表面貼裝技術(SMT)因其高組裝密度和良好的自動化生產而迅速發展並廣泛應用於電路組裝生產。SMT是第四代電子組裝技術，具有元器件安裝密度高、易於自動化、生產效率高、成本低等優點。SMT生產線由絲網印刷、元器件貼裝和回流焊三個工序組成，如圖1所示。Smc/SMD(表面貼裝元件/表面貼裝器件)貼裝是整個表面貼裝工藝的重要組成部分，涉及的問題比其他工藝更復雜，難度更大，而片式電子元件貼裝設備也是整個設備投資中最大的。
目前，隨著電子產品向便攜、小型化方向發展，相應的SMC/SMD也向小型化方向發展，但同時為了滿足ic芯片多功能的要求，采用了多引線、細間距。小型化是指貼裝元件外形尺寸的小型化，經歷了以下過程:3225→3216→2520→2125→1608→1003→1603→0402→02065438。QFP的引線間距將從1.27 → 0.635 → 0.5 → 0.4 → 0.3 mm向更精細的間距發展，但由於元器件引線框架加工速度的限制，QFP間距極限為0.3 mm，因此為了滿足高密度封裝的要求，出現了性能更優越的BGA(球柵陣列)、CSP(芯片尺寸封裝)、Cob等。
片式電子元件貼裝設備(俗稱貼片機)是電子行業的關鍵設備之壹，采用自動貼裝技術可以有效提高生產效率，降低制造成本。隨著電子元器件的小型化和電子元器件多引腳、細間距的趨勢，對貼片機的精度和速度要求越來越高，但精度和速度需要折中。壹般高速貼片機的高速度往往是以犧牲精度為代價的。
2貼片機的工作原理
實際上，貼片機是壹種精密的工業機器人，是機-電-光和計算機控制技術的結合。通過吸取-位移-定位-放置等功能，可以快速準確地將SMC/SMD元器件貼裝到PCB指定的焊盤位置，而不會損壞元器件和印刷電路板。元件對準有三種方式:機械對準、激光對準和視覺對準。貼片機由機架、x-y運動機構(滾珠絲杠、直線導軌、驅動電機)、貼裝頭、元件送料器、PCB承載機構、器件對中檢測裝置、計算機控制系統組成。整機的運動主要由x-y運動機構實現，動力由滾珠絲杠傳遞，定向運動由滾動直線導軌運動副實現。這種傳動形式不僅運動阻力小、結構緊湊，而且傳動效率高。
貼片機在重要部件上標記有標記，如貼裝主軸、移動/靜止鏡頭、吸嘴座和進給器。機器視覺可以自動計算這些標記中心系統的坐標，建立貼片機的系統坐標系與PCB和貼裝元件坐標系的轉換關系，計算出貼片機的精確坐標。貼裝頭根據進口貼裝元件的封裝類型、元件編號等參數抓取吸嘴並在相應位置吸取元件；靜態鏡頭根據視覺處理程序檢測、識別和定心吸引元件；對準完成後，安裝頭將元件安裝到PCB上的預定位置。元件識別、對準、檢測、安裝這壹系列動作都是由工控機根據相應的指令獲取相關數據後自動完成的。貼片機的工作流程圖如圖2所示。
3貼片機的結構形式
根據貼裝頭系統、PCB板搬運系統和送料系統的運動情況，貼片機大致可分為三種類型:轉塔式(如圖3所示)、平行式(如圖4所示)和龍門式。根據貼裝頭在機架上的布置，機架貼片機可細分為動臂式(如圖5所示)、垂直旋轉式(如圖6所示)和平行旋轉式(如圖7所示)。
