熱點(diǎn)詳解:LED貼片機(jī)的6個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及5個(gè)發(fā)展趨勢
目前,LED 照明產(chǎn)品的環(huán)保節(jié)能、高性價(jià)比特點(diǎn)已經(jīng)被市場接受,同時(shí)各國政府紛紛出臺相關(guān)政策,逐步淘汰白熾燈,促進(jìn)LED在室內(nèi)照明中的應(yīng)用,LED 光產(chǎn)業(yè)亦將成為了解決能源和環(huán)境問題的代名詞,LED 照明市場快速發(fā)展。這樣的快速發(fā)展必然涉及到LED 貼片機(jī)、LED 生產(chǎn)設(shè)備領(lǐng)域的快速發(fā)展。
一、SMT與貼片機(jī)
表面貼裝技術(shù)( SMT) ,也可以稱為表面組裝技術(shù)、表面貼片技術(shù)和貼片焊接技術(shù)等。它是一種將表面組裝元器件( SMD) 安裝到印刷電路板( PCB) 上的板級電子組裝技術(shù)。目前,先進(jìn)的電子產(chǎn)品,特別是在計(jì)算機(jī)及通信類電子產(chǎn)品中,已經(jīng)普遍采用表面貼裝技術(shù)。圖1 為SMT 制造的印制板。
1.1 SMT 的優(yōu)點(diǎn)
SMT 是隨著電子工業(yè)的發(fā)展而誕生的,隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。SMT 的迅速普及得益于它具有以下優(yōu)點(diǎn)。
1) 元器件組裝密度高,電子產(chǎn)品體積小、重量輕。
2) 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,提高生產(chǎn)效率。
3) 高可靠性。自動(dòng)化的生產(chǎn)技術(shù),保證了每個(gè)焊點(diǎn)的可靠連接,同時(shí)由于表面組裝元器件( SMD) 是無引線或者是短引線,又牢固地貼裝在PCB 表面上,因此其可靠性高、抗震能力強(qiáng)。
4) 高頻特性好。表面組裝元器件( SMD) 無引腳或段引腳,不僅降低了分布特性造成的影響,而且在PCB 表面上貼焊牢固,大大降低了寄生電容和引線間寄生電感,因此在很大程度上減少了電磁干擾和射頻干擾,改善了高頻特性。
5) 降低成本。SMT 使PCB 布線密度增加、鉆孔數(shù)目減少、面積變小、同功能的PCB 層數(shù)減少,這些都使PCB 的制造成本降低。無引線或短引線SMC /SMD 節(jié)省了引線材料,省略了剪線、打彎工序,減少了設(shè)備、人力費(fèi)用。頻率特性的提高減少了射頻調(diào)試費(fèi)用。電子產(chǎn)品體積縮小、重量減輕,降低了整機(jī)成本。焊接可靠性好,使得返修成本降低。
1.2 SMT 基本工藝流程
(1)SMT 是一個(gè)系統(tǒng)工程技術(shù),圖2 為SMT 的基本工藝流程。
(2)一條典型的SMT 生產(chǎn)線如圖3 所示。
由圖2 和圖3 可以大概知道:
1) 要組成SMT的生產(chǎn)線必然要有3 種重要設(shè)備: 印刷機(jī)點(diǎn)膠機(jī)、貼片機(jī)、回流焊爐波峰焊機(jī),其中波峰焊這種工藝,隨著表面貼裝技術(shù)的發(fā)展,特別是底部引線集成電路封裝BGA QFN 的大量應(yīng)用,其作用愈發(fā)顯得有些不足,所以目前主流的還是回流焊這種工藝。
2) 無論是對于大型機(jī)廠商還是中型機(jī)廠商,經(jīng)典的可以推薦SMT 生產(chǎn)線一般由2 臺貼片機(jī)組成,1臺高速貼片機(jī)( 片式元件貼片機(jī)) 1臺高精度貼片機(jī)( IC 元件貼片機(jī)) ,這樣各司其職,有利于整條SMT 生產(chǎn)線發(fā)揮出最高的生產(chǎn)效率。但是現(xiàn)在情況正在發(fā)生著改變,很多貼片機(jī)生產(chǎn)商推出了多功能貼片機(jī),使得SMT 生產(chǎn)線只由1 臺貼片機(jī)組成成為可能。1 臺多功能貼片機(jī)在保持較高貼片速度的情況下,可以完成所有元件的貼裝,減少了投資,受到中小企業(yè)、科學(xué)院的青睞。
