產品的未來規劃也許是一種宏觀的理論構想,但 五年或十年后的組裝需求就有著非常重要的 現實意義了.貼片設備的使用壽命可以達到七 年或以上,因此可以使用到 2017 年甚至更長時間.正在 尋求生產線升級的裝配廠商們現在不僅需要關注當今的產 品要求,還應了解其下一代產品的要求.未來五年內,手 機、計算機和其它設備將會如何發展？這就決定了他們的 組裝要求.
電子產品的組裝,其精髓就是用最短的時間貼裝最多 的貼片組件,而且做到零缺陷,零浪費.因此,貼片時最 重要的因素就是實際產出（這取決于機器設計、拾取率和 工作負荷平衡）、產品質量（精度和成品率）以及真正用 于生產的時間（受換線時間、維護、維修和其他生產準備 的影響）.現在,產品要求更短的開發時間和更強的個性 化定制.越來越多的廠商連大產能生產線也要進行高產能- 混合生產,甚至用它生產一件產品用于原型機測試（最好 在將來要用于大批量生產的機器上進行）.有些特殊的訂 單,客戶通常只提供一套料生產原型機, 這樣只要一個缺陷就能導致整塊電路板報 廢.
盡管 BGA 等大尺寸 IC 是印刷電路板上 最顯眼的組件,但通常只有三四個,相比之 下小組件多達百個以上.因此,小組件及其 間距極大程度上決定了封裝密度.組件間隔 將變得更緊湊,對精度和重復精度的要求也 更高.業內將會推廣厚度減半（因此特別脆 弱）的組件,以及尺寸僅為 01005 組件四 分之一的0050025芯片（長 x 寬 = 0.2 x 0.1mm）.這些更小、更薄的組件將被嵌入 到印刷電路板中或IC 的下方.對貼裝設備的 真正考驗是看它是否能完美貼裝最小的組件 （01005 芯片電容器和電阻）和最大的組件 （帶有大量小間距焊塊的倒裝片和IC）.除 了更嚴格的精度要求之外,還需要更小的貼 片力以防止組件破損.要滿足所有這些性能要求（它們間常 相抵觸）,貼片工藝就需要有格外嚴格的要求.貼片設 備必須更快更小,貼裝精度也要更高.機械臂移動時須平穩、可控,避免震動,以免精度降低和縮短機器使用壽命.機器須簡單易于維護,貼片工藝本身要經得起時間考驗.
業內兩種主流的貼片技術
貼片性能的主要影響也許在于工藝本身.目前業內 有兩種主流的貼片技術：順序貼裝（旋轉式貼片頭,多 次取料后進行多次貼放）和并行貼裝（單次拾?。瘑未?貼裝）.
順序貼片機一般有一個或兩個貼裝機械臂, 每個 機械臂都帶有多個真空吸嘴的貼片頭.貼片頭旋轉,順 序拾取組件,直到所有可用的吸嘴位置上都吸附組件, 然后再將所有的組件順序貼裝到印刷板上.盡管順序貼 片機可配備多個機械臂,但它采用的仍然是多次拾取后 再多次貼裝的方式.并行貼片機則相反,配備多個機械 臂,每個機械臂上的獨立貼片頭不多（有時甚至只有一 個）（圖 1）.兩種貼片技術的根本區別在于,真正的 并行貼裝技術中每個貼片頭每次只處理一個組件.
順序貼裝實際上是通過幅度較大的加、減速來實現 快速移動.這就意味著,元件要承受很大的外力（尤其是旋轉產生的離心力）,甚至在元件對中后這些外力的作用仍在,這會降低貼裝的精度.而并行貼裝以較為平穩的速度傳送元件,加、減速幅度較小.旋轉力也近乎為零,通過元件在錫膏上的自對齊操作,可以抵消輕微的旋轉力.從拾取到貼裝只有一次 x-y 向移動,也就是說每個元件只經歷一次加、減速,同樣向下也只有一個平穩的z向移動.移動過程在加速后開始線性移動,除了吸附元件的吸力之外,元件沒有受到其它任何力的作用.