轉塔貼片機，又叫拍片機，特點是速度快。它的基本工作原理是載有送料器的平臺在貼片機的左右方向連續移動，載有待吸元件的送料器移動到吸合位置。PCB沿x-y方向移動，使PCB能夠精確定位在指定的放置位置。貼片機核心的轉臺在多個點承載元件，並在移動過程中執行目視檢查和旋轉校正。轉塔貼片機中的轉塔技術是日本三洋公司的專利。目前Panasert公司的轉塔貼片機系列(最早推出的是MK系列，後來發展到MV系列，現在主推的型號是MSR系列)和富士公司的CP系列(最新的是CP7系列)都成功應用了這項技術。
框架安裝機的進給器和PCB是固定的。它移動安裝在x-y移動框架中的貼裝頭(通常安裝在X軸橫梁上)來吸取和貼裝芯片。該結構的安裝精度取決於定位軸X、Y和θ的精度。
雖然都采用框架結構，但是由於貼裝頭的形式不同，這種貼片機可以分為三種，壹種是三星、雅馬哈、Mirea等廠商推廣的動臂式，壹種是SiemensDematic推廣的垂直旋轉式，第三種是索尼推廣的平行旋轉式。
框架貼裝機可以通過增加橫梁/懸臂(也增加貼裝頭)來提高貼裝速度。這種結構的貼片機的基本原理是，當壹個貼裝頭正在吸取元件時，另壹個貼裝頭將要貼裝元件。
模塊化貼片機可以看作是由許多小型框架貼片機並聯組合而成的組合式貼片機。目前世界上只有安培龍(原飛利浦)的FCM機型和富士公司新推出的NXT機型使用了這項技術。
模塊化貼片機使用壹系列小型獨立貼裝單元。每個單元都有自己獨立的x-y-Z運動系統，並配有獨立的貼裝頭和元件對中系統。每個貼裝頭可以從壹個有限的帶式送料器中吸取元器件來貼裝PCB的壹部分，PCB在機器中以固定的間隔壹步步推進。每個獨立單元往往只有壹個吸嘴，所以每個貼裝單元的貼裝速度比較慢，但是當所有的貼裝單元加起來，產量可以極高。
如表1所示，綜合比較了這些類型的貼片機的性能。
(1)安裝速度
速度壹直是轉塔式貼片機的優勢，但是隨著技術的發展和新貼片機的不斷推出，幾款新型號的框架貼片機和模塊貼片機的貼裝速度已經超過了新的轉塔式貼片機。這壹點可以從不同類型貼片機的性能參數表中看出。
(2)安裝精度
隨著微型元件和密排元件的廣泛應用，電子產品在貼裝精度方面對貼片機提出了更高的要求。幾年前，業界可接受的精度標準是0.1 mm(片式元件)和0.05 mm(IC元件)。目前這個標準已經降低到0.05 mm(片式組件)和0.025 mm (IC組件)。
目前的轉塔式貼片機很難超過0.05mm的精度水平，最好的轉塔式貼片機也只能達到這個精度。最先進的框架貼裝系統可以達到4σ和25 μ m的精度，然而，達到這種能力的機器貼裝速度並不太高。
(3)可安裝組件範圍
受進料方式的影響，轉塔式貼片機只能貼裝帶式封裝或散裝封裝的元件，而無法貼裝試管和托盤，盡管其視覺系統可以處理這些元件。密排元件壹般都是托盤封裝，所以轉塔貼片機在這個指標上是最弱的。並且受限於機械結構，提升空間不大。
4貼裝機的X-y運動機構
x-y運動機構的作用是驅動貼裝頭在X軸和Y軸方向往復運動，使貼裝頭快速、準確、平穩地到達指定位置。
目前貼片機上有幾種不同形式的x-y運動機構，由滾珠絲杠和直線導軌驅動的伺服電機驅動。同步齒形帶和直線導軌驅動的伺服電機驅動方式；線性電機驅動模式。
這些驅動方式在結構上相似，都需要直線導軌進行導向，但在傳動方式上有區別。
下面主要介紹滾珠絲杠和直線導軌驅動的伺服電機驅動方式。