1.3 最簡單的貼片機(jī)模型
如圖4 所示,最基本的貼片機(jī)由機(jī)架、電路板夾持機(jī)構(gòu)、供料器(沒有在圖中畫出) 、貼片頭、吸嘴以及X、Y、Z 軸組成,其中Z 軸除了可以Z 向運(yùn)動(dòng),還可以以θ方向轉(zhuǎn)動(dòng)( 以便調(diào)整元器件偏離焊盤的旋轉(zhuǎn)角度) 。
1.4 LED 貼片機(jī)
泛義上講LED 貼片機(jī)屬于表面貼裝技術(shù)( SMT) 貼片機(jī)中的一種,隨著LED 技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)SMT 貼片機(jī)已不能滿足LED 行業(yè)生產(chǎn)需求,此時(shí)LED 貼片機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生。
LED 貼片機(jī)是專門為LED 行業(yè)所設(shè)計(jì)定做的SMT 貼裝設(shè)備,用來實(shí)現(xiàn)大批量的LED 電路板的組裝。設(shè)備要求精度不高,但要求速度快。LED 專用貼片機(jī)降低了貼片設(shè)備成本,并提高生產(chǎn)效率。目前LED 貼片機(jī)的種類很多,但是無論是全自動(dòng)高速貼片機(jī)還是手動(dòng)低速貼片機(jī),它們的整體布局都是類似的。
全自動(dòng)LED 貼片機(jī)是由計(jì)算機(jī)控制,集光機(jī)電氣為一體的高精度自動(dòng)化設(shè)備,由機(jī)架、PCB 傳送機(jī)構(gòu)及承載組織、驅(qū)動(dòng)及伺服定位體系、貼裝頭、供料器、光學(xué)識別體系、傳感器和計(jì)算機(jī)控制體系組成,其經(jīng)過吸取-位移-定位-放置等一些功能,完成了把SMD 快速準(zhǔn)確的貼裝到PCB 板上。
1.5 LED 貼片機(jī)與傳統(tǒng)貼片機(jī)的區(qū)別
LED 貼片機(jī)主要需滿足3014、2835、3528 和5050、5630、5730 的燈珠貼裝精度需求。相對于傳統(tǒng)貼片機(jī)的加工精度,LED 貼片機(jī)要求比較低。但是LED 貼片機(jī)更注重的是性能,即機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性、速度、可操作性、尺寸要求,因此要求了LED 貼片機(jī)必須具備以下設(shè)計(jì)思路和硬性要求。
1) 智能化的手段更加成熟的運(yùn)用到LED 專用貼片機(jī)上,各類具有優(yōu)秀性能的傳感器能夠在實(shí)施作業(yè)時(shí)充分收集數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)處置,保障整個(gè)貼裝過程的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)和其他設(shè)備一樣要依據(jù)科學(xué)的方法及技術(shù)規(guī)范,定期對LED貼片機(jī)進(jìn)行保養(yǎng),比如對機(jī)器和電路板表面積垢進(jìn)行清潔拆洗,可以有效防止由于灰塵和積垢導(dǎo)致的機(jī)器內(nèi)部散熱不良,造成過熱燒壞器件。LED 貼片機(jī)有好的穩(wěn)定性才能最大效率的為企業(yè)產(chǎn)生效益,降低生產(chǎn)成本。
2) LED 貼片機(jī)速度一定要快,最低18 000點(diǎn)/h 以上的貼裝速度。
3) 具有簡單易學(xué)人性化的操作方法可以極高地縮短人員培訓(xùn)時(shí)間,并且在生產(chǎn)過程中有效降低誤操,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
