微波多芯片组件自动贴片常见故障及处理

2020-02-21 作者: 魏晓旻

电话:15339692539

微波多芯片组件自动贴片常见故障及处理

魏晓旻,王运龙,张 孔

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

  要:以Datacon 2200 evo多功能贴片机为例,介绍了动臂式贴片机的贴片工艺流程,探讨了自动贴片中常见的故障现象和处理方法。

关键词:贴片机;微波多芯片组件;自动贴片;故障

The Common Failures and Treatment Methods for Microwave Multichip Module Automatic Mounting

WEI Xiaomin,WANG Yunlong,ZHANG Kong

(The 38th Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

Abstract: Taking Datacon 2200 evo multifunctional mounter as an example, this paper introduce the placement process of arm-type mounter, and discusses the common failures and treatment methods in the process of automatic mounting.

Key words: Mounting machine;Microwave multichip module;Automatic mounting;Failures

微波多芯片组件(MMCM)是将多个裸芯片与芯片电容、薄膜电阻、电感等无源器件一起高密度组装在多层微波电路基板上形成的微波电路组件。微组装技术是实现微波多芯片组件向小型化、轻量化和多功能方向发展的重要技术途径。而随着电子制造技术与智能自动化技术的飞跃发展,微组装装备已从原来的劳动密集型的手动设备转为技术密集型的自动化设备。采用自动化装配替代手工操作不仅可以大幅提高微波多芯片组件的组装效率,还可以提升组装的一致性和可靠性。贴片机作为微组装生产线中的关键和核心设备,其实质上是一种光、机、电、气一体化的工业自动化设备。通过光学识别和数字化定位将电子元器件准确安装在设计图纸所指定的位置,实现了高速度、高精度、高密度的自动化贴装。本文以Besi公司的Datacon 2200 evo多功能贴片机为例,对自动贴片的工艺流程步骤作了简要介绍,并对该型号贴片机应用于微波多芯片组件自动贴片中发生的常见故障进行了描述和分析,提供了相应的故障解决手段,对于同类型和其它型号贴片机用户具有一定的借鉴意义。

1 动臂式贴片机工艺流程

动臂式(又称拱架式)贴片机分为单臂式和多臂式,是很早就得到推广应用的贴片机。它具有精度高和灵活性好的特点,适用于各种尺寸和形状的元器件贴装,也能够贴装小型片式元件,但其贴片效率低于转塔式、复合式等高速贴片机。动臂式结构常用于多功能贴片机,主要用于多种IC封装和异型大尺寸元件贴装,以及中小型片式元件小批量生产领域。本文中介绍的Datacon 2200 evo为单臂式贴片机,具有一条可以在X和Y方向上同时移动的动臂。动臂端头安装的贴片头可以在Z方向上移动和在θ方向上旋转,用于更换吸嘴,并进行图像识别。所有元件的吸取和贴装都是由选定的吸嘴在识别、定位系统的配合下由计算机控制完成的。

Datacon 2200 evo贴片机的贴装工艺流程如下:

