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SMT生产线结构

发布时间:2009-02-10 阅读: 15668

SMT生产线,一般我们印象里,只要是大量又高速的事物,通常都是沒有什么弹性可言的。因为就一般逻辑判断上来说,它们彼此是有一点冲突的。比如说:汽车在高速行驶时,它的扭力是最低的,所以只要有一点点上坡就爬不上去。同样的,在汽车低档起步时,它的扭力是最高的,可是速度卻一点也快不了。而SMT就像是一部车,除了起步快之外,它还能高速爬坡。很神奇吧!市面上应該找不到这样的车子吧!
关于SMT生产线的弹性,可以从两方面来谈:
1. 自动化程度高低有弹性
厂商可以根据它的厂地空间、生产型态,来决定SMT的自动化程度高低。也就是说:厂商可以根据自己的实际状況,来规划全自动化的SMT生产线,或是分段式自动化(半自动化)的SMT生产线。亦即SMT完全可以量身订做!
2. 产能需求规划有弹性
厂商可以根据本身的产能需求,来规划一条适当的SMT生产线。由于具有模组化生产的概念,所以SMT几乎可以满足大多数的产能规划,从少量多样到大量生产都沒有问题,如果你的厂地大小,及投资金额沒有限制的話。当然如果规划的是少量多样的生产模式,那么就必須牺牲一点生产效率。
正因为SMT产线拥有极佳的规划弹性,所以在电子组装现场,几乎都可以看到它的蹤影。不过正因为高度的弹性化,卻也为新导入者带来评估上的困扰。因为要考虑的因素實在不少,这对一个沒有经验的人来说,可是一项庞大的工程。而错误的评估,将导致实际产能与需求不符合、生产效率欠佳、預定生产时程的延误、增加人力的负担及品质异常的大量出现。所以评估作业可是轻忽不得!
SMT生产线,依照不同的状況而有不同自动化程度的配置,以满足实际生产的需求。SMT产线主要分为全自动化及半自动化,特分述如下:

 


全自动生产线
亦即空的PC板,从送板到完成零件著装后的收板,以全自动的方式完成SMT所有制程。包括:锡膏印刷、零件放置及零件焊接等各站作业。和半自动比起来,全自动化生产的优点是:
a.減少人力成本 - 由于全自动化生产,所需人工作业減少。每条线通常1~2人作业即可。
b.生产品质稳定性高 - 几乎所有作业均由机器完成,因此只要机器的设定及操作正常,基本上品质不会有很大的变化(制程问题暂不考虑进来),因为大幅降低了人为因素。
c.生产效率高 - 除了補、换料作业外,沒有多余的人工作业参杂其中,所以比较不会造成时间的延误。
d.每日产出固定 - 当机器的设定参数经过最佳化后,每个单位时间的产量一致性很高,除非中途发生机器故障。
而全自动化生产线的缺点是:
a.生产线无法做弹性安排,必須一批量做完,再换线生产另一批量产品。
b.由于全制程均由机器设备来完成作业,所以设备精度要求及投资金额较高。
c.机器设备通常是直线串起来生产,生产线空间规划比较沒有弹性。
2.半自动生产线
依实际生产需求,一般有从锡膏印刷机或回焊炉,在制程上切开两种方式。好处是可以以一台锡膏印刷机,同时供应两条生产线。或是两条生产线,共用一台回焊炉,以降低设备投资金额及增加设备之产值。另外由于半自动生产线,其前后有一段制程被切开,故在产线空间有限的状況下,可以有比较弹性的规划。而缺点当然就是:需要较多人工作业,同时也增加了作业品质的不稳定性。   
 
 

 


SMT生产线的第一站及最后一站,分別为送板机与收板机。主要的功用是,将尚未组装零件的空PCB,一片接著一片自动送进SMT生产线上,依序在SMT各制程上进行,锡膏印刷、零件组装及加热完成焊接等工作。这些完成焊接工作的PCB,再依序一片接著一片进入收板机存放,至此算是完成SMT的生产作业。若該产品还有DIP零件,则再转至DIP线完成后段插件的工作。
锡膏印刷算是SMT制程的第一站。当空的PCB进到本站,则由锡膏印刷机,完成锡膏的印刷作业。在本站除了锡膏印刷机,是主要的自动化设备外,还需要两样材料配合来完成。一个是锡膏:它主要是用来作为零件与PCB之间的焊接材料。它的主要成分为锡鉛(Sn/Pb),由于鉛是有毒物质,因此在近年来的環保的要求下,已经被禁止使用了。现在的无鉛锡膏成分多为锡銀銅(Sn/Ag/Cu)。
另一个在锡膏印刷作业中会用到的材料是鋼板。它是一片不銹鋼板,並在零件所有接腳的相对位置,利用藥水蝕刻或雷射切割的方式,产生一个个的开口。而开口的形状、尺寸大小,则依不同的零件接腳而不同。也就是说PCB上,所有要焊接的零件,其接腳都要有相对应的开口,这样在印刷作业时,焊材-锡膏,才会印到所有接腳的位置上,以便在后面的加热焊接制程中,提供适当的焊接材料。
而锡膏印刷机,依自动化程度的不同,分为自动、半自动及手动等形式。顧名思義自动即为:PCB自动送入,並在完成印刷作业时自动送出,期间完全不需人工作业,包含光學点的辨識与調整(为了提高印刷之精确度)。而半自动则是,PCB的进出部份需由人力来完成。至于手动就是,从PCB的进出到锡膏印刷,都由人力来完成,其所需要的就是一个印刷平台即可(一般稱手印台)。

 


