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电路板组装如何解决特殊元件的安装?

发布时间 :2017-11-22 14:18 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA部
长久以来,特殊元件的安装一直都是电路板组装自动化的瓶颈。这是因为自动插装设备不够灵活且精度较差,因此很多PCBA工厂都只能采取手工方式。但如今的机器性能已大幅提高,在精确性、经济性和速度方面可与一般的表面黏着系统媲美。在后制作程序中若采用自动化设备,可降低成本,并大幅提高生产的效率。
 
电子业的厂商们都希望能制造出体积更小、速度更快、价格更便宜的产品。随着个人数位助理(PDA)与手持式电子设备市场的兴起,更助长了轻薄短小的产品发展趋势,而当前所有的PCBA制造商共同面对的问题则是:产品的尺寸/性能比会不会到达极限?迄今为止,这个答案仍是否定的。
 
目前的特殊插装设备精度已越来越高
图1:目前的特殊插装设备精度已越来越高
 
原始设备PCBA制造商(OEM)和电子制造服务业者(EMS)正在使用自动化分配、黏着、回流焊等前置组装制程以提高产量、良率和品质。自动化的成果确实提高了这些厂商的利润。然而这些自动化制程只是成功的重要因素之一,一些后制作程序,如特殊零组件插装、成品组装、非标淮化的焊接及测试等,仍然得采用陈旧缓慢的手工作业方式,这已成为提高产量和品质的主要障碍。
 
随着零组件和其它组装元件的尺寸越来越小,手工作业已越来越无用武之地,因此对提高后制作程序效率的需求迫在眉捷。所幸业界已对此展开行动,行动电话PCBA制造商率先对整个后制作程序实施自动化生产方式,首当其衝的就是特殊元件装配的“量产”、“高品质”、“缩短出货时间”和“激烈竞争”等名词,是制造业改良生产程序的目标。
 
过去在生产线上经常出现一种状况:高速运作中的生产线会突然停顿,仅为等待必须用手工完成的特殊零组件插装工作。这种作法不仅延长生产时间,同时无法保证品质。诚然,最初的机器灵敏度不够,且缺乏精度,故特殊元件的自动化装配一直无法推广。然而在过去十年内,使用机器精确放置特殊零组件的能力有了很大的提升,对当前许多PCBA制造商来说,自动化特殊装配设备是一个极具吸引力的投资项目。
 
不过有些公司还是认为,特殊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,因为以往的后制作程序自动化方案显得笨拙缓慢,而且难以适应新产品。
 
但如今的特殊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效能、更好的机械手臂、可黏着更多种类的特殊元件并可轻鬆处理各种形式送料器和元件封装样式,而且置放精度更高(图1)。目前特殊元件组装设备已成为电子制造制程?的一个标淮部份,至少对于那些产量大、种类多而又无法忍受手工作业的OEM和EMS厂商们而言,能够减少许多制作程序。
 
什么是特殊元件
特殊元件是指那些普通表面黏着设备难以处理的零组件,诸如连接器、接插头、变压器、双列直插元件、单列直插记忆体模组和DIM插座,以及一般的轴向和径向零组件等。
 
设备商已针对各种封装开发出不同的送料器
图2:设备商已针对各种封装开发出不同的送料器
 
尽管近年来印刷电路板上的特殊元件数量已大幅减少,但仍有部份元件必须使用手工安装,这将佔用相当大的生产成本,造成的结果是增加劳动成本和生产费用,同时也可能降低产品品质。
 
特殊元件自动黏着设备最大的难处是它要黏着各种形状尺寸不同的元件,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。由于零组件通常不可避免的有些缺陷,同时具有不同的公差,因此自动化特殊件组装设备还必须能够对零组件进行检测,并对黏着淮确性和装配过程进行监控。
 
特殊元件黏着
随着特殊黏着技术的提高,设备PCBA制造商们开发出多种方式和标淮单元模组组件以解决各类问题,主要的一些标淮单元模组组件包括送料器、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。
 
