在后工序中采用自动化异型装配

异型元件的插装过去一直是线路板组装自动化的瓶颈,由于自动插装设备不够灵活且精度较差,很多工厂都只能采取手工方式。但如今的机器性能已有了很大提高,在精确性、经济性和速度方面堪与常规的表面贴装系统媲美,在后工序中采用自动化设备可降低成本,并大大提高生产的效率。

Brian Bagby

营销副总裁

PMJ automec公司

Email:brianb@

电子工业界孜孜以求的是把产品做得更小、更快、更便宜,随着个人数字助理(PDA)与手持式电子设备相继风靡各大洲,这种发展趋势根本看不到一个尽头,即便要有那也是更小、更快、更便宜。现在的问题是:我们会不会达到尺寸/性能比的极限？迄今为止,答案是否定的。

原始设备制造商(OEM)和电子制造服务(EMS)商正在使用自动化涂敷、贴片、回流焊等前道组装工艺以提高产量、合格率和品质,结果他们的利润有了提高。然而这些自动化工艺只是成功的重要因素之一,一些后工序如异型元器件插装、成品组装、选择性焊接及测试等依然是陈旧缓慢的手工操作方式,这些已成为提高产量和质量的主要障碍。

随着元器件和其它组装件越来越小,手工操作已显得无能为力,对提高后工序效率的需求迫在眉睫。所幸业界已开始行动,移动电话制造商率先对整个后道工序实行自动化生产方式,首当其冲的就是异型元件装配,“大产量”、“高品质”、“缩短出货时间”和“激烈竞争”等词汇成了这一行业生产制造领域的口头禅。

让高速生产线停下来等待用手工完成异型元器件插装是件很蠢的事,而且质量也保证不了。诚然,由于最初的机器不够灵活同时精度也差,所以异型元件的自动化装配一直没有得到推广。然而在过去十年里,机器精确放置异型元器件的能力有了很大提高,对如今许多制造商来说,自动化异型装配设备是一个很有吸引力的投资项目。

不过有些公司还是认为,异型元件只有用手工组装才具有足够的灵活性,能够迅速地从一种产品转换到另一种。这种看法曾经有一定的根据,因为以前的后工序自动化方案显得笨拙缓慢,而且难以适应新产品。

但是今天的异型元件组装设备与昔日那种任务单一的自动化系统已不可同日而语,这些新机器具有先进的视觉性能、更好的抓举臂、可贴放更多种类的异型元件并可轻松处理各种形式送料器和器件封装样式,而且总的来说置放精度更高(图1)。目前异型元件组装设备已成为电子制造工艺里的一个标准部分,至少对于那些产量大、种类多而又无法忍受手工操作的OEM和EMS厂商们是这样。

什么是异型元件

异型元件是指那些普通表面贴装设备难于处理的元器件,诸如连接器、接插头、变压器、双列直插件、单列直插存储器模块和DIM插座,以及常规轴向和径向元器件等。

尽管近年来印刷电路板上的异型件数量已大幅减少,但手工插装这类余下的器件仍然要占用生产成本中相当大一部分,结果是劳动力成本和生产场地费用增加,而产品质量则在下降。

异型元件自动贴装设备之所以难是因为它要贴装的元件各种各样,形状尺寸各不相同。就精确性和自动化程度来说,需要一种能快速适应产品变化的通用设备。由于元器件有不同的公差以及不可避免有些还会有缺陷,因此自动化异型件组装设备还必须能够对元器件进行检测,并对贴装准确性和装配过程进行监控。

异型元件贴装

随着异型贴装技术的提高,设备制造商们开发出多种方式和标准单元模块组件以解决各类问题,主要的一些标准单元模块组件包括送料器、抓举臂、固定系统和感应系统等。

各种送料器可以处理多种封装形式,如径向带料、轴向带料、单道管料、多道管料、不同形状大小的盘料、连续条形料件及散件等(图2)。这些送料器的设计也相当灵活,可以很快地装上或取下,并且易于调整以适应不同的封装形式。

不过相对于表面贴装器件送料器,异型件送料器要贵一些,尤其是用于散件的托盘式或碗式送料器,而且用于标准料管或托盘的封装亦是有限的。为解决这些问题,开发了一种针对异型元器件的互锁式料带,由于元器件的引脚位置可以固定,送料变得精确简单。当然,额外的开销也随之而来。