4) LED 貼片機(jī)最低要可以貼裝1 200 mm 長度的PCB,因?yàn)長ED 很大一部分是取代傳統(tǒng)光管照明,所以長度會(huì)大大超過傳統(tǒng)PCB 尺寸。除了這些以外,為了保證單個(gè)LED 燈板無色差,要求所要貼裝的整批LED 燈珠為同一色溫BIN( BIN一般代表的是LED 燈珠的一些參數(shù)的范圍,不同的范圍可以分別用不同的編號表示,這些參數(shù)包括電壓、色溫、亮度等,所以會(huì)有電壓BIN、色溫BIN、亮度BIN 這樣的說法,可以用BIN 代表產(chǎn)品的型號) 。
1.6 國產(chǎn)LED 貼片機(jī)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
作為第四代光源的巨大市場潛力,再加上政府政策的大力支持,國內(nèi)LED 照明產(chǎn)業(yè)幾乎是跨越式發(fā)展。從早期的LED 顯示屏的火爆,到目前過渡到LED 商業(yè)照明、室內(nèi)照明、戶外照明、亮化工程等,LED 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了從單一的火爆產(chǎn)品,過渡到LED 全領(lǐng)域的應(yīng)用和普及。
LED 的發(fā)展帶動(dòng)了相關(guān)設(shè)備產(chǎn)業(yè)的火爆,回流焊、波峰焊、印刷機(jī)、LED 貼片機(jī)、LED 封裝設(shè)備發(fā)展勢頭迅猛。目前國內(nèi)LED 設(shè)備大部分是可貼裝1.2 m 的燈板的小型貼片機(jī),基本上都使用平臺式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),結(jié)合雙擺臂運(yùn)動(dòng)方式,實(shí)現(xiàn)LED 貼裝。軌道式LED 貼片機(jī)在國內(nèi)比較少。這也是下一步,眾多企業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向。
目前國內(nèi)LED 貼片機(jī)技術(shù)還處于一個(gè)初級階段。研發(fā)出來的產(chǎn)品,只能滿足部分中小型企業(yè)的早期需求。我國是一個(gè)電子制造大國,需要不同檔次的國產(chǎn)LED 貼片機(jī)。所以必須根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)選機(jī)型,降低國產(chǎn)LED貼片機(jī)研制難度,快速進(jìn)入電子裝備行業(yè)。
二、LED 貼片機(jī)的最關(guān)鍵技術(shù)
2.1 精密機(jī)光電一體化技術(shù)
在LED 貼片機(jī)運(yùn)作過程的,這項(xiàng)技術(shù)的體現(xiàn):貼裝頭通過精準(zhǔn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)將元器件從供料器中揀出并經(jīng)過校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)后,準(zhǔn)確快速地把元器件安裝到PCB 板上。
2.2 視覺技術(shù)
采取不停步快速拍攝定位技術(shù),實(shí)現(xiàn)光學(xué)影像撲捉定位、飛行對中。
2.3 磁懸浮技術(shù)
能解決高速度與貼片精度的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)磁懸浮直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用,改進(jìn)了原有伺服旋轉(zhuǎn)式電機(jī)絲桿鏍母存在速度低、噪音大的缺點(diǎn)。直線電機(jī)應(yīng)用的是磁懸浮技術(shù),運(yùn)動(dòng)時(shí)無摩擦,無阻力,速度高,使用壽命長。
2.4 高效智能化軟件技術(shù)
隨著貼片機(jī)組成和結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化和多元化,貼片機(jī)軟件技術(shù)的重要性越來越得到體現(xiàn)。高效實(shí)時(shí)多任務(wù)并行處理操作系統(tǒng)、智能化貼裝程序優(yōu)化、自動(dòng)診斷技術(shù)等勢必會(huì)大大提高生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
