根据实际情况和具体工艺要求选择自动化分板工艺

分板有时又称为切板,简单地说就是将PCB边上不用的工艺边去掉或是把多拼板的各小板分开。说起来虽然很简单,但它却是PCB组装过程中很重要的一个环节。原始设备生产商(OEM)及电子制造服务商(EMS)都希望用更加快速经济的方法将产品投放市场,因此分板工艺已越来越引起他们的注意。本文介绍如何根据实际情况和具体工艺要求选择自动化分板的方式。

Brian Bagby

营销副总裁

PMJ Automec公司

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分板最初都是用手工完成,很多工厂至今仍保留这种方式,不过颇为讽刺的是,它竟会让生产商觉得困难重重。同样让人感到荒谬的是要想使这样一个“简单”的工艺实现自动化,居然要用到很多复杂的技术,包括自动轨迹切割、剪切、钢模冲压、激光切割以及水流切割等等。

对所有PCB组装工艺而言,有一点已越来越清楚,即不管是哪一道工序手工作业方式都正在迅速萎缩。工业的发展、技术的进步以及经济的推动作用,都给产品及制造商双方带来新的压力,诸如装配密度更高、获利空间更小、国际竞争日益激烈以及消费者对体积更小功能更强的电子产品需求的增长,这些都使厂家迫切需要采用全自动化方式进行线路板生产。

OEM及EMS厂商特别希望分板及其他后工序都能实现自动化,因为增加再多前工序设备也无法提供更高利润率,但是像分板、异形元件组装、选择性焊接及最后装配等等后工序若有新的自动化解决方案,则可能会带来更高的产量、更好的品质以及更低的作业成本,从而增加利润。

制造商们对某些自动分板形式青睐有加,如一些使用自动传输装置的独立或在线系统。虽然各种各样的技术常常令人眼花缭乱,但生产厂商可通过一定的程序使决策更加合理,同时也能对自动分板在品质、速度及利润率方面的作用看得更清楚。

了解各种分板方式

分板包括手工分板、冲压分板、剪切分板、自动轨迹切割、激光切割分板及水流切割分板等方式,每种方法都其自身优点与不足。

手工分板

传统的手工方式有一个优点,就是灵活性强,这是其他方式无法匹敌的,因为它无须更换工装,也不用安装任何软件。虽然这种灵活性对多数厂家都有很大的吸引力,但手工分板也存在一些大的缺陷,所以对大多数厂商来说不能算是个好方案。

首先手工折板可能会使PCB受力过度,导致报废率升高,从而影响利润率,因为板面震动过大会使元件和焊点破裂。手工分板最好是对有直线分板槽的产品采用,但随着目前产品越来越复杂,它们的外观轮廓也各式各样,此时用手工分板已不再是一件容易的事。

其次这种作业方式速度慢成本高。目前在美国单位人工劳动成本约14美元/小时,这包括雇佣每个工人产生的一切相关费用。按一年50周、每周工作40小时计算,每个工人的年费用约28,000美元,如果一个工厂每班雇佣3个人,并实行两班倒,此时一年的劳动力成本将超过168,000美元。

最后,手工分板还存在一些危险,因为它是一种高度重复性的工作,工人会因此产生重复性肌肉劳损(RSI)。在英国及美国,有很多工人已经通过法律从雇主处赢得RSI巨额赔偿。此外手工分板产生的尘埃还可能会对皮肤有刺激,产生过敏反应。

冲压分板

冲压分板用一个特制的冲压模对拼板中的小板进行冲压分离。这种方式的主要好处是操作时间很短,一次冲压即可把拼板的所有小板分离出来,对每天都生产同种产品的EMS厂商来说这是一种可行的方法。

但是它的弊端也很多。首先是维护费用高,模具昂贵,每套冲压模成本在10,000到15,000美元之间,为防止模具在重磨或维护时造成停机,一般每个产品需准备两副模具。

另外这种系统没有任何灵活性,每种拼板都要有相应的冲模,并且仍需要操作员进行上板下板操作。由于冲压时对PCB有冲击,对产品的震动和伤害都很大,良品率可能会大幅降低,所以只有专为冲压设计的PCB才好用这种方法分板。

剪切分板

剪切分板就是采用一块刀片状切刀进行边缘切割。剪切相对来说速度较快,对只有直边的PCB来说是一种可靠的分板方式。

不足之处是会对PCB造成严重的震动,导致元件及焊点破裂,另外其灵活性也有一定限制,它只能用于带直边的产品,仍要由操作员来取放拼板及分离后的PCB,并且PCB也需要为剪切进行专门设计。

自动轨迹切割

自动轨迹切割包括切除PCB的多余边或在产品组装后围绕板的边缘进行切割(图1)。它带有高速定位系统和非常稳定的线路板夹持装置(正面或底面),所以这种方式相对较快。它既有独立式也有在线式,对产品的震动很小,可提高成品率。分割轨迹路径设置快速,能很容易地处理形状复杂尺寸各异的线路板(图2),另外切割后板子边缘清晰度也非常好。

它的缺点是系统价格非常贵,对需定做夹具的系统还会增加工装成本。

激光切割

利用激光切割物体已不是什么新鲜事,激光技术的进步使它在当代制造业中占据了重要地位,利用一种辅以气体的密封二氧化碳激光可进行线路板分割。激光的优点是能以较高精度处理非常复杂的设计,特别是对较厚的材料,而且它不会有任何工具磨损。

激光切割是金属行业常常选用的方法,但用于PCB分板却有一些问题。首先激光发生器非常昂贵,另外操作员也面临必须要在短时间内学会使用的巨大压力,最重要的是,对PCB来说激光切割后板边常常会被烧焦,并呈锯齿状参差不齐。