不过相对于表面黏着元件送料器,特殊件送料器要贵一些,尤其是用于散件的托盘式或碗式送料器,而且用于标淮料管或托盘的封装亦是有限的。为解决这些问题,开发了一种针对特殊零组件的互锁式输送带,由于零组件的针脚位置可以固定,送料变得精确简单。当然,额外的花费也随之而来。
 
另一种简化送料的方法是将某些特殊零组件,特别是连接器装入一种比较深的袋型输送带中。对于这种送料方式,黏着系统在抓取元件后需对其再进行定位,这主要是因为元件在送料器上不能淮确地放置。
 
如希望以任意精度处理不同尺寸、形状的特殊件,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、抓取头可更换的气动/真空驱动抓举臂、伺服式抓举臂以及夹爪可更换的伺服式抓举臂等。
 
多头抓举臂由于抓取头不必在每一次的抓取-放置作业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,零组件如有变化,需对抓举头进行大幅机械重新设计。
 
配备自动换头系统的设备能提供极高的灵活性
图3:配备自动换头系统的设备能提供极高的灵活性
 
为满足灵活性要求,一种方式是使用一个抓取头,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零组件,但由于对每一种不同的零组件都要更换抓取头,产能可能会大受影响。
 
按零组件尺寸的不同,可程式化配置的伺服式抓举臂具较高的灵活性,但是它所使用的夹爪是不可自动更换的,因而对形状不同的零组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夹爪的系统是最灵活的,它能处理任何大小和形状的零组件。
 
零组件被机器黏着之后,装配制程的最后一步就是确保零组件能固定在印刷电路板上。有些元件如连接器可以使用固定装置,而其它零组件则需要用针脚固定,有两种针脚固定基本技术,分别是专用固定滑块和可设置型固定单元。
 
自动特殊组装的一个好处是它还可以改进产品品质,但只有保证组装过程运作得当时才能发挥出这一优点,倘若组装只是盲目运行,那么后制作程序的缺陷将远比手工装配多。应该在自动特殊组装中使用检测系统以确保产品品质。
 
若没有使用某种方式检测和补偿零组件本身的公差,则许多零组件都无法正确地被放置,少数元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元件,保证产品品质。
 
在组装过程中需检测的尺寸公差有:电路板尺寸; 元件送料尺寸; 元件本身到针脚的尺寸; 针脚到针脚的尺寸/针脚完整性(针脚弯曲)。
 
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元件是否到定位及方向性的雷射/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制程中的所有尺寸公差。其执行方式和表面黏着设备中采用的标淮视觉技术类似,不过标淮视觉技术对特殊件有其局限,如由于元件类型繁杂,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,要检测出针脚的位置其困难也可能令人生畏。各种元件形状、尺寸、颜色及针脚样式使得视觉系统难以设置,用起来也是困难重重。
 
雷射/光学系统可补偿和插孔元件相关的所有尺寸公差,包括元件送料尺寸、元件到针脚尺寸、针脚到针脚尺寸及针脚完整性等。这类系统包含一个雷射头、一个位于送料器和电路板之间的简单光感测器,以及一套用于监控Y轴编码器的电子线路和软体,这?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,能用于几乎所有的特殊插装元件,它的性能在要求一次成功的过孔焊膏应用中尤其重要。
 
百分之百检测能力大幅提高了对特殊装配设备的接受程度,使其性能和表面黏着机相差无几。
 
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制程精确验证的要求等等,合起来使得特殊元件置放成为一项複杂的工作。不过先进的感应检测技术、送料器、抓举臂及灵活的置放头等新技术推动了特殊装配系统的发展,使其在精确性、经济性和速度方面都能与一般的表面黏着机相媲美。自动特殊装配可以节省人工成本,提高生产速度,并提升产品整体品质,同时帮助PCBA制造商解决交货和价格上的压力。


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