圖8顯示了貼片機的基本x-y運動機構。X軸伺服電機通過使用安裝在橫梁上的滾珠絲杠和線性導軌驅動安裝頭在X軸方向上移動，Y軸伺服電機通過使用安裝在框架上的滾珠絲杠和線性導軌驅動整個橫梁在Y軸方向上移動。這兩種運動的組合形成了x-y運動機構，驅動貼裝頭在x-y平面內高速運動。
在Y軸方向，為了驅動壹定長度的橫梁，需要將橫梁兩端安裝在固定的直線導軌上，兩導軌之間有壹定的跨度，而電機和驅動滾珠絲杠不能安裝在兩導軌中間，只能安裝在靠近壹側的導軌內側。這樣，當貼裝頭的重量和橫梁的跨度達到較大值時，遠離電機壹端的導軌附近的貼裝頭的運動會在Y軸滾珠絲杠和橫梁的連接處產生難以平衡的角擺動力矩，Y軸的加減速和定位性能都會受到很大影響。為了緩解這壹缺點，現在許多貼片機在Y軸上采用雙電機驅動模式，如圖9所示。
采用雙電機驅動方式，兩臺電機同步協調驅動橫梁移動，提高了定位穩定性，減少了定位時間，從而提高了Y軸的速度和精度。
為了在單個貼片機上實現更高的貼裝速度，目前的高速貼片機都采用了雙梁/雙貼裝頭的技術，如圖10和圖11所示。
圖10是雅馬哈開發的框架模型。X梁系統沿Y方向移動，兩個安裝頭安裝在X梁的兩側。每個貼裝頭可以從X梁兩側的拾取站拾取元件並進行貼裝。並且PCB可以在x和y平面上移動。
圖11是雅馬哈圖10的改進型號，采用雙X梁雙安裝頭結構。這種結構的貼片機在進板機構兩側有兩個X梁和雙貼裝頭系統，兩側有取料工位和貼裝區，兩個系統都可以完成各自的取料和貼裝。
貼片機要求高速度和高精度。65，438+0個貼裝周期(即貼片機完成65，438+0次取料貼片動作)，包括貼裝主軸吸取元器件的時間、移動到靜止鏡頭的時間、用靜止鏡頭拍照的時間、移動到貼裝位置的時間、校正元器件偏移的時間、在主軸上貼裝元器件的時間，所有這些時間之和應該達到65，438+0 ~ 2s。當貼片機每個貼裝頭上的吸嘴數量較少(少於3個)時，x-y運動機構驅動貼裝頭移動的時間長短就成為影響貼裝速度的關鍵因素。為了滿足高速貼裝的要求，X、Y方向的移動速度應在1.25m/s以上，加減速大(1g ~ 2g)，加速和制動的時間盡量短。這樣，貼片機就不可能像數控機床那樣把運動部件做得非常堅固笨重，而是要像汽車、飛機那樣盡可能降低高速運動部件的質量和慣性，以達到足夠的運動定位精度和盡可能高的加減速性能，並在兩者中取其精華，達到最佳的慣性匹配。
國內外貼片機性能研究
國外貼片機開發技術壹直走在前列，如松下、日本雅馬哈、富士、韓國三星、德國西門子、美國環球、荷蘭飛利浦等。已經開發出非常成熟的產品系列[3]。
D.美國佐治亞理工學院的A.Bodner，M. Damrau利用VirtualNC仿真工具，以電子貼裝設備Siemens80S20為原型，建立了相應的數字樣機模型，如圖12所示。從貼裝系統、送板機構和送料系統三個核心部件出發，詳細研究了整機的性能，分析了影響貼裝速度的因素以及如何獲得最短的貼裝周期時間。
基於多體仿真的思想，何潤大學的Feldmann和Christoph集成了多體動力學仿真軟件、有限元分析軟件和控制仿真工具，建立了壹個綜合的多體仿真分析平臺，如圖13所示。以兩門SiLacef 4貼片機為原型，建立了貼片機的多體仿真數字樣機模型，研究了貼片機的運動物體特性、柔性、振動特性和熱變形。其中重點介紹了柔性體上建立線性約束的方法，並利用ADAMS/ENGINE模塊中的“TimingMechanism”建立了電機驅動齒形帶的仿真模型。