2.5 模塊化及系統(tǒng)集成技術(shù)
模塊化及系統(tǒng)集成技術(shù)的目的是,針對LED貼片機(jī)的速度、精度和柔性這3 項(xiàng)基本要求,提出優(yōu)化和改進(jìn)的解決方案。柔性模塊化技術(shù)強(qiáng)調(diào)設(shè)備的可移植性、相互操作性、縮放性和可配置性,提供設(shè)備控制平臺對控制需求的可重構(gòu)性和開放性,從而能夠簡捷、高效地構(gòu)造和完成特定要求的表面貼裝設(shè)備,提高組裝生產(chǎn)率。
2.6 電機(jī)使用輕量化設(shè)計(jì)概念
可大幅減少機(jī)器運(yùn)動(dòng)部分重量,由此而使機(jī)器運(yùn)作時(shí)消耗的功率也大幅降低到只有普通貼片機(jī)的1 /4 消耗,耗電可達(dá)普通貼片機(jī)1 /4 以下;LED 貼片機(jī)對貼裝精度要求不高,但要求速度較快。目前國內(nèi)針對LED 的專業(yè)貼片機(jī),有幾家在做,根據(jù)速度不同可分為4 頭、6 頭、8 頭設(shè)備,可以參考泰姆瑞LED640、LED660 V 和LED680 V這幾款LED 專用貼片機(jī)實(shí)際了解。中間那個(gè)數(shù)字代表貼片頭數(shù)量的多少。數(shù)字越大,速度越高。LED 貼片機(jī)主流應(yīng)用應(yīng)該是可貼裝大面積的PCB 板,要滿足在線的要求,這樣才能保證速度。
三、LED 貼片機(jī)的發(fā)展趨勢
LED 貼片機(jī)在生產(chǎn)制造過程中扮演十分重要的角色,是當(dāng)代主流電子組裝技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備中投資最大、技術(shù)最先進(jìn)、對SMT 生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率影響最大的設(shè)備。事實(shí)上,故障最多、速度瓶頸很大程度上都是來自貼片這一工序,所以貼片機(jī)設(shè)備的發(fā)展最是引人注目。目前擁有貼片機(jī)的數(shù)量和先進(jìn)程度,已經(jīng)成為一個(gè)企業(yè)、地區(qū)或國家的電子制造能力的關(guān)鍵標(biāo)志。下面對現(xiàn)階段貼片機(jī)的發(fā)展趨勢述說如下。
3.1 LED 貼片機(jī)正朝更高精度的方向發(fā)展
貼片機(jī)精度是指貼片機(jī)X、Y 軸導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)的機(jī)械精度和Z 軸旋轉(zhuǎn)精度。貼片機(jī)采用精密的機(jī)電一體化技術(shù)控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)將元器件從供料器中抓取出來并經(jīng)過校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)對中后精密可靠的貼裝到電路板上。為了生產(chǎn)出具有更高性能的產(chǎn)品,首先面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)便是更高可能地提高貼片機(jī)的貼裝精度。下面從LED 的制程開始述說具有更高精度的LED 貼片機(jī)可能會(huì)對LED未來的生產(chǎn)產(chǎn)生的革命性影響。
在普通的LED 封裝技術(shù)中,晶片電極跟支架引腳的相連一般通過以金線互連的方式達(dá)成,但金線斷裂一直是其中一個(gè)常見的失效原因。在LED 照明應(yīng)用中金線的異常是導(dǎo)致死燈和光衰大這樣常見問題的罪魁禍?zhǔn)?。死燈大致可分為兩種情況,一種是完全不亮,另一種則是熱態(tài)不亮冷態(tài)亮,或出現(xiàn)閃爍。不亮的主要原因是電性回路出現(xiàn)開路,閃爍的原因是因?yàn)榻鹁€虛焊或接觸不良。
