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大型异型器件的装配考虑
Packaging of Large Odd – Form Components
随着电子技术的不断发展，表面贴装技术也不断的趋向成熟，但人们无论对表面贴装的元器件，还是对实现表面贴装装配的设备都不断提出更高、更新的要求，以适应电子产品不断呈现的小型化、便携化和高可靠性的发展趋势。
表面贴装技术的使用在过去的近二十年时间内得到了很大的发展，近年来其发展速度更快。可以获取的表面贴装元器件也得到了令人瞩目的增长。目前许多供应商可以同时提供表面贴装和通孔两种形式的元器件。为了使企业在全球化经济中占有一席之地，需要采用连续的自动化工艺技术来满足所有类型的表面贴装元器件的组装需要，在这里围绕价格、质量和产量存在着激烈的竞争，而这一切已是非常普遍的事情。
1、表面贴装技术面临异型器件的挑战
现如今的各类电子产品中往往包含有各式各样的器件搭配，其中的一部分我们称之为异型器件。异型器件配置在范围非常宽广的电子产品中，例如连接器、电池支架、电源插座和电话线接口。通常它们呈现出形状大、有时会显得很重，几乎总是会对现有的贴装操作带来挑战，异型器件电子产品中扮演着一个很重要的角色，例如：移动电话、电脑、及其附件和家用娱乐设备，而这些只涉及到了很小的一部份电子产品。
采用现有的表面贴装设备可以很方便的实现电子元器件的装配，但是还有许多厂家在对待大量异型元器件（例如开关、连接器、电感器件等）是通过采用手工方式装配到印刷电路板上去的。直到现在，这些异型器件的装配一般来说可以在两种方式中选择一种来进行装配：手工装配或者使用自动化装置实施装配。因为对于传统使用的真空吸嘴操作来说，这类器件只有很小或者说根本没有可以利用的表面区域，所以异型器件在标准的贴装设备中很难得到有效的帮助。
人们努力将自动化的方式引入到这类异型器件的装配工艺中去，但要顺利的开展这项工作还有不少难度，因为这类异型部件到表面贴装设备的供料、传输和装配很难协调一致。一些大型设备制造厂商不断地投入对新一代的高速、自动化的异型贴装设备的研发，以求让它们能像贴装现有的通孔元器件和表面贴装设计的元器件一样便捷。要实现这一目标，这些设备最理想的是采用连续的、不间断的带轮形式，以提供异型部件的传输供料功能。
然而，对许多在产品中使用的元器件来说，使用自动化设备进行贴装依然是困难的或者说是根本不可能的，每块电路板上异型器件的数量和产品错综复杂的参数，会形成综合性的令人咋舌的结果，所有这些会导致异型器件在降低成本的目标中占据一个非常重要因素的位置。另外，手工装配也可能是在生产线上产生大比例缺陷的一个根源。当器件被错放的时候，甚至说器件装反了，或者被装在了错误的位置上面，一系列的质量和成本问题就会跟着产生了。
为了能够满足操作的需要，制造厂商研制开发出来的印刷电路板装配设备，几乎都要求在工艺操作实施过程中采用自动化的电路板操控系统。一项关键的问题是在实现自动化贴装的过程中，异型元器件的操作（装配和传输供料）是很难实施的一件事情。新推出的具有很高生产速度的SMT生产线上采用了许多新的装置，在操作人员装插异型元器件的地方，要完全实现它们的自动化操作仍存在有一定的难度。在这里采用手工操作不仅成本增加，而且几乎无法实现“世界级”的产品质量，以及降低总的成本支出。
生产效率问题也是涉及手工装配的主要问题，因为手工装配可能对整条生产线产生阻碍。在整条生产线的行进过程中，它可能是其中节拍最慢的位置。所以一个人的效率低下可能会降低生产线总的产出率，甚至于是整个工厂的效率。
