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与Axiom共同探讨高密度
  2022-09-06      92

I-Connect007 

Nolan Johnson和Barry Matties采访了Axiom公司的RobRowland和Kevin Bennett,探讨了EMS制造业目前面临的高密度挑战。在此次采访中,Bennett和Rowland认为元件包装和供料器技术是需要改进的关键领域。

Nolan Johnson:Rob,是否可以先介绍Axiom的概况?

Rob Rowland:Axiom是一家已有30年历史的EMS服务商。它主要专注于军事、航空航天、太空产品及任何有高可靠性类型应用需求的客户,制造更复杂的高密度电路板。Kevin已经做了20多年的贴装工作,既是设备程序员,也是工艺工程师。Axiom处理的特殊元件种类可能比许多其他PCB组装公司更广泛。我们可以组装各种不同尺寸的PCB,从内存模块大小的PCB到18×20英寸的PCB。

Johnson:贵公司的生产模式基本是多品种、小批量?

Rowland:是的。我们的生产专长是更多的品种、更小的批量,常见的生产批量范围为30块~50块。生产批量有时为几百块,偶尔会达到几千块,但通常的生产批量都小于100块。谈到贴装设备,有趣的现象之一是美国大多数公司的生产模式都是品种更多、批量更小。

公平地说,对于不同的生产组合模式,公司需要做的事情有很大的区别。当与业内同行交流时,我们一致认为更多品种、更小批量贴装面临的最大挑战之一是元件包装。

元件包装——料带、料卷和料管

Barry Matties:当谈到包装时,是指元件的组成部分吗?

Rowland:在这种情况下,我们具体讨论的是料带和料卷对比矩阵托盘、料管。如果生产批量很大,理想的情况是购买全尺寸料卷。当公司从事多品种、小批量业务时,通常需要用更短的料带,但并不是市场上所有设备的设计都能很好地处理更短的料带。这对国内公司来说是主要挑战,而贴装行业并没有像希望的那样加紧应对这一问题。行业必须开发能够处理较短料带的工艺;从PCB生产的角度来看,这通常是我们更头疼的问题之一。

Johnson:你们在处理非常小的元件时,这种包装挑战更严重吗?还是说对于各种元件挑战都一样大?

Kevin•Bennett:当你处理较小元件的时候会更糟糕,因为要使用不同方法将他们放置到贴装设备上。在载带上的每个凹槽中放置元件并在每个凹槽上覆盖一层胶带,以防止他们脱落。当剥离胶带很短的时候,供料器需要足够的载带长度才能保证正常工作(前进)。这种情况下,必须增加一段额外的剥离胶带,供胶带剥离机构剥离覆盖的胶带,从而暴露出元件供吸嘴拾取。

如果要在矩阵托盘平台上放置短料带,在拾取元件之前,需要将整个长度的覆盖胶带剥离。如果短料带含有小元件,轻微的碰撞就可能会导致所有元件从载带中脱落,并可能因消耗造成损失。

Johnson:甚至是一阵风也能使元件从载带中脱落。

Bennett:完全正确。最理想的情况就是使用短料带,需要使用带状卷盘供料器,覆盖胶带可以将元件很好的保存在载带中,直到准备好后元件被拾取。供料器的类型因设备而异,非机械式供料器体积小,采用在预先安装载带的基础上剥离覆盖胶带的方式。而机械式供料器往往比较大,需要较长的覆盖胶带穿过供料器(到胶带卷轴上),才能正确的工作(前进)。

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越来越小的元件

Johnson:与更传统、更大尺寸的元件作业相比,高密度还面临哪些其他挑战?

Bennett:随着技术及需求的发展,元件越来越小。我们现在贴装的最小封装尺寸是0201,即0.6*0.3mm。我们有能力贴装尺寸为其一半的元件,即01005。相比之下,人的头发直径约为0.1毫米,因此这些元件仅略大于人的头发直径。

Johnson:什么技术能拾取起这么小的东西?

Bennett:设备使用真空吸嘴来拾取和贴装大多数元件封装。可使用机械夹持吸嘴拾取大型和异形元件。向下看的摄像头用于调教单个供料器的拾取点。当同一卷元件加载到不同的供料器上时,必须再次调教拾取点,以补偿任何特定供料器槽中供料器位置公差的不一致。元件越小,出错的空间就越小。

Matties:对于那么小的零件,它是否会减慢整个组装过程,还是能够采用标准的贴装速度?

Bennett:小元件的贴装速度较高,而一些较大的元件需要以较慢的速度贴装。需要进行日常维护,以保持吸嘴正常工作。如果吸嘴堵塞,就会遇到拾取问题。用正确的吸嘴尺寸及吸嘴类型拾取元件时,设备就可顺畅地运行。

Matties:当你谈到包装和小批量作业时,订单有多少件?50件或500件?包装什么时候会成为一个问题?