英國諾丁漢大學的MasriAyob博士從改進取片貼裝操作、增強運動控制、選擇吸嘴、裝配送料機等方面研究了多頭順序貼片機的優化問題。
貼片機曾是我國“七五”、“八五”、“九五”、“十五”電子設備重點發展項目之壹。20多年來，我國壹些科研院所、高校和工廠開發了SMT生產線的各種設備(包括絲網印刷、貼裝和焊接設備)。
從65438到0978引進國內第壹條彩電生產線開始，電子二所就開始了貼片機的研發工作。此後，電子56所、電子4506廠、航天二所、廣州機床研究所等科研院所分別進行了研發，取得了大量科研成果。這些研究成果雖然沒有產業化，但為後來者積累了寶貴的經驗。
國內已開發或生產貼片機的企業有:羊城科技、熊貓電子、風華高科、上海現代、上海微電子、深圳日東等。羊城科技從貼片機低端市場出發，自主研發面向中小型電子企業、科研院所等單位的SMT2505貼片機，並與Xi安交大、中南大學合作。在自主研發產品的基礎上，利用數字樣機對貼片機的性能進行了研究，取得了壹定的成果。但與國外車型相比，仍有壹定差距，且由於資金問題，產品尚未進入量產階段。其他研究企業也開發了貼片機，完成了自己的研究課題和樣機，取得了壹定的成果。由於技術含量高、研發周期長、投資大，大多數中小企業還停留在樣機階段，無法將其產品應用到生產線上。
國內高校對貼片機的研究工作壹直沒有停止過。例如西安電子科技大學的閆和蔣建國利用改進的混合遺傳算法對貼片機的裝配過程進行了優化。梁安交通大學的李磊和杜春華研究了貼片機的視覺檢測算法。西南交通大學的John young研究了SMT貼片機的定位運動控制。龍徐明總結了貼片機的視覺系統。山東大學劉進波研究了基於視覺的楔塊貼片機運動控制系統。上海交通大學機械與動力工程學院的莫、程治國、蒲曉峰研究了貼片機的控制系統，CIM研究所的曾、金燁研究了貼片機的貼裝優化，微電子設備所的俞新瑞、、研究了貼片機系統的圖像處理技術，自動化所的田福厚、研究了貼片機的送料器分配優化及其遺傳算法。華中科技大學的、石等人從視覺、圖像等方面對貼片機進行了相關研究。華南理工大學與風華高科合作，從視覺檢測、圖像處理、運動控制系統、效率優化等方面開展相關研究。
6結論
根據貼裝元件的不同和貼裝的通用程度，貼片機可分為專用型和通用型，專用型包括芯片專用型和IC專用型，前者主要追求高速，後者主要追求高精度；通用型可用於貼片或IC，廣泛應用於中等產量的連續生產和貼裝生產線。通用貼片機的高適應性犧牲了精度和速度的折中設計。其貼裝速度比高速貼片機慢，貼裝精度比精密貼片機低。高速貼片機的發展已經到了壹定的極限。目前貼片機廠商主要開發通用型號，以滿足更多的貼裝工藝要求。由於後封裝和SMT工藝已經開始相互融合，這就對貼片機的精度提出了更高的要求。
同時要求高速度和高精度是貼片機發展的主要困難。解決高速度和高精度之間的矛盾需要多學科的完美結合，需要設計、仿真、工藝、裝配和檢測的有機結合，才能開發出高水平的貼片機。但是貼片機的制造依賴於基礎工業的發展，這也極大的阻礙了高速高精度貼片機的發展。