目前许多元器件贴装设备供应商已经开发出了标准的用于异型器件贴装的平台。这些平台可以提供软件、操作人员的培训和设备制造厂商所提供产品上的所有共用零部件备件。这些设备的形式、适应性和功能与在他们生产线上所用的其它设备非常的相似，要求采用相同的外壳，以及很容易地能够集成到现有的生产线中去。另外，绝大多数异型元器件贴装设备能够同时应对表面贴装和通孔两类器件的装配处理。
所有这些贴装设备都偏爱于采用带－轮形式作为最佳的供料媒介方法。由于相同的原因，用户同样也喜欢采用带－轮封装，它可以利用与标准元器件相同的带宽尺寸。
采用带－轮包装形式已经被开发出来，形成可以满足低轮廓形状元器件的标准包装，载带宽度为8 到44 mm，在操作的时候使用真空吸嘴。然而，对于满足大型的、具有较重份量的异型器件所开展的工作就显得不够。大型连接器、继电器和磁芯以及各种复合器件的组装件每个间距需要采用的载带宽度范围从56 到152 mm。这些器件增加了对尺寸和重量的要求，通常需要采用较大直径的转轮(610 mm)，它给生产厂商带来了新的挑战，例如：载带覆盖粘合的可靠性、人机工程学问题（伴随着采用较大、较重的带轮）、生产线上存货清单的及时补充等等，上述内容也只涉及到了很少一部份。
2、异型器件的带－轮传输
作为对业界需求的回应，元器件载带生产厂商和处于领先地位的设备供应商正致力于满足通孔和表面贴装形式的异型带轮组装的工业标准的研究开发。美国电子工业协会(Electronic Industries Association 简称EIA)推出的标准是IS – 704《满足封装器件自动化操作的72至200 mm载带》（72 to 200 mm Carrier Tapes for Packaging Components for Automatic Handling）。
通过使用一种叉型装置（fork – like）使载带与机械连锁覆盖带（mechanically interlocking cover tape）结合在一起，具体是将在覆盖带上的一组锁定锁片推入到载带上的接收孔道内。这种创新的机械连锁方式决定了载带通过的宽度和每个间距之间的空间。这样就允许覆盖带环绕在器件上面，无论是呈现平坦或者半凸起（半凹）都能够进行顺利的传输（见图1所示）。机械连锁装置可以让覆盖带呈环圈状地覆盖在带轮封装的半深度凹腔中的器件上面（见图1（a）所示）；通常所用的加热或者粘接方式，只能用在平整的覆盖带上面，因此只有在全深度的凹腔中才能采用（见图1（b）所示）。而以往常规的带轮组装技术不能采用覆盖带呈环圈状地环绕在器件上面的方式，这是因为为了能够加热或者采用粘合剂的需要，覆盖带必须保持平坦的状态。所以只有常规的全深度凹腔的载带能够与这些覆盖带相配。
这种机械联锁装配工艺能够提供很快速的组装速度，而无须变化载带的联锁力大小。它是牢固和耐用的组件，它能够适用于轻重两类器件，不存在存贮时间的限制，也不会受到常规的温度和湿度变化的影响。载带和覆盖带能够在空中实现卷盘到卷盘的接合。在装配和供料操作期间，可以将停顿时间和操作人员的操作干预降低到最小的程度。
3、带轮供料解决方案
人们为了满足异型器件的带－轮组装方式的需要，开发出来了一种改进的技术方案，用来解决异型器件的应用问题。这是一项新型的自动化贴装技术，专门用来满足采用通孔和表面贴装设计形式的、大型和较重异型组件供料和组件装配的工艺解决方案。在这项“总的工艺解决方案”中考虑了所有涉及异型器件自动化贴装的问题，这些异型器件是通过在供料拾取点上获得组件，它们是以带－轮形式实现装配操作的。这种组装形式具有附加价值，有助于在拾取位置安全获取器件，而不仅仅是着眼于在运输过程中能够提供保护。
如果带－轮供应厂商能够给用户提供任意形式的封装组件。从广大的装配厂商来看，在拾取点上所出现的任何一种困难都可以通过软件或者相关的装置予以解决。这项工艺解决方案不仅仅局限于供料系统的解决方案，也包含了将组件装入载带中，在组件的传输过程中提供保护，并且能够提供重复精确操作组件的能力。对整个工艺流程进行有效的检测控制，可以直接影响到此项应用是否能够成功。