Rowland:对我们来说,常见的作业批量是30~50块PCB,此时通常会需要更短的料带。一旦超过100件,就可以使用更长的料带。如果批量小于100块,则较短的料带通常会成为问题。

贴装密度

Matties:对于我们所讨论的密度和更小的元件,你在整体设置中看到了更多的挑战吗?

Rowland:密度的一个方面是PCB上有多少不同的部件号,这直接关系到有多少可用的供料器。需要有足够的供料器,才能够处理装载到设备上的所有不同元件包装类型。另一个问题是PCB上元件的密度。

作业设置复杂性

Johnson:你刚才说较大的元件会降低作业速度?

Bennett:像球栅阵列这样的大型元件,在X和Y方向上具有相同间距的行列标准矩阵,比具有多种尺寸焊料球的可变间距BGA更容易编程。行和列之间的可变间距对编程来说更具挑战性。

摄像机和视觉系统

Johnson:对于小元件的贴装,视觉系统有什么帮助?

Bennett:对于每种元件封装类型,摄像头都会根据其外形进行编程以识别元件。元件密度更高的PCB面临的挑战在于,需要花时间对设备进行编程以处理所有不同的封装类型。在设备层面,由于软件包的多样性,需要额外的时间来调试程序。

Johnson:因此,复杂性、多样性和软件包在作业设置期间会在前端显着增加劳动力。 就劳动力而言,这是最大的时间浪费吗?

Bennett:我们离线编程每个作业,所以当目前的作业订单在SMT生产线上运行时,同时正在编程即将到来的作业订单,该订单将计划在几天后运行。在具有大量供料器输入和多种封装类型的设置过程中,需要额外调试时间的可能性会增加。如果离线编程的元件尺寸与加载到设备上的实际元件尺寸存在差异,则在设置过程中调试程序增加更多时间。在进入生产阶段之前,我们会尽最大努力确认包含元件尺寸的数据表。

Matties:封装差异和照明问题必定使学习一个组件变得棘手。提高相机分辨率有帮助吗?

Bennett:是的,照明问题确实会带来挑战。如果元件主体和端子的颜色相近,比如陶瓷BGA,则视觉系统很难形成适当的对比。当元件特征较小时,如细间距引线器件或微型BGA,需使用分辨率更高的摄像头。

Rowland:Kevin是这方面的专家,当讨论摄像头时,需考虑两个问题。。一个是相机的实际分辨率,以便能够对你正在处理的设备的尺寸进行成像,但相机系统的一个组成部分是照明。一般来说,照明往往是一个比相机的分辨率更大的问题。

Bennett:我同意这一点。这又回到了对比度的问题上。我们使用的相机有三个不同的照明角度:顶部、侧面和斜视。有时,要找到正确的照明组合以达到所需的对比度,使相机能够分辨出部件的特征,这是一个试错的过程。

Johnson:您是否必须逐个更改这些设置?

Bennett:一旦确定了元件封装,就可以进行测试,以确保它能够始终通过视觉系统。如果同一元件封装用于其他作业,则不必调整设置。

Rowland:像QFN和球栅阵列这样的器件最具挑战性,因为对于常见的电阻、电容器封装之类的元件,会看到很容易设置的外形轮廓,即可获得清晰的轮廓。当处理底部有焊料球或端子的元件时,对比度就很关键。通过对这类器件的照明发现对比度差异是巨大的挑战,对吗?

Bennett:没错。另一个需要考虑的因素是对称性。如果元件是对称的,例如,无引线器件,其中所有端子在所有四个侧面上都具有相同的几何形状,那么即使极性不正确,相机也会识别是该元件。元件将会以错误的朝向放置在PCB上,因为摄像头没有区分极性标识的特有功能。

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编程贴装的人工经济学

Johnson:从开始为常见的PCB离线编程到在设备上完成调试,需要多长时间?

Bennett:一般来说,离线编程中等复杂度的PCB需要8个小时,上机调试时间需要30~60分钟。

Johnson:当处于多品种的生产环境时,需要更长的时间。

Bennett:没错。对于订单量小的作业,我们能够在8小时的轮班时间内对任何指定的SMT生产线进行3次作业更换。

Johnson:你之前说过,良好的前端编程可以改善后端。可以介绍这种内部相互关系吗,尤其是从高密度PCB生产的角度出发?

Bennett:为高密度电路板编程对贴装和AOI来说是人工密集型的工作。提供给AOI程序员的数据直接来自贴装程序。来自同一源头的数据将可减少在PCB上贴装的元件与AOI验证之间的不一致。如果贴装程序员和AOI程序员都从零开始使用客户提供的数据,那么贴装程序和AOI程序之间产生不同结果的风险更大。

高密度和高利润率

Matties:你认为利润更高的生产是高密度生产吗,即使必须在前端投入更多的精力?

Rowland:一般来说,PCB越复杂,我们就需要收取越高的费用,因为在编程和制造方面投入了更多的精力。通常,更复杂作业的利润率更高,因为它们更难生产。

Matties:你如何在不泄露商业机密的情况下衡量这一点?当你在审视工厂时,你是以每个工位的利润率为标准,还是以它作为你所接受的工作类型的标准?