(1)基板传送并固定:载有基板的工装由传送机构传输到贴片位置后夹紧固定,再由贴片头上的摄像机对基板上的标识点进行识别对中,得到基板的精确位置。

(2)测高:贴片头根据程序的设置移动到吸嘴架拾取指定的测高吸嘴后移动到基板上方精确测量测高点的高度。

(3)换吸嘴:贴片头根据程序中设定的各种元件所使用的吸嘴要求,移动到吸嘴架将原有吸嘴替换为相应的吸嘴。

(4)识别吸取元件:经由摄像机对元器件做识别对中处理后,吸嘴移动到相应的元件中心吸取元件。

(5)视觉检查:贴片头移动到视觉检测摄像头上方对元件背面进行检查以判断元件好坏。未通过检查的元件送入废料盒,通过检查的元件由贴片头做纠偏和对中处理。

(6)贴片:根据视觉检查结果和存储的贴片位置信息,吸嘴携带元件移至基板上对应的贴装位置进行贴装。

(7)根据工艺表中的贴片顺序重复(3)—(6)的步骤直到所有元器件都贴装完毕。

(8)下板:完成所有贴装工作后松开夹具,通过传输机构将载有基板的工装送出贴片机。

其贴装流程图如图1所示。

图1 贴片工艺流程图

2 常见故障及处理

按照贴片工艺流程图所示的步骤,下面对自动贴片作业中常见的故障及其处理方法逐一进行介绍。

2.1 基板识别不良

基板识别不良包括无法找到标识点或者标识点匹配度不满足要求。对于前者,主要原因是载有基板的工装反向入轨,或者单个基板在工装上放置方向弄反了。另外可能的原因是基板在工装上未安装到位,高度偏差过大,导致下视摄像机识别时基板不在其焦距内,发生离焦导致无法识别。相应的处理方法是确保基板入轨方向正确和安装到位。对于后者,产生的原因是标识点图形的基板个体间一致性较差,满足不了设定的匹配度要求。采取的处理方法是选取一致性较好的图形作为标识点,避免匹配度要求设置过高。  

2.2 吸嘴头抓取故障

故障现象为贴片头从吸嘴架卡槽中抓取吸嘴头失败,无法正常更换吸嘴。发生此故障的原因为吸嘴头或存放吸嘴头的卡槽经长时间使用有磨损变形。解决办法是更换吸嘴头或者变更吸嘴头的存放卡槽。

2.3 元件识别错误

元件识别是在一定的光照条件下由摄像机提取的元器件外形或表面特征图形与预先保存的模板进行匹配比对的过程。由于摆放在华夫盒(Waffle Pack)或凝胶盒(Gel Pack)中的元件表面与水平面的夹角不一,个别元件对灯光的反射过强或过暗,就会导致摄像机无法提取出足够多的有效特征图形来进行比对和匹配,发生不识别或识别错误的情况。这种现象偶有发生,无法通过调整光照参数和重新设置模板元件参数完全消除,属于不可避免的正常现象。其它识别错误根据原因不同主要分为:

(1)元件排列位置及间距改变

当元件的排列方式发生变化后,下视摄像机依据原有参数移动到元件排布阵列的各个节点搜索目标元件时,在摄像机视窗范围内会出现无法搜索到元件的现象。这样就需要按照来料的实际情况重新设置搜索起始位置和元件排布阵列的行间距和列间距。

(2)元件外形尺寸变化

对于表面没有电路图形的片式电容等元器件,视觉识别是通过比对元件的外形尺寸大小来进行的。若来料的尺寸一致性较差导致无法识别时,可以适当降低匹配度要求,增大容许误差。针对尺寸变化较大的不同批次,可以重新编程设置合适的元件外形尺寸参数。

(3)元件识别参数设置不当

元件识别参数是在编程人员“示教”视觉识别系统识别一个标准模板元件时由计算机系统自动记录的包括元件大小、光照强度、标识图形、搜索区域、匹配程度等参数。如果编程时选取的标识图形不具代表性或采用的识别条件有问题,也会引起元件识别错误。有效的解决办法是选取具有广泛代表性的特征图形作为标识点在合适的识别条件下重新“示教”一遍,替换掉原有的识别参数。

2.4 元件吸取不良

元器件由吸嘴从料盒中吸取出来再贴装到基板上的过程中,会产生无法吸取、吸取后脱落等吸取不良的故障。这些故障不仅会造成大量的元件损耗,还会大大降低贴装效率。根据经验,造成元件吸取不良的原因通常有以下几种:

(1)真空负压不足

当真空负压不足时,吸嘴无法获得足够的吸附力对元件进行稳定可靠的吸取。因此,在日常使用中需要定期检查设备的真空度,必要时对真空泵内部进行清洁并更换污染的真空过滤芯。

(2)吸嘴故障

吸嘴磨损变形、堵塞、破损或者安装不当都会造成气压不足,导致吸不上元件。所以需要定期检查吸嘴,排除故障。对无法继续使用的吸嘴应予以更换。

(3)吸嘴选型不当

多种元件采用Gel Pack包装,芯片黏附在Gel Pack盒中的粘膜上。因此,在进行吸嘴选型时,不仅要考虑元件本身重力,还必须考虑到元件与粘膜间的黏附力。如果选用的吸嘴提供的吸附力不足,不能够充分克服元件重力和黏附力之和,就会发生吸取不良的现象。

(4)吸取高度不当

理想的吸取高度是吸嘴接触到元件表面时再往下0.05 mm。若吸嘴下降距离不够,未触碰到元件表面就进行吸取则可能吸取不上元件;反之若吸嘴下降距离过多,会造成元件被压进料槽里卡住,无法吸出。解决这一故障的办法是根据具体情况正确设置元件的吸取高度。