以带－轮形式装载异型器件也会面临一些特殊的挑战。与一般的器件相比较，在重量和尺寸方面要给予更多的考虑。当人们进行载带的优化设计时，一个部件的结构形状是最重要的考虑要素：
1、对于重量很重的部件来说不宜放入采用PSA或者热封覆盖带的全深度凹腔中。它们的重量可能会将密封撕坏，从而引发部件从带－轮上脱落下来。这样会造成部件的损坏、卡住和发生停机。
2、对于形状高大的部件，纵横比大于1:1，在没有采取保护措施的情况下，很难稳定的竖立在带上。在这种情况下，可以通过合理的凹槽设计或者在供料装置的拾取点采用具有创新的支撑设计来达到目的。
部件的纵横比小于1:1可能会呈现出顶部重或者其它方面的配重不均衡现象，在没有采取防范措施的情况下，也会妨碍到定位。引脚的扭曲和电路板的锁定对于通孔带轮设计来说也是一种挑战。
器件体有时为了满足电路板的高度位置需要，在设计时会采用表面凸起，在得不到载带或者供料装置帮助的情况下，这将阻碍部件在垂直或者水平位置的固定。
这些问题是影响到带－轮设计的关键因素，在某些场合下，会对可能的方案选择造成了限制。一旦带－轮设计被确定好了以后，下一步就是确定部件获取的方法。这要掌握贴装设备的基础知识。了解一些最终用户的需求也是非常重要的，其中包括周转率、部件在电路板上的方位、每块电路板上的贴装数量和诸如此类的问题。
人们针对异型器件贴装设备的设计工作仍然处在不断的发展之中。新的部件获取方法可以满足越来越多的元器件精细化处理，使得它们能够适用于自动化装插。在实施总的工艺解决方案时要深入了解所采用的部件获取方法。由许多组件共同形成的端头呈现出细长的形状，可以与现在所采用的所有真空吸嘴、真空夹子和具有部件检测功能的类似的机械夹子组合在一起。一些设备还可以提供一种拨出的力，它可以有助于部件的拾取，当使用机械夹子时这种功能尤其明显。
拨出的力一般应用在具有通孔的带－轮上面，扁平的传输带能提供引脚的定位功能。这种载带的设计能够满足有引脚的器件，它可以用在自动化的设备上面，这在以往还没有使用过。载带被用力按下，以致引脚被握持在板引脚针结构的0.0254mm（0.001 in.）的位置以内。当器件被贴装装置从带轮上拉下时，如此紧凑的公差对于通孔来说产生了轻微的阻力。这种阻力就是俗称的拨出力。
人们可以采用真空吸嘴的方法设计带－轮，为此对部件来说无需具有拨出力。采用真空获取器件的方式可以用于通孔或者凹腔载带。真空夹子可以产生非常小的拨出力，同样也能够用于通孔或者凹腔载带设计中，但是在全深度凹腔设计中要求具有足够的脱出角，以满足留有夹子插入的间隙位置。拨出深度和脱出角可以有各种各样的变化，这种凹腔的壁不能够提供适当的部件防护。一种半凹腔深度的载带适应于在这种应用场合采用。在这种装配形式下面，部件只有一部分处于凹腔中，另外三分之一到二分之一的部件高出传输带。这样就允许夹子的抓手拥有工作间隙，而不需要掉损失强度。
部件的定位对于整个工艺处理方案来说是另外一项重要问题。绝大多数新型贴装设备能够提供不同类型的视觉装置，它们被用来确定部件的定位和引脚的状况，以确保部件的拾取。配备有视觉系统的设备可以发现引脚端部的情况，可以精确地观察到它们，从而确认它们的直线度和共面性情况如何。通过视觉系统可以避免载带中或者其它特定工具中的部件的配准需要。如果说设备不具备视觉系统而部件是有引脚的话，或者具有定位柱以及其它光滑的突出物，这些可以用来作为定位和定向使用，在载带上的传输架构将可以提供精确的定位。
任何一种要求采用真空方式获取的器件应该拥有合适的表面以满足真空拾取的需要。这看上去是一个非常简单的要求，但是对许多异型器件来说，它们不是具有平坦表面的大型部件，此时部件的定位就成为一项很关键的工作。现在对于供料工艺操作来说，部件在相同位置和方向上面能够重复，成为一项最重要的关键点。