Rowland:我们开发了非常全面的模块,用来报价生产和测试产品所需的人工。它包含了我们工厂的所有流程。如果订单很适合我们的服务和流程,我们会报价,否则我们不会报价。

多年来,我们已经认识到,试图为每个公司做每一件事并没有很好的商业意义。我们在几年前尝试过这样做,发现它不是双赢的模式,尤其是如果需要大量的资本投资的话。过去几年,我们采取了不同的方法,审视我们想要提供并擅长的服务和流程。如果它不符合我们的模式,那么我们不会报价,因为你不可能为每个公司提供一切服务。

有些公司试图提供全面的需求,但最终会意识到,这不一定是可以追求的盈利模式。

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总的来说,不仅仅是高密度造成了挑战

Matties:运营中面临的最大挑战是什么?

Bennett:这要追溯到元件包装。除了短料带之外,我们面临的另一个挑战是使用料管包装的元件;一般来说,行业没有针对料管的最好供料器。在我的职业生涯中,我基本上见过3种类型供料器。首先,有振动供料器,可以将元件振动到位。这些供料器的挑战是在同一供料器底座上装载不同尺寸的包装。假设在给定的供料器中有6条不同的料管,那么每条道都有自己的振动设置。使一种元件的振动不影响相邻元件是挑战。接下来是重力型供料器;同样,其取决于元件的大小和重量,元件越小,在不脱离轨道的情况下过渡到拾取位置的难度就越大。

第三种类型,也是我见过的最好的设计,叫做短冲程线性驱动。元件有多个通道,供料器只需向前推动部件,而不会影响相邻元件。这似乎是适用于料管的最佳方法,但总的来说,处理料管中的元件比料带卷更具挑战性。

矩阵托盘是另一种包装形式。有两种类型矩阵托盘处理器:直接拾取方法和穿梭拾取方法。直接拾取的优点是可以使用贴装头直接从托盘中拾取元件。穿梭法是一种独立的装置。有单独的吸嘴,将元件从矩阵托盘中取出,然后将其装载到穿梭式输送带上,到一个暂存区,贴装头将在那里拾取元件。

每种处理器都有其优缺点。穿梭法只有一种尺寸的吸嘴,因此可能适用于较大的元件,但不适用于10毫米或更小的元件。关于直接拾取处理器的另一点是,它们占用了希望用于料带供料器的供料器容量。一种只能直接拾取的元件类型是带有导向销的连接器。使用穿梭法时,它们不会平放在传送带上,因此不能用真空吸嘴拾取。

我们看到的另一个挑战是供应商将元件放置在载带中的朝向不一致;他们不能始终遵循EIA标准。对于同一种无引线器件,供应商A的极性为0°方向,而供应商B的极性为270°方向。对于这类情况,则需要更多的调试时间。

Rowland:在小批量SMT组装过程中遇到的问题之一是销售方对元件进行重新卷带包装。有时他们不遵守料带及料卷的EIA标准。EIA标准清楚地指出了载体料带中元件的朝向(极性)。一些公司不熟悉该标准,因此他们不遵守该标准要求,将部件随机放在载带中,而不考虑其对组装过程人员造成的影响。

Johnson:在AOI之前你们如何捕捉到这种问题?

Bennett:这是由设备操作员在设置过程中完成的。操作员使用摄像头设定每个拾取点,同时验证元件在载带内的朝向。使用摄像头很难看到元件顶部的命名。在调整灯光以达到适当的对比度时,极性指示可能无法被区分。贴装难以阅读名称的元件后,需要更多时间来检测PCB。

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高密度不是挑战,拾取元件才是挑战

Johnson:听起来所有涉及技拾取的术仍然存在挑战。

Rowland:是的。从复杂性或密度的角度来看,我们并没有遇到很多问题。任何高端机器制造商都会有能够处理电路板上紧密排列的组件的设备,这项技术已经成熟,设备的精度和可重复性并不是什么大问题。但正如Kevin所提到的,包装形式对我们的影响最大。如果调查美国的其他EMS公司,他们可能也会说元件包装是他们最大的问题之一。

Johnson:目前,你看到了哪些应对这个工艺的措施?你认为哪里最有可能做出改变并使业务流程得到改进?

Rowland:贴装设备制造商面临的最大挑战是推出更易于使用且与较短料带更兼容的供料器。我认为这是行业通常无法满足用户需求的领域。一些制造商试图用较短的料带和供料器来解决这些问题。市场上的许多供料器都是为含有数千个元件的7英寸直径料卷而设计,而不是为5英寸长的料带而设计。在后一种情况下,许多供料器不能很好地工作。

Bennett:我完全同意。含有机械部件的大型供料器需要覆盖带穿过,以使其正确运行。料带越短,挑战就越大。

Johnson:你是在向贴装设备制造商提出挑战,要求他们解决供料器技术问题吗?

Rowland:是的,这是我们多年来给许多贴装设备制造商的反馈。

Matties:反馈建议很好。感谢二位接受采访。

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