自动印刷机除了節省人力外,它也可以提供一个高精度的印刷需求及高稳定性的印刷品质,当然机器设备的價位也比较高。不过对于要求制程良率的客戶来说,是不可或缺的设备。半自动印刷机除了需要人員取放板外,也要操作人員自己做鋼板与PCB的对位动作。由于对位是否确實,会直接影响后面印刷品质良率的高低,所以雖然相较之下,半自动印刷机價位较低,但对人員作业熟練度有较高的要求,而其作业稳定性也较差。而手动印刷部份,当然就是完全的人力作业模式。除了在實验室外,一般的SMT生产线几乎看不到,也需要師傅級的熟練度来操作,才能得到比较理想的印刷品质,当然也看产品本身的精度要求的高低。
SMT的第三站作业是零件组装(零件取置Pick&Place),也就是将零件依序,放在原本设计好线路上的正确位置。所以不同的电子产品,其零件数的多寡及零件种类也各不相同。实际執行零件组装的机器通稱为置件机(Mounter),目前市场上的置件机(Mounter)种类大致分为:
1.中高速机:负責Chip型(晶片型)及小零件的组装,如电阻、电容、电感、电晶体、二极体等。这类型机器的置件速度较快,但置件精确度较差。
2.泛用机:可适用于所有种类电子零件的组装,由于IC类零件是主要的组装对象,所以其置件精确度较高,但置件速度较慢。
3.模组机:同时并具中高速机与泛用机的特色,而且产能的扩充性更佳,是目前市场最流行的机型。
 模组机是Mounter设备,经过近二十年来的演变結果。从早期的小型零件及IC类零件,分別由中高速机及泛用机个別完成组装作业,到现在界线几乎已经消失了。而它所带来的好处是:SMT生产线的效率提高了,而且产能的扩充更有弹性,不再会受到机型限制的影响。
目前市场上Mounter零件组装的精度:Chip类零件大约在±50um,IC类零件则为±30um。零件组装的速度:Chip类零件大约在0.05~0.25秒/颗,IC类零件则为0.2~1.0秒/颗。当然不同类型的零件,和实际置件时所需的行程,也会影响其完成组装的时间。所以计算生产所需的Cycle time,通常不是先用软体模拟试算,不然就是实际在机器上跑过一遍,时间才不会差太多,进而使得預估的每日产能差距太大。

 


置件机通常也是SMT生产线中,投资金额最高的一项设备。依产能不同之需求,置件主机的采购金额大约从五佰到三仟萬台幣之间。除了主机之外,零件送料器(Feeder)也是一项不小的开銷。不同类型的零件,通常需要使用不同的送料器。所以送料器又可分为:卷带式(Taping)、管状(Tube)及盤式(Tray)。依照不同的零件包装方式配合使用,其中大部份的Chip型零件都使用卷带式送料器,小型双排IC(SOIC)及部份小型連接器型的零件,可能使用卷带式或管状送料器,而大型IC类零件则通常使用卷带式或盤式送料器。最后计算产品上所有零件的规格种类,每一个规格的零件至少要用一隻送料器,零件规格愈多当然就需要更多的送料器,额外多買一些换料、備份用的送料器也是必要的。
SMT最后一站制程是回焊作业(Reflow),使用的设备一般通稱回焊炉。也就是将PCB及上面所有已置放的零件,加热至锡膏的融解温度,把零件真正的和PCB焊接在一起。经过回焊制程才算是完成初步的组装作业。
在产品尚未经过回焊作业时,若有任何不良或异常,还可以即时进行修正,如缺件、偏移、反向……等。如果完成焊接后才发现不良,就必須进行維修作业(Rework),其所需的工时及工程都会变得比较庞大。所以在SMT生产过程,就要隨时注意制程的变化,及早发现问题並解决问题,就能避免后续庞大的維修工作负担。
 由于在回焊的过程,PCB及零件都要经过大约215℃的高温加热(无鉛制程约为235℃),所以SMT对零件的耐温都有一定的要求,一般SMD最高耐温要求约为250℃~260℃。部份零件早期为DIP形式,后来才因市场的需求改成SMD,但制造商可能忽略耐温的要求,也可能是在技術上一时无法克服,所以在SMT线上偶而会发现,有些零件会因为高温造成局部融化或爆裂的情形。
 回焊炉加热的方式,可分为紅外线(IR)、热风(Hot Air)及气相式(Vapor Phase)。紅外线顧名思義,就是利用紅外线燈管来加热。而热风加热就是利用鎳合金加热管,将空气加热再吹向PCB,就像家里用的吹风机一样。至于气相式,则是利用特殊气体沸点在215℃的特性,来对PCB及零件加热完成焊接作业。由于沸点是固定不变的,所以不会有温度过高,对产品造成損壞的情形发生。目前SMT市场上,则以热风式为主流。优点是加热的均勻性佳,不会有选色性及陰影效应。缺点是机器运转的噪音较高,且电源消耗较大。

 


回焊炉除了加热方式有所不同之外,氮气炉也是近几年非常热賣的产品。由于零件本身的金属焊接端面,和PCB的焊接点PAD,在经过回焊炉的高温作业时,会和空气中的氧分子結合造成氧化现象,进而影响零件的焊接性。而氮气是被普遍用来加在回焊炉中,以降低炉內氧分子含量的气体,以提升其焊接可靠度。氮气的供給方式,除了接氮气槽外,也可以接氮气产生机。
如果是持续大量的使用方式,氮气槽是比较理想的选择,但是它需要额外的置槽空地。而氮气产生机则适合不定期不定量的使用方式,除了产生机本身的设备费用外,还要搭配一台空压机,以及長时间运转下来的机器保养与维护费用。

 

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