有关部件检测方面的另外一个因素是一般的OEM供料装置缺乏对部件的检测能力。在绝大多数自动化应用场合所提供的供料装置是“哑巴”，这也就意味着没有检测的能力。供料装置依赖于功率和索引信号的传感器，此外还有部件的检测。利用具有对零部件检测能力的供料装置，供料设备也能够提供器件不足时的报警、自动标识和信号发送。它可以从贴装设备上获取功率，提供传输带的检测。借助于在空中的线带接头，这些功能被结合在了一起，它是整个工艺解决方案中的另外一个组成成分。
供料轮带的连接支撑是另外一种能够将整个因装料变动而造成的停机时间降低到最小的重要一环，它能够降低平均辅助用时间，使之几乎达到零的程度。这样就意味着在没有增加任何成本的情况下，生产能力得到了改善，另外一个好处就是提升了组装的价值。这种连接特征能够适用于各种各样的载带型式。所用载带能够在空中连接，从而提供流畅的供料，所以它对于避免因停机时间所造成的机会成本损失具有重要的意义。
采用自动化技术装配电路板，能够实现在一个小时内装配超过150块电路板速度的能力。通过计算完工产品的销售价格，能够估算出由于停机所造成的机会成本。假定在每小时可以处理150块电路板的速率下面每块电路板的销售价格为100元，一条单一的生产线每小时将可以产生15000元的收益，或者说每分钟可以生产出250元的收益（15000元大约相当于60分钟所产生的收益）。使用这些数据，一个简单的卷轮变更所产生的成本就收益机会来说大约为125元（假定卷轮变更时间为30秒）。加上卷轮空置的时间，大约在8到15秒，对空的卷轮加载所产生的成本将增加大约200元。将卷轮变更停机时间乘上每次替换卷轮的数量，那么一年的成本就可以实实在在的知道了。
对总的工艺解决方案的评价是生产率和考虑卷轮变更，对整个生产成本所带来的影响。卷带宽度和每节距内部件的数量将影响在供带转轴上面的器件数量，以及支撑点之间的平均时间。这也意味着价值的增加。增加在线的存货二到五倍，也就等同于増加了收益机会的增加。举例来说，卷轮考虑采用传统的EIA带，每个节距拥有一个部件，每个卷轮上有500个节距/部件。相同数量的节距上面拥有五个部件，就简单地从降低卷轮变更的频率来说，每个节距所增加的收益高达1000元。
4、外部机器人操作
到目前为止，机器人操作是寻求自动化装配异型器件的制造厂商普遍的选择。尽管这些机器人功能多种多样，并且使用起来非常的灵活，但是基本的原理上存在一些缺陷，使得异型器件的自动化贴装研发工作进展缓慢：利用机器人来完成异型器件的自动化贴装工艺要求在开发研制和测试方面进行大量的投资，费用可能相当昂贵，在操作和维护方面的难度也可能很大。
采用机器人进行操作常常会占用较大的生产车间面积。生产区域的尺寸直接与机器人和聚集在它周围的装置的尺寸大小相关。机器人一般处在工作区域的中心位置，有关的工具、供料系统和传输装置均围绕在它的周围，所有这一切均在机器人手臂可以触及的地方。此外，在整个系统四周要安置安全隔离带，防止操作人员进入设备的工作区域内。装配所需区域通常为1平方米，另外再要加上用于操作、维护和器件补充的通道面积。
用于机器人的工具通常在设计时是为了实现一个单一的目标，它们可能是非常昂贵的。如果有不同的部件被引入到贴装工艺中的时候，相关的工具可能必须从零开始重新予以设计。
如果它们以前没有的话，为了满足器件供料的需要，需要重新设计、制造和测试特定的机械结构。一般情况下，这种特定的工具不能很便捷的适应产品的变化。
通常电路板的传输系统也必须配备好。需要配置一个徐徐移动的传输系统，将其纳入机器人操作的设计中去，将PCB组件在操作范围内进行传输直到实现贴装操作。
在许多情况下，专用的棘爪对于将电路板通过机器人操作区域是必须的。因为对一些异型器件的插入来说，需要施加一定的压力，在传输和装配的过程中，金属结构件被频繁的使用以支撑电路板。