另一种简化送料的方法是将某些异型元器件,特别是连接器装入一种比较深的袋型料带中。对于这种送料方式,贴装系统在拾取器件后需对其再进行定位,这主要是因为器件在送料器上不能准确地放置。

如希望以任意精度处理不同尺寸、形状的异型件,抓举臂必须要有很高的灵活性。可以采取多种形式,如多头抓举臂、拾取头可更换的气动/真空驱动抓举臂、伺服式抓举臂以及卡爪可更换的伺服式抓举臂等。

多头抓举臂由于拾取头不必在每一次的拾取-放置操作时都从送料器移动到电路板,因而可提供很高的效率,但是它的灵活性却受到限制,元器件如有变化需对抓举头进行很大的机械改造。

为了满足灵活性要求,一种方式是使用一个拾取头,同时配备自动换头系统(图3),尽管这种方法能够处理任意形状大小的元器件,但由于对每一种不同的元器件都要更换拾取头,产能可能会大受影响。

按元器件尺寸不同可以编程设置的伺服式抓举臂具有较高灵活性,但是它所使用的卡爪是不可自动更换的,因而对形状不同的元器件还存在一定的局限性。同时具备伺服式抓举臂和可自动更换卡爪的系统是最灵活的,它能处理任何大小和形状的元器件。

元器件送过来并被机器贴装之后,装配工艺的最后一步就是确保元器件能固定在印刷电路板上。有些器件如连接器可以使用固定装置,而其它元器件则需要用引脚固定,有两种引脚固定基本技术,分别是专用固定滑块和可设置型固定单元。

自动异型组装的一个好处是它还可以改进产品质量,但只有保证组装过程运行得当时才能发挥出这一优点,倘若组装只是盲目运行,那么后工序的缺陷比手工装配的还要多。应该在自动异型组装中使用检测系统以确保产品质量。

如果没有用某种方式检测和补偿元器件本身的公差,很多元器件都无法正确地放置,少数器件甚至根本就不能插入电路板,因此系统应该能检测并剔出这些器件,保证产品质量。

在组装过程中需检测的尺寸公差有:

?电路板尺寸

?器件送料尺寸

?器件本身到引脚的尺寸

?引脚到引脚的尺寸/引脚完整性(引脚弯曲)

有几种技术可以解决公差问题,包括浮动头抓举臂、视觉检查、插入时检测以及检验器件是否到位及方向性的激光/光学系统。

视觉检查是使用最广泛的检测技术,可在不同程度上补偿组装工艺中的所有尺寸公差。其运行方式和表面贴装设备中用到的标准视觉技术类似,不过标准视觉技术对异型件有一些局限,如由于器件类型繁杂,在运动中作检测的能力会受到严重影响,即使是尖端的视觉系统,要检测出引脚的位置其困难也可能令人生畏。各种元件形状、尺寸、颜色及引脚样式使得视觉系统难以设置,用起来也是困难重重。

激光/光学系统可补偿和插孔元件相关的所有尺寸公差,包括器件送料尺寸、器件到引脚尺寸、引脚到引脚尺寸及引脚完整性等。这类系统包含一个激光头、一个位于送料器和电路板之间的简单光传感器,以及一套用于监控Y轴编码器的电子线路和软件,这里Y轴方向是指从送料器到印刷板的方向。这些系统可以在运动中工作,能用于几乎所有的异型插装元件,它的性能在要求一次成功的过孔焊膏应用中尤其重要。

百分之百检测能力极大地提高了对异型装配设备的接受程度,使其性能和表面贴装机相差无几。

本文总结

各式各样的元件封装形式、不同的元件类型尺寸以及对工艺精确验证的要求等等,合起来使得异型元件置放成为一项复杂的工作。不过先进传感检测技术、送料器、抓举臂及灵活的置放头等新技术推动了异型装配系统的发展,使其在精确性、经济性和速度方面都能与常规的表面贴装机相媲美。自动异型装配可以节省劳动力成本,提高生产速度,并提升产品整体质量,同时帮助制造商缓解交货和价格上的压力。

[Circuits Assembly]