LED貼片機技術應用與新進展

韓鵬飛，幸蘆笙，曾慶庚

(五邑大學信息工程學院，529020，廣東，江門)

LED貼片機技術應用與新進展

韓鵬飛，幸蘆笙*，曾慶庚

(五邑大學信息工程學院，529020，廣東，江門)

能源緊缺是這一時代面臨的挑戰之一，時下的霧霾多發更多地讓人們增加對綠色能源的關注。環保節能型產品更受到政府和人們的青睞。LED照明產品以其無可比擬的優勢有望在10年內代替人類使用近一百年的傳統光源，毫無疑問，LED照明產品正在迅猛發展。隨著LED照明市場的快速發展，涉及到LED貼片機的迅速發展，各種性能的LED專用貼片機都被研制。

能源緊缺；表面貼裝技術(SMT)；LED照明；LED貼片機

0 引言

介紹LED照明產業和LED貼片機之前，先大致了解一下當前時代下的大環境、大基調。

1)全球能源緊缺，世界各國都認識到核電站的安全問題；2)在節能減排這一大的政策背景下，環保節能產品必然應運高速發展；3)空氣質量下降，霧霾天氣的多發，引起人們對環境的重視，切身感受到善待環境的刻不容緩，節能環保產品更受青睞。

LED的內在特征決定了它具有體積小、耗電量低、壽命長、亮度高、發熱量低、環保、多變幻(在計算機控制下使紅、綠、藍3種顏色具有256級灰度并任意混合，從而形成不同光色組成)、技術先進(LED光源是低壓微電子產品，成功融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術、嵌入式技術等)這些特征和優點。所以在這樣的大的時代背景下，LED照明產品具有無可比擬的優勢，全新的LED照明技術有望在10年代替人類使用將近一百年的傳統照明技術。目前，LED照明產品的環保節能、高性價比特點已經被市場接受，同時各國政府紛紛出臺相關政策，逐步淘汰白熾燈，促進LED在室內照明中的應用，LED光產業亦將成為了解決能源和環境問題的代名詞，LED照明市場快速發展。這樣的快速發展必然涉及到LED貼片機、LED生產設備領域的快速發展。

1 SMT與貼片機

表面貼裝技術(SMT),也可以稱為表面組裝技術、表面貼片技術和貼片焊接技術等。它是一種將表面組裝元器件(SMD)安裝到印刷電路板(PCB)上的板級電子組裝技術[1]。目前，先進的電子產品，特別是在計算機及通信類電子產品中，已經普遍采用表面貼裝技術。圖1為SMT制造的印制板。

圖1 表面組裝印制板

1.1SMT的優點

SMT是隨著電子工業的發展而誕生的，隨著電子技術、信息技術、計算機應用技術的發展而發展的。SMT的迅速普及得益于它具有以下優點。

1)元器件組裝密度高，電子產品體積小、重量輕。

2)易于實現自動化，提高生產效率。

3)高可靠性。自動化的生產技術，保證了每個焊點的可靠連接，同時由于表面組裝元器件(SMD)是無引線或者是短引線，又牢固地貼裝在PCB表面上，因此其可靠性高、抗震能力強[2]。

4)高頻特性好。表面組裝元器件(SMD)無引腳或段引腳，不僅降低了分布特性造成的影響，而且在PCB表面上貼焊牢固，大大降低了寄生電容和引線間寄生電感，因此在很大程度上減少了電磁干擾和射頻干擾，改善了高頻特性[3]。

5)降低成本。SMT使PCB布線密度增加、鉆孔數目減少、面積變小、同功能的PCB層數減少，這些都使PCB的制造成本降低。無引線或短引線SMC/SMD節省了引線材料，省略了剪線、打彎工序，減少了設備、人力費用。頻率特性的提高減少了射頻調試費用。電子產品體積縮小、重量減輕，降低了整機成本。焊接可靠性好，使得返修成本降低[2]。