2.5 视觉检查错误

视觉检查的目的是通过对元件背面识别剔除掉缺损、崩边、背金缺失等不合格元件,并对合格的元件做纠偏和对中处理。常见的视觉检查错误是将实际合格的元件错判为不合格元件而送入废料盒,造成这种视觉检查错误的原因如下:

(1)吸嘴材料的影响

常用吸嘴材料有钨钢、树脂、橡胶等,如果所选材料的颜色和光折射率与元件背面材质的颜色和光折射率接近,视觉系统在光照下识别时获得的图像会受到吸嘴轮廓的干扰,导致无法获得元件的实际轮廓,从而影响到元件背面的正确识别。根据经验,应尽量选择颜色较深、表面粗糙、光折射率小的吸嘴材料以避免上述现象的发生。

(2)来料问题

有些厂家提供的元件一致性较差,批次间差异会对视觉检查造成直接影响。如元件的外形尺寸发生变化,造成原有外形尺寸参数不再适用,或者元件背面的表面粗糙度发生显著变化,由亚光面变为镜面或由镜面变为亚光面,导致原有光照参数不再适用。针对以上问题,需要根据新的元件重新设定识别参数。

(3)镜头上异物的影响

上视摄像机镜头前面装有玻璃镜片,其作用是阻止灰尘、杂物、元件的落入,防止它们污染和损伤镜头。如果镜片上积聚的灰尘和跌落元件过多,影响到光源强度和吸嘴上元件背面的成像,就容易引起视觉检查错误。因此,要定期清洁镜头和镜片,减小了镜头上异物引发的识别故障发生的概率。

2.6 贴片位置异常

元件吸取后未能贴装在基板上的指定位置,其发生的主要原因有以下几种:

(1)机器系统偏差

贴片机长时间运转后,如果所有元件的贴装位置统一向一个方向偏移相同距离,则极有可能是设备的系统偏差造成的,即机器的基准点位置发生了漂移,需要重新执行自动校正来消除系统偏差。

(2)基板移动

由于所有元件的贴装位置是在识别基板时确定的,所以在贴片过程中一旦发生基板移动,随后的贴片位置都会产生相应的偏移,造成贴片位置异常。基板移动的原因可能是工装夹具松动,也可能是传送带上其它工装的撞击。排除故障时需要根据实际情况找到故障原因加以消除。

(3)贴片高度不当

如果贴片时吸嘴在元件还没有触碰到涂有导电胶的焊盘时就将其放下,元件会在贴片头高速运动的惯性作用下偏离设定的贴装位置。纠正措施是对吸嘴和基板重新进行测高,消除高度误差。

(4)吸嘴变形

各种材料的吸嘴都有一定的使用寿命,经过长时间使用后不可避免会产生吸嘴变形问题。比如橡胶吸嘴在长时间的载荷作用下会发生不可逆转的弹性形变,或者树脂吸嘴长期使用后头部会发生磨损变形。另外,其他一些因素如跌落和撞击也会造成吸嘴头部变形。当上述因素导致吸嘴头部发生显著变形时,就会使得吸取的元件显著倾斜于基板表面。然后在元件下降接触基板的过程中,元件与基板间倾斜角的存在会使吸嘴下压时对元件产生水平方向的推力,从而使元件发生旋转和偏移,造成贴片位置异常。检查更换有问题的吸嘴可以很好的解决此类问题。

3 结束语

自动贴片机是一种精密机械电子设备,需要进行定期维护,更换不良零部件,保持设备处于良好工作状态是减少生产时发生故障的解决办法。本文介绍了生产实践过程中总结的一些常见故障和处理方法,以便为工程技术人员和设备操作者提供借鉴和参考。遇到类似故障时,只要充分掌握了设备的工作流程以及各步骤之间的逻辑关系,详细了解特定故障发生的部位、环节、程度,以及故障发生前的操作过程,分析推断出故障产生的根本原因,采取积极有效的应对措施,更有利于故障排除。

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[5] 钱佳敏. 动臂式贴片机的数据驱动与路径优化[D]. 成都:西南交通大学,2011.

作者简介:

魏晓旻(1978-),男,博士,高级工程师,主要从事微波电路基板和微电路组装方面的技术研究工作。