隨著倒裝焊技術(shù)的推出,兩者的相連可通過更穩(wěn)定的金屬凸點(diǎn)焊球來連接,節(jié)省成本并大大提高了可靠性及散熱能力。LED 擁有壽命長等優(yōu)點(diǎn),配合倒裝焊技術(shù)比傳統(tǒng)使用金線互連的封裝技術(shù)更能發(fā)揮LED 的優(yōu)勢,LED 倒裝焊接技術(shù),實(shí)現(xiàn)了單芯片及多芯片模組的無金線、無固晶膠封裝,具有高亮度、高光效、高可靠性、低熱阻、顏色一致性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。
LED 無金線封裝即業(yè)內(nèi)俗稱的“無封裝”“免封裝”。這種工藝是利用倒裝芯片與線路板直接SMT 貼合,將SMD 封裝制程省略,直接將倒裝芯片用SMT 法貼合到線路板上或承載體上,因?yàn)樾酒娣e遠(yuǎn)小于SMD 器件,所以這個(gè)工藝需要非常精密的設(shè)計(jì)。
未來的LED 貼片機(jī)在提高精度的基礎(chǔ)條件上,直接運(yùn)用到倒裝無封裝制程,這將是LED 制程的小革命,可以省去很多封裝成本,并且大大提高了生產(chǎn)成本和縮短生產(chǎn)周期,使得LED 產(chǎn)品真真正正高性能低售價(jià)地進(jìn)入通用照明市場。將LED 貼片機(jī)直接運(yùn)用到LED 的制程,很有潛力成為未來技術(shù)的趨勢。
3.2 LED 貼片機(jī)正朝高效率生產(chǎn)的方向發(fā)展
當(dāng)今社會(huì)最重要的一個(gè)特點(diǎn),就是競爭。正是這種競爭,激發(fā)人們努力探索創(chuàng)新;正是這種競爭,推動(dòng)科技發(fā)展日新月異。在如火如荼的LED照明市場催動(dòng)下,LED 貼片機(jī)的高效率工作必然成為其核心競爭力的體現(xiàn)。高效率就是提高生產(chǎn)效率,減少工作時(shí)間,增加產(chǎn)能,創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)利益。在當(dāng)前的基礎(chǔ)上提高效率的主要方法有:加強(qiáng)LED 貼片機(jī)的自動(dòng)化性能和改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作模式。
3.2.1 加強(qiáng)LED 貼片機(jī)的自動(dòng)化性能
當(dāng)今信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和完善極大地促進(jìn)了自動(dòng)化的水平,由原來的自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)辨別等發(fā)展到自學(xué)習(xí)、自組織、自維護(hù)、自修復(fù)等更高的自動(dòng)化水平成為可能。同時(shí)對于貼片機(jī)這種自動(dòng)化數(shù)控設(shè)備,軟件編程的效率對提高設(shè)備效率也至關(guān)重要,開發(fā)出更強(qiáng)大的軟件功能系統(tǒng),減少人工編程時(shí)間,可以大大縮短無效工作時(shí)間,提高生產(chǎn)效率。
3.2.2 改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作模式
貼片機(jī)在提高貼裝速度方面逐漸達(dá)到瓶頸時(shí),改善LED 貼片機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)不失是一種好的改進(jìn)思路。例如,雙路輸送LED 貼片機(jī)在保留傳統(tǒng)單路LED 貼片機(jī)性能的基礎(chǔ)上,將PCB 的輸送、定位、檢測、貼片等設(shè)計(jì)成雙路結(jié)構(gòu)。這種雙路結(jié)構(gòu)可以同步方式和異步方式工作。同步方式是將2 塊大小相同的PCB 由雙路軌道同步送入貼裝區(qū)域進(jìn)行貼裝,異步方式則是將不同大小的PCB 分別送于貼裝區(qū)域。這2 種工作方式均能提高機(jī)器的生產(chǎn)效率。再如貼片機(jī)的多懸臂、多貼裝頭結(jié)構(gòu),都是行之有效的方法。