过时的威胁对于采用机器人操作来说是最大的问题之一。过时的机器人常常被堆在一个角落，积满了灰尘。它们针对特定的产品进行设计制造，但是寿命却很短，对于这种特殊类型的专用设备来说，销售市场很缺乏。
一台贴装设备可以利用附加的机器人，这样它的价值会提高几个档次。正如所指出的那样，机器人趋向于高度专业化。一般情况下，不太适合产品在装配过程中只需要很简单的作些变化的应用场合的使用。由于产品开发研制的时间周期变得非常短，缺乏灵活性的机器人操作成了一项很大的问题。作为贴装设备来说，最主要的重要优点也在于此，当用于异型器件的贴装的时候，它们仍保留有以相当高的速率贴装绝大多数常规的器件。如果说异型器件的贴装需求减少或者说消除的时候，一般贴装设备对于生产制造环境来说，仍保持了投资价值。
5、实现标准的异型器件贴装
异型器件的自动化贴装设备在过去的几年时间里有了很大的发展，为了实现用标准化的设备来贴装异型器件，克服了三大主要障碍：装配、元器件操作和视觉检测。
标准的装配设备已经可以很方便地实现异型器件的拾取和贴装工艺操作。无论对机器人操作还是贴装设备来说，标准的器件供料装置可以以一种类似的方式来对付差异性非常大的器件。在能与标准的表面贴装元器件边靠边的贴装异型器件的设备和软件的开发过程中，器件交付形式的标准化是非常关键的因素。
随着对组装中障碍的克服，下一个挑战来自于器件的操作，以及制造厂商开发在电路板范围内特殊的真空吸嘴和机械夹盘，以实现异型器件的拾取和贴装操作。
新的柔性化贴装设备（举例来说如Fuji公司的 QP-341E 和 QP-351E）能够采用机械夹盘作为其组成部分，来进行异型器件的拾取和贴装。异型器件能够采用带轮形式、条状，或者型模托盘进行供料和贴装，与此同时贴装设备仍然具有实施全方位的标准表面贴装能力。可活动的真空夹子能够用在标准的吸嘴装置上，从而允许设备在可抓表面积不是很充分的情况下面抓紧和运载器件，以适应标准的真空操作需要。
机械夹盘在制造时要考虑能够适应各种各样的表面结构配置需要，以适应绝大多数的器件形式。它们能够采用定制的方式来适应非标准化的器件，以及未来的器件设计需要。能够满足标准器件拾取的真空系统使用小的活塞提升，以启动机械夹子。
如果说产品发生了变更或者对异型器件的贴装进行变更或者取消，设备可以很简单的复原到它的原始设计状态。它仍保留了有价值的产品生产线，可以适用于各种标准的表面贴装器件。
6、结束语
各种异型器件的自动化贴装正在呈现出不断增长的势头。同样元器件制造厂商也不断地进行新的设计或对产品进行创新，他们研究组装的各种可能性。越来越多的电路板制造商得到了这种技术进步所带来的好处。生产率提高所带来的另一个好处在于削减了昂贵的生产周期。随着制造厂商获取了越来越多的经验，整体的工艺解决方案将不断完善，其中包括新的经验，以及战胜来自于电子组装方面新挑战的能力。
对许多在产品中使用的元器件来说，使用自动化设备进行贴装依然存在着各种困难，使用自动化异型器件贴装工艺处理办法可以提高质量、降低返工、有助于提高加工速度，以及提高生产率和收益率。人们仍然会采用机器人操作方式，它将提供异型器件的自动化贴装方式，它们能够有助于获得更为良好的结果。但是，对于自动化异型器件的贴装来说最大的优势在于可以依然采用标准的贴装设备。
表面贴装设备要求能够高水平的满足良好的工作，以及最新推出的封装器件的贴装要求，元器件的操作和视觉系统可以满足现如今的生产环境要求。这些技术的不断研发加速了异型器件从传统的手工贴装操作向自动化操作的转换，也只有这样，企业才能保持在市场上具有强有力的竞争地位。
参考文献
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