1.2SMT基本工藝流程

1)SMT是一個系統工程技術，圖2為SMT的基本工藝流程。

圖2 SMT的基本工藝流程

2)一條典型的SMT生產線如圖3所示。

圖3 典型的SMT生產線

由圖2和圖3可以大概知道：1)要組成SMT的生產線必然要有3種重要設備：印刷機/點膠機、貼片機、回流焊爐/波峰焊機,其中波峰焊這種工藝，隨著表面貼裝技術的發展，特別是底部引線集成電路封裝BGAQFN的大量應用，其作用愈發顯得有些不足，所以目前主流的還是回流焊這種工藝。2)無論是對于大型機廠商還是中型機廠商，經典的可以推薦SMT生產線一般由2臺貼片機組成，1臺高速貼片機(片式元件貼片機)1臺高精度貼片機(IC元件貼片機)，這樣各司其職，有利于整條SMT生產線發揮出最高的生產效率。但是現在情況正在發生著改變，很多貼片機生產商推出了多功能貼片機，使得SMT生產線只由1臺貼片機組成成為可能。1臺多功能貼片機在保持較高貼片速度的情況下，可以完成所有元件的貼裝，減少了投資，受到中小企業、科學院的青睞。

1.3最簡單的貼片機模型

如圖4所示，最基本的貼片機由機架、電路板夾持機構、供料器(沒有在圖中畫出)、貼片頭、吸嘴以及X、Y、Z軸組成[4]，其中Z軸除了可以Z向運動，還可以以θ方向轉動(以便調整元器件偏離焊盤的旋轉角度)。

圖4 最簡單的貼片機模型

1.4LED貼片機

泛義上講LED貼片機屬于表面貼裝技術(SMT)貼片機中的一種，隨著LED技術的發展，傳統SMT貼片機已不能滿足LED行業生產需求，此時LED貼片機便應運而生。

LED貼片機是專門為LED行業所設計定做的SMT貼裝設備，用來實現大批量的LED電路板的組裝。設備要求精度不高，但要求速度快。LED專用貼片機降低了貼片設備成本，并提高生產效率。目前LED貼片機的種類很多，但是無論是全自動高速貼片機還是手動低速貼片機，它們的整體布局都是類似的。全自動LED貼片機是由計算機控制，集光機電氣為一體的高精度自動化設備，由機架、PCB傳送機構及承載組織、驅動及伺服定位體系、貼裝頭、供料器、光學識別體系、傳感器和計算機控制體系組成，其經過吸取-位移-定位-放置等一些功能，完成了把SMD快速準確的貼裝到PCB板上。

1.5LED貼片機與傳統貼片機的區別

LED貼片機主要需滿足3014、2835、3528和5050、5630、5730的燈珠貼裝精度需求。相對于傳統貼片機的加工精度，LED貼片機要求比較低。但是LED貼片機更注重的是性能，即機器運行的穩定性、速度、可操作性、尺寸要求[5]，因此要求了LED貼片機必須具備以下設計思路和硬性要求。

1)智能化的手段更加成熟的運用到LED專用貼片機上，各類具有優秀性能的傳感器能夠在實施作業時充分收集數據給計算機處置，保障整個貼裝過程的穩定性和可靠性。同時和其他設備一樣要依據科學的方法及技術規范，定期對LED貼片機進行保養，比如對機器和電路板表面積垢進行清潔拆洗，可以有效防止由于灰塵和積垢導致的機器內部散熱不良，造成過熱燒壞器件。LED貼片機有好的穩定性才能最大效率的為企業產生效益，降低生產成本。