連續的組件位置監測意味著被吸附的組件不會發 生位置偏移.此外,每個貼片頭都配備了電路板檢測相 機,這樣電路板檢測相機和貼片頭的相對位置是完全固 定的.
在每個拾取周期內,并行貼片機會檢查是否存在組 件,檢查拾取高度,校正任何組件位置偏差.在貼裝周期 內,貼片機會檢查組件是否仍然在位并精確對中（圖 2）, 以恰當的力度貼放（輕而易舉,因為每個貼片頭上僅吸附 一個組件）,然后檢查貼裝后的組件.重要的是,并行貼 裝通過阻止缺陷的發生,從而提高貼裝質量.
無論貼片機如何設計, 如何提高精度和重復精度 都是一項挑戰, 而對于順序貼裝來說, 做到這一點更 為困難.要實現生產的零缺陷,需要（例如）減少機器 震動,那么貼片頭在運動后必須有時間來穩定.如今, 這兩種類型的貼片機每小時都能貼裝 10 萬個以上的組 件, 但是設備裝配商應謹慎地看待這些對外宣傳的數 字,即使是所謂的IPC 9850 標準產能.實際上并行貼裝 設備的產能會超過IPC9850標準下的產能,而許多順序 貼片機的實際產能則會大打折扣.
根據日本高級電子封裝行業發展規劃的預測, 到2017 年行業將需要每小時可貼裝超過 15 萬個組件的貼片設備.因此對于設備裝配商來說,每平方米生產場地 的貼裝率將成為一個主要的效績指標.Assemblon 的 AX-501 貼片機的占地面積僅為 6 平方米多,IPC9850 產能卻達到每小時貼裝 12.1 萬個組件,完全達到了美 國iNEMi 2017 行業發展規劃的要求.
整線不平衡制約了生產的可計劃性
IC 的貼裝,即使能以極高的速度貼裝小組件和小型 IC 也沒有多大的意義.因此,對于順序貼裝來說,生產線 的平衡是個關鍵,也是難點.通常需要多種類型的貼片 頭來處理各種尺寸的組件.交換吸嘴是個辦法,但這也 會減少貼片產能,結果造成生產節拍不平衡.即,貼片 頭貼裝小型組件時全負荷工作,而貼裝大型組件時,有 時會有四分之三的時間處于空閑狀態.
并行貼片機的每個貼片頭可處理更多種類的組件 尺寸和類型, 具有更平衡的生產節拍和更高的實際產 出.因此可以不受組件混合的影響而較準確的規劃產 出.Assemblon 的并行貼裝設備有三種機械臂選擇. 窄型機械臂貼片頭用于貼裝小組件和小型I C .標準機 械臂貼片頭用于貼裝小 組件、大尺寸 IC、CSP 和倒裝 片.最近由推出了雙貼裝機械臂（TPR）,可貼裝的組 件與標準貼片頭相似（還可以從送料盤中拾取組件）, 但高速貼片的精度可達到 25 微米.
配備了 TPR 的 Assemblon A 系列貼片機就是能 同時處理小組件和 IC 的高速貼片機.它可處理所有主流
IC（包括裸片、疊層芯片、層疊封裝和系統級封裝）.
選擇正確的生產線設置可確保生產線運行順暢,無 需切換貼片頭（圖4）.雙貼裝機械臂（TPR）每小時最 多可貼裝 1.6 萬個大尺寸 IC.加上 AX-501 上的其它機 械臂最多可同時貼裝 9.4 萬個小組件,也就是說,它的 產能超過了 2017 年行業產品發展規劃的要求.此外, 它還能確保生產線的良好平衡,適于生產固態硬盤、閃存和 DRAM 模塊等含有較多 IC 組件的印刷電路板.