3.3 LED 貼片機(jī)朝柔性化和模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展
時(shí)代的發(fā)展促進(jìn)了人們的生活水平和認(rèn)知,個(gè)性化的需求是未來市場的重要戰(zhàn)略手段。電商元年的開啟給我們更多的啟示是,傳統(tǒng)的實(shí)體店經(jīng)營模式更多是向產(chǎn)品體驗(yàn)店的方向發(fā)展和轉(zhuǎn)變。未來電子產(chǎn)品制造為滿足市場的個(gè)性化需求將要面對品種多樣、批量較少、周期變短等這樣的挑戰(zhàn),適應(yīng)這種趨勢的有效方法是貼裝設(shè)備的柔性化。
如,將LED 貼片機(jī)的主機(jī)做成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,并裝備統(tǒng)一的機(jī)座平臺和通用的用戶接口,而將點(diǎn)膠貼片的各種功能做成功能模塊組。模塊組有不同的功能,針對不同元器件的貼裝要求,可以按不同的精度和速度進(jìn)行貼裝,以達(dá)到較高的使用效率;當(dāng)用戶有新的要求時(shí),可以根據(jù)需要增加新的功能模塊機(jī)。
LED 貼片機(jī)的柔性就是實(shí)際生產(chǎn)中貼裝的靈活性,它包括能夠適應(yīng)不同的PCBA 產(chǎn)品、能夠兼顧貼裝精度和速度、能夠快速進(jìn)行生產(chǎn)轉(zhuǎn)換、能夠升級換代。柔性化是能夠最大化的利用現(xiàn)有資源創(chuàng)造出最好的經(jīng)濟(jì)效益的方案,所以軟性化是一種理念的、動(dòng)態(tài)的、相對的設(shè)備特性描述。
3.4 LED 貼片機(jī)朝智能化的方向發(fā)展
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展,移動(dòng)智能終端的爆發(fā)式增長以及消費(fèi)群體的年輕化,智能化是電子行業(yè)尤其是家電行業(yè)發(fā)展中的必然,智能化這一概念已經(jīng)很頻繁的出現(xiàn)在我們的生活中,產(chǎn)品的智能化是最具有前景的未來市場。同樣,在制造業(yè)里,制造裝備的智能化是制造技術(shù)最具前景的發(fā)展。
智能化LED 貼片機(jī)具有以下的特點(diǎn):人機(jī)一體化、自學(xué)習(xí)、自組織、自維護(hù)、自修復(fù)、超柔性等,極高的提高了腦力勞動(dòng)自動(dòng)化的水平,減少生產(chǎn)過程中的錯(cuò)誤,從而提升效率提高產(chǎn)能。未來的LED 貼片機(jī)是在計(jì)算機(jī)智能技術(shù)的基礎(chǔ)上使得他具有更高級的類人思維能力,對貼裝過程進(jìn)行全程分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策,并且可以通過收集、存儲(chǔ)、共享和繼承人類專家們的智能高效快速地提供出最適合的柔性方案。LED 貼片機(jī)的精密化和智能化勢必會(huì)對LED 未來生產(chǎn)和技術(shù)產(chǎn)生巨大的影響。
3.5 LED 貼片機(jī)朝綠色化的方向發(fā)展
近些年對于綠色化和環(huán)境保護(hù)的概念已經(jīng)有了新的內(nèi)涵,所謂的環(huán)境保護(hù)是廣義的,不僅包括保護(hù)自然環(huán)境,還要保護(hù)社會(huì)環(huán)境和生產(chǎn)環(huán)境,更要保護(hù)生產(chǎn)者的身心環(huán)境。人類社會(huì)的發(fā)展必將走向人與人、人與機(jī)器、人與社會(huì)、人與自然界的和諧,未來LED 貼片機(jī)從設(shè)計(jì)到回收再制造整個(gè)階段,都必須考慮對環(huán)境的影響,在設(shè)計(jì)之初就充分考慮到盡最大可能提高材料利用率,使得用戶投資效益最大化。