2)LED貼片機速度一定要快，最低18 000點/h以上的貼裝速度。

3)具有簡單易學人性化的操作方法可以極高地縮短人員培訓時間，并且在生產過程中有效降低誤操，提高生產效率和產品質量。

4)LED貼片機最低要可以貼裝1 200 mm長度的PCB，因為LED很大一部分是取代傳統光管照明，所以長度會大大超過傳統PCB尺寸。除了這些以外，為了保證單個LED燈板無色差，要求所要貼裝的整批LED燈珠為同一色溫BIN(BIN一般代表的是LED燈珠的一些參數的范圍，不同的范圍可以分別用不同的編號表示，這些參數包括電壓、色溫、亮度等，所以會有電壓BIN、色溫BIN、亮度BIN這樣的說法，可以用BIN代表產品的型號)。

1.6國產LED貼片機技術發展狀況

作為第四代光源的巨大市場潛力，再加上政府政策的大力支持，國內LED照明產業幾乎是跨越式發展。從早期的LED顯示屏的火爆，到目前過度到LED商業照明、室內照明、戶外照明、亮化工程等，LED產品實現了從單一的火爆產品，過渡到LED全領域的應用和普及[18]。LED的發展帶動了相關設備產業的火爆，回流焊、波峰焊、印刷機、LED貼片機、LED封裝設備發展勢頭迅猛。目前國內LED設備大部分是可貼裝1.2 m的燈板的小型貼片機，基本上都使用平臺式運動結構，結合雙擺臂運動方式，實現LED貼裝。軌道式LED貼片機在國內比較少。這也是下一步，眾多企業發展的一個方向。目前國內LED貼片機技術還處于一個初級階段。研發出來的產品，只能滿足部分中小型企業的早期需求。我國是一個電子制造大國，需要不同檔次的國產LED貼片機。所以必須根據實際情況優選機型，降低國產LED貼片機研制難度，快速進入電子裝備行業。

2 LED貼片機的最關鍵技術

2.1精密機光電一體化技術

在LED貼片機運作過程的，這項技術的體現：貼裝頭通過精準的機械運動將元器件從供料器中揀出并經過校準機構后，準確快速地把元器件安裝到PCB板上。

2.2視覺技術

采取不停步快速拍攝定位技術，實現光學影像撲捉定位、飛行對中。

2.3能解決高速度與貼片精度的運動控制技術

磁懸浮直線電機驅動的應用，改進了原有伺服旋轉式電機絲桿鏍母存在速度低、噪音大的缺點。直線電機應用的是磁懸浮技術，運動時無摩擦，無阻力，速度高，使用壽命長。

2.4高效智能化軟件技術

隨著貼片機組成和結構日益復雜化和多元化，貼片機軟件技術的重要性越來越得到體現。高效實時多任務并行處理操作系統、智能化貼裝程序優化、自動診斷技術等勢必會大大提高生產的效率和產品質量。

2.5模塊化及系統集成技術

模塊化及系統集成技術的目的是，針對LED貼片機的速度、精度和柔性這3項基本要求，提出優化和改進的解決方案。柔性模塊化技術強調設備的可移植性、相互操作性、縮放性和可配置性，提供設備控制平臺對控制需求的可重構性和開放性，從而能夠簡捷、高效地構造和完成特定要求的表面貼裝設備，提高組裝生產率[4]。

2.6電機使用輕量化設計概念

可大幅減少機器運動部分重量，由此而使機器運作時消耗的功率也大幅降低到只有普通貼片機的1/4消耗，耗電可達普通貼片機1/4以下；LED貼片機對貼裝精度要求不高，但要求速度較快。目前國內針對LED的專業貼片機，有幾家在做，根據速度不同可分為4頭、6頭、8頭設備，可以參考泰姆瑞LED640、LED660 V和LED680 V這幾款LED專用貼片機實際了解。 中間那個數字代表貼片頭數量的多少。數字越大，速度越高。LED貼片機主流應用應該是可貼裝大面積的PCB板，要滿足在線的要求，這樣才能保證速度。