調研整個貼片工藝
便攜式設備中的組件密度現在已經達到每平方厘米 50 個組件以上,在未來十年內還將上升到每平方厘米 80 個左右.為了實現這一目標,在消費類電子產品和其 它主流生產中,現有的 0603 和 0402 芯片將被 0201 甚 至是 01005 類型的芯片所取代.但是,使用 0201 芯片 時,順序貼裝仍然會有成品率的問題,更不用說 01005 芯片.對新技術和設備裝配小型化的主要驅動商 智 能手機制造商來說,這更是一個切實存在的問題.在這 樣一個動態的高價值市場上,低成品率的代價顯得更為 沉重.
如今,在半導體模塊或 SIP 中經常使用到01005芯片,它的尺寸為0.4 x 0.2 mm,貼裝時組件間距只有 50 微米（使得局域密度達到 300/cm2）.許多制造商認為,使用他們的當前設備進行主流生產時,改用01005芯片幾乎是不可能的.而采用并行貼裝設備時就沒有這樣的問題,而且并行貼裝對于0201和01005 芯片都能實現個位數的dpm.
這些組件的可靠貼裝需要整個組裝工藝流程 的配合.在生產線末分析產品時,多達四分之三的 缺陷可以追溯到不良鋼網印刷.對于那些既有超小 型組件又有連接器或其它較大部件的電路板來說, 問題尤為嚴重.不同尺寸的組件需要不同數量的錫 膏,以確保 pcb 上數千個連接中的每一個都可靠無誤. 由于焊盤和絲網孔徑變得越來越小, 間距也越來 越小,有新的因素影響錫膏的成型.即使是微小的工藝 變化也會影響重復精度,特別是刮刀頭角度和速度的變 化.Assemblon的MCP絲網印刷機采用了創新的刮刀 頭設計,采用可變迎角印刷,無論鋼網厚度如何變化, 仍可保持恒定的印刷壓力.該印刷機的生產節拍只有短 短的 11 秒,它可是首個能匹配貼片生產線的鋼網印刷 機（另一種形式的產線負荷平衡）.
01005 芯片貼片工藝的另一個關鍵部分在于送料. 傳統的 W8P2 紙質料帶無法保證料槽尺寸,從而增加 了拾取故障和貼裝不良的風險.撕開紙質料帶上的封裝 膜還會釋放出大量紙屑微塵,造成超小型組件的焊接不 良.可靠的貼裝需要更新型的 W4P1 料帶,其寬度為 4 mm,步進為 1 mm.料帶有制作精確精細的料槽,還 能防靜電,以免料帶脫膜過程中組件被摔出去.防靜電 聚碳酸酯料帶也完全不會產生紙屑,從而確保更高的成 品率成就最終產品的質量水平.
元件的要求決定了貼裝精度
牋由于組件會在焊盤上自行修正,如今的 40微米貼裝 精度已經足以用來貼裝 TSOP、FCIP（封裝倒裝片）、 FLGA（細間距 LGA）、CSP 和 QFP（四側引腳扁平 封裝）,甚至足以滿足未來的應用（圖5）.即使有預 測說,在未來五年內每個 IC 上的 I/O 會從約 3 千個 增加到近 1 萬個（組件尺寸增加到 50x50mm,間距 僅減少到 300微米）,也不會改變這一事實.超細間距 部件如 FBGA（細間距 BGA）、倒裝片和 BGA 的精 度都只需要達到35微米@3-sigma.這精度完全涵蓋在 Assemblon AX-501 TPR 貼片頭25微米的精度中, 并且這一數字還會在五年內降為 10微米（實驗室中已成 功實現）.
對于小組件來說,40 微米的精度已經足夠好了.但 是,需要將芯片嵌入 PCB 時,情況就發生了變化.這些 無源組件的銅質端子沒有錫膏直接是銅對銅的接觸.
由于這些組件不會自行修正,因此貼裝組件的精度 需要達到 20 微米或更高.