水流切割

这种方式利用一股非常细的高速喷射水流进行线路板分割,可进行快速在线式操作。它的主要优点是切割过程中不会产生热量,并且通常切割质量非常高。

可是水流切割仍然会损伤PCB,高速水流作用于板上的力量可能会过大而导致PCB损坏；更让人头疼的是环境问题,以及废水排放和处理的费用。

需要自动分板吗？

一般来说,产量常常是EMS厂商考虑采用自动分板的主要动力,但它也不是唯一的因素,合约制造商还必须要考察产品的尺寸以及技术复杂程度。若产品本身很便宜并且都是过时的技术,或者产品在一段时间内不会有变化,此时即使是大批量生产用自动轨迹切割方案也没多大意义,这种情况下简单的分板方式可能会更好,譬如冲压分板。

反之,对小批量生产而言,若有几种较复杂的产品经常变换,并且成品价值都很高,则可采用自动轨迹分割系统,因为成品率提高和报废率降低可很快弥补购买系统的费用。

另外还必须要考虑PCB切掉的废边或拼板的数量。如果一块板有12个以上的废边要去掉,手工操作员是无法轻松地完成这项任务的；同样,如果PCB轮廓很复杂,那么只有可编程轨迹切割机才能快速准确地完成分板(图3)。

产品适合作自动分板吗？

第三步要确定生产的PCB是否能作自动分板,若可以,那什么方案最好,是独立式系统还是在线式系统。这里主要应考虑PCB的设计及材质。

自动轨迹分割系统通常能处理大部分材质的基板,包括FR-4、FR-2、芳族聚酰胺、聚酰亚胺薄膜、BT材料以及覆铜板等,如果需要处理其他特殊的材料,多数供应商会设法找到一种适合用户的方案。

一般而言,在线自动分板系统需要各分板之间最小有1mm的间隔才能够有效分割,建议间隔比1.5mm稍大一些。间隔小于1mm的板不适宜使用自动分板,除非另行采用专用方案。

对在线式分板,拼板的板边必须要设计有3mm废边余量,以便能放在传送带上。这个余边对拼板传送是必需的,如果没有余边,则至少应保证有同等宽度的无元件区域。如果两个都不能满足,则只能采用独立式分板系统。

用在线式分板系统还要求拼板有足够的刚性,以便利用板边进行传送。通常板边厚度至少应有1mm,板面翘曲及下垂不应超过1mm。对厚度小于1mm或者翘曲/下垂严重的拼板,最好是用独立式分板系统。

在拼板PCB的非传送边一侧可以有顶部突出的元件,但这种元件必须距板面2.54mm以上,另外在传送侧距板边3mm以内的区域不应有任何顶部突出元件。如果这些条件不能满足则只能选择独立式分板系统。

工作方式选择

是独立式系统好,还是在线式系统好呢？如同前面所讨论的,板厚、板边余量及突出元件等参数可帮助我们作出决定,其他还需考虑的因素包括线路板产量以及生产产品的种类数量等。

生产厂商在选择在线式或独立式系统时,首先应看他们的产品种类数量。如果要生产很多种不同的产品,那么最好是用独立式系统,因为其工模费通常比在线式系统的要低；但如果一直都生产同一种PCB,则在线式系统会更好。一般来说,独立式系统适用于生产小批量、多种类产品的工厂。

在作决定之前,厂商还必须要考虑分板以后PCB会怎么样。很多先进的大厂将分板作为系列自动化后工序的第一步,其它后工序还包括选择性焊接及异形元件装配等,在有些蜂窝电话制造厂里,一直到成品装箱交运的整个后工序都完全实现了自动化。

当然,分板之后的后工序自动化水平也决定了所采用的分板系统的具体类型,因为系统将分好的PCB送到测试设备、传送带及其他机器的性能随后续工艺的不同而要求不同。

最后考虑事项

作自动分板系统投资决定前,所有相关的因素都必须要考虑到,包括设备价格、质量提高后所节省的成本、产量的提升和人工的减少、产品类型和种类,以及影响整个电子制造业的竞争因素等等。提高工艺质量非常重要,减少因过度受力而产生的报废,所提高的成品率哪怕是很小一个百分比也能带来大量的成本节约。

假定一家公司已决定购买一套系统,那应该用什么标准来判断选择哪一种系统或哪一家供应商呢？首先应该是机器的质量和可靠性。具有95%以上的正常运转率是非常重要的,因为这样才能保证利润率及快速取得投资回报。

同样,设备的售后服务及技术支持也应考虑。供应商应该能提供快速的服务,这通常意味着在当地要有办事处。另一个应关心的是能否及时得到备件,因为所有的系统都需要服务,所以不能花很长的时间去等待备件。

系统的灵活性也很重要。产品转换后工装的更换时间有多长？系统是否是模块化设计以便能快速地移动及安装？软件的适应性是否很强,能用在各种生产情形吗？使用起来是否简单？

最后,系统还必须能够进行改造,以便当下一代线路板成为新的工业标准时,这种分板系统仍能满足新的生产要求。

本文结论

OEM及EMS厂商对提高产品合格率、加快产品面市速度及提高利润率的期望,正推动着整个后工序自动化的发展。后工序自动化的第一步是分板自动化,有在线式或独立式两种系统。业界正逐渐青睐一些自动分板的形式,几种技术每个都有自己独特的优点及不足之处。对技术的选择不会那么简单,但是采用一定的程序可帮助生产厂商们作出正确的选择,根据产品类型、批量和种类而在价格与性能之间取得平衡。