发展的另一重要趋势就是高精度，目前正采取如下措施，以适应窄间距、新型器件对贴装精度的要求，主要改进有：
a、采用了高分辨率的线性编码器闭环系统。
b、采用智能服务系统提高了服务性能和缩短了调整时间，减轻主机负荷，提高贴装可靠性。
c、改进了机器视觉系统，采用高分辨率的线性扫描摄象机，并对图象进行灰度处理，提高图象处理精度，进一步提高了贴装机的精度等级。
d、采用温度补偿功能，降低环境对贴装超细间距IC的影响。
（3）、由于现在的生产制造环境千变万化，为了适应这一情况，新型贴片机正向柔性制造系统（FMS）方向发展。如日本富士公司一改贴装机的传统概念，将贴装机分为控制主机和功能模块机，可以根据用户的不同需要，由控制主机和功能模块机柔性组合来满足用户的需要。模块机有不同的功能，针对不同元器件的贴装要求，可按不同精度和速度进行贴装，以达到较高的使用效率，当用户有新的要求，可以根据需要增加新的功能模块机。
（4）、多功能也是贴片机的一个发展趋势。由于这类贴片机兼具高速机和高精度机的特点，贴装元器件的范围覆盖了高精度机和高速机，它能解决无论是高速机还是高精度机引起的瓶颈问题。因而较普通机器具有更大的灵活性，只需一台多功能机器就可取代高速机十中速高精度机的配置，从而降低整条线的成本，减少占地面积。多功能贴片机正受到越来越多中小企业的青睐。
（5）、高速贴片机模块化。旋转头的设计经历了近十年的发展壮大，在高速机行列中独领风骚，但随着速度进一步提高，从理论上讲，传统的单轴多头的旋转设计已走到了尽头，它的速度是受电机及控制部件速度、精度限制的。目前的发展趋势是模块化设计，一台贴片机由多个相同的模块组成，而每个模块内部实现高速化（有单头多模组及旋转多模组组成），如PHILIPS和SIMENS是这方面的典型代表。PHILIPS的FCM机器采用单头多模组方式，速度高达8万片/小时，SIMENS的HS-50机器采用旋转头多模组，速度达5万片/小时。其实这种设计可以简单理解为多模组同时进行相同的贴片工作，这样综合速度指标就可以达到更高的水平。
（6）、贴装机的另一发展方向是智能化，这就为CIMS用于SMT生产线打下技术基础。
3、焊接设备
再流焊接设备正向着高效、多功能、智能化发展，其中有具有独特的多喷口气流控制的再流焊炉、带氮气保护的再流焊炉、带局部强制冷却的再流焊炉、可以监测元器件温度的再流焊炉、带有双路输送装置的再流焊炉、带中心支撑装置的再流焊炉等。除了上述这些新型再流焊炉外，智能化再流炉也已经出现了，其调整运转由内置计算机控制，在Window视窗操作环境下可很方便使用键盘或光笔输入各种数据，又可迅速地从内存中取出或更换再流焊工艺曲线，节省调整时间，提高了生产效率。智能化再流焊炉的许多机构的运作，例如：回流炉自动启动和停止，在规定时间选定存储的再流焊工艺曲线，自动调整加热区设置，启动再流焊炉，到时关闭。链式传送带宽度自动调节，与加工印制板尺寸相匹配，通氮工艺与常规空气再流焊工艺变换等功能的自动设置都不必人工操作，全由计算机程序控制。智能化再流焊炉的出现，给SMT焊接工艺增添了新的活力，也为CIMS进入到SMT生产线中创造了条件。
波峰焊在混装工艺中应用广泛，其新发展有：
（1）过程控制电脑化。这使得整机可靠性大为提高，操作维修简便，人机界面友好。
（2）环保方向发展。由于ODS的禁用和VOC的限用，PCB焊后的清洗问题，变得越来越紧迫和严重。目前出现的SMT波峰技术与免清洗技术的结合，产生了当前的超声喷雾和氮气保护等机型，这些新机型的出现顺应了保护地球生态环境的呼声和要求。
（3）钎料波峰动力技术方面的发展。随着感应电磁泵技术理论研究的深入和应用技术的完善，感应电磁泵技术将逐渐替代机械泵技术，成为未来钎料波峰动力技术的主流。
（4）PCB传动系统的发展。由于PCB进入波峰的倾角，是影响焊接效果的一个重要因素，而倾角大小的取舍又是与整机外型尺寸大小相关连的，既要整机外型小，又要倾角大，这一对矛盾只有通过采用曲线渐变异轨和机械手可变倾角结构来加以调和。瑞士epm的Eleven机器人型波峰焊接机正是上述结构的典型应用。
（5）惰性气体保护技术。在设备上采用惰性气体（例如氮气）保护技术，将钎料槽和波峰上钎料完全与空气隔绝，从根本上消除钎料氧化现象的发生。
三、表面贴装元器件的发展
随着电路安装密度的提高，表面贴装元器件（Surface Mount Device,简称SMD）代替传统的过孔插装元器件已成为必然趋势。目前SMD在形态上正向着两个相反的方向上发展，即小型化和大型化。小型化指的是SMD的外形尺寸越来越小，如片状电阻电容，它经历了以下发展历程：3225→3216→2520→2125→1608→1005,目前最新出现的尺寸是0603（即长0.6mm,宽0.3mm），日本等国已经将0603类型的元件用于DVD、移动电话等产品的生产中，极大提高了电路板组装密度，缩小了产品的体积。而大型化是指由于IC芯片功能增加导致I/O端子数增加，从而使IC封装尺寸增大。为满足高密度组装的要求，器件大型化的实质是IC封装的高集成化、高功能化、多引线化和细间距化。为了适应目前电路安装密度越来越高的要求，一些新型元器件(如FC、BGA、CSP等)纷纷出现。随着这些新型元器件的出现，一些新技术、新工艺也必将产生，从而极大地促进了表面贴装技术的发展。
四、SMT工艺材料的发展
常用的SMT工艺材料包括：条形焊料、膏状焊料、助焊剂、稀释剂和清洗剂等。出于保护地球环境的目的，其正向着免清洗和无铅型发展，如欧美日等发达国家正开展无铅焊料的研究，并取得了较快的进展，相信在不久就会进入生产实用阶段。