貼裝時既不能受到任何突然的震動也不能有偏移,因此需要采用設置校驗和自動校準等技術來保持重復精度.也許這就是生產線的關鍵參數, 因為它決定了返 修率和廢品率.要知道隨著每個新生代設備的問世,返 修越發困難了,而完成貼片的電路板又是極其昂貴的, 這些都從根本上決定著每次貼裝的成本.并行貼裝的 dpm（每百萬次貼裝的缺陷數）可以達到個位數.對于 任何高于這一數字（業內通常為 50dpm）的復雜電路板 生產,其成品率都會讓人頭疼.這就是 01005組件被公 認為難以貼裝的主要原因.
對于0050025（0.2 x 0.1 mm）芯片、將被 嵌入PCB中或是放在IC下面的厚度減半元件來說,可靠 貼裝更加困難.這些元件更為脆弱,因此需要更小、控 制更得當的貼片力來防止元件破損,貼片力甚至要降到 0.5 N.沖擊力由貼片頭沖擊時的速率、貼片頭的質量和 貼片頭接觸點的剛性所決定.并行貼片頭更輕,更便于 在貼裝之前降低吸嘴在安全區域的速率,從而消除 沖擊力.閉環控制系統確保了釋放元件之前靜態貼片力 控制在正確的數值內.從貼片力要求的遠景看,它的將 下降到 0.5 至 1 N（目前在 AX-501 上為 1.5 N,AX-
201上為 0.9 N,這些數據將來還會得到進一步改進）.
真正用于生產的時間
以上所有因素加在一起,決定了貼片機的使用壽命 內的貼片成本.機器的可靠性也是一個關鍵問題,并行 貼裝的理念簡單優勢明顯.順序貼裝通常需要每個機械 臂使用 4x12 圈的旋轉式貼片頭完成 100 個周期,相比 之下同等情況下的并行貼片頭只需 40個（并行8個機械 臂）.這意味著磨損更小,使用壽命更長,MTB F（平 均故障間隔時間）更長.
設備制造商的實際產量是元件貼裝率數字下產出的 產品、成品率和真正用于生產的那些時間（圖6）.相 比順序貼裝,并行貼片頭更小、更輕,也更簡單.每次 貼裝時精確控制的微小沖擊和靜態壓力也使得吸嘴的磨 損更少,從而使它經久耐用.因此,維護和維修更加簡 單.每小時貼裝 100kcph 以上的設備年度計劃內維護時 間僅需約 50個小時.順序貼片機通常不能離線維修,而 且校準步驟較多,MTTR（平均維修時間）更長.
除了需要全程注意之外,順序貼片機一般每年需要 300個小時的計劃內維護時間.即每年要損失10多天的生產時間.
由于組件和組件間距日益縮小,這些因素對于設備 制造商的收益率來說也越來越重要.不同的應用有其各 自的特殊要求.汽車、計算機系統／服務器和通訊基礎 設施等注重安全的設備,其系統性更為復雜,組件數量 更多.這就需要更低的 dmp 缺陷率來成品率.通訊、 計算機和消費類（3C）設備不斷向更高的混合性和更小 的批量轉化.這就更確切需要即上線即生產來實現更快 的新產品導入,避免過多的操作員培訓.
最后一項要求,也是一個越來越重要的要求,就是 對于大產能、高混合制造來說軟件必須覆蓋整個生產線 自動化流程.工廠軟件一般能夠處理大產能／低混合或 低產能／高混合的制造流程,但還不能完美地應用于必 須經常換線的手機和其它類似產品的大規模生產線.
現在,組裝同一產品系列中的產品時,可以立即完 成換線.但是委托加工制造商特別需要減少送料器更換 次數并改進生產計劃安排,以確保在全部生產時間內以 100% 的最大速度運行生產.為了進行大產能生產,需 要進一步升級性能監控、組件供給、倉儲連接和設置校 驗系統以最小化成本.
軟件要與企業資源計劃系統相結合, 即使在以最 高速度貼裝時,也要保持元件庫存處于較低的水平.還 需要與倉庫設備相結合,以在適當的時刻為生產線提供 新的料卷,從而便于操作員及時拼接料卷以保證生產持 續性.
所有這些都需要通過開放式軟件將制造商的各個獨 立的制造執行系統整合到一個單獨的、完美集成的工藝流程中.