3 LED貼片機的發展趨勢

LED貼片機在生產制造過程中扮演十分重要的角色，是當代主流電子組裝技術生產設備中投資最大、技術最先進、對SMT生產線的生產能力和生產效率影響最大的設備。事實上，故障最多、速度瓶頸很大程度上都是來自貼片這一工序，所以貼片機設備的發展最是引人注目。目前擁有貼片機的數量和先進程度，已經成為一個企業、地區或國家的電子制造能力的關鍵標志[4]。下面對現階段貼片機的發展趨勢述說如下。

3.1LED貼片機正朝更高精度的方向發展

貼片機精度是指貼片機X、Y軸導航運動的機械精度和Z軸旋轉精度。貼片機采用精密的機電一體化技術控制機械運動將元器件從供料器中抓取出來并經過校準機構對中后精密可靠的貼裝到電路板上。為了生產出具有更高性能的產品，首先面臨的一個重大挑戰便是更高可能地提高貼片機的貼裝精度。下面從LED的制程開始述說具有更高精度的LED貼片機可能會對LED未來的生產產生的革命性影響。

在普通的LED封裝技術中，晶片電極跟支架引腳的相連一般通過以金線互連的方式達成，但金線斷裂一直是其中一個常見的失效原因。在LED照明應用中金線的異常是導致死燈和光衰大這樣常見問題的罪魁禍首。死燈大致可分為兩種情況，一種是完全不亮，另一種則是熱態不亮冷態亮，或出現閃爍。不亮的主要原因是電性回路出現開路，閃爍的原因是因為金線虛焊或接觸不良[18]。隨著倒裝焊技術的推出，兩者的相連可通過更穩定的金屬凸點焊球來連接，節省成本并大大提高了可靠性及散熱能力。LED擁有壽命長等優點，配合倒裝焊技術比傳統使用金線互連的封裝技術更能發揮LED的優勢，LED倒裝焊接技術，實現了單芯片及多芯片模組的無金線、無固晶膠封裝，具有高亮度、高光效、高可靠性、低熱阻、顏色一致性好等諸多優點。LED無金線封裝即業內俗稱的“無封裝”“免封裝”。這種工藝是利用倒裝芯片與線路板直接SMT貼合，將SMD封裝制程省略，直接將倒裝芯片用SMT法貼合到線路板上或承載體上，因為芯片面積遠小于SMD器件，所以這個工藝需要非常精密的設計。未來的LED貼片機在提高精度的基礎條件上，直接運用到倒裝無封裝制程，這將是LED制程的小革命，可以省去很多封裝成本，并且大大提高了生產成本和縮短生產周期，使得LED產品真真正正高性能低售價地進入通用照明市場。將LED貼片機直接運用到LED的制程，很有潛力成為未來技術的趨勢。

3.2LED貼片機正朝高效率生產的方向發展

當今社會最重要的一個特點，就是競爭。正是這種競爭，激發人們努力探索創新；正是這種競爭，推動科技發展日新月異。在如火如荼的LED照明市場催動下，LED貼片機的高效率工作必然成為其核心競爭力的體現。高效率就是提高生產效率，減少工作時間，增加產能，創造經濟利益。在當前的基礎上提高效率的主要方法有：加強LED貼片機的自動化性能和改進設備結構和工作模式。

3.2.1 加強LED貼片機的自動化性能 當今信息科學技術的發展和完善極大地促進了自動化的水平，由原來的自動控制、自動調節、自動補償、自動辨別等發展到自學習、自組織、自維護、自修復等更高的自動化水平[4]成為可能。同時對于貼片機這種自動化數控設備，軟件編程的效率對提高設備效率也至關重要[8]，開發出更強大的軟件功能系統，減少人工編程時間，可以大大縮短無效工作時間，提高生產效率。

3.2.2 改進設備結構和工作模式 貼片機在提高貼裝速度方面逐漸達到瓶頸時，改善LED貼片機設備的結構不失是一種好的改進思路。例如，雙路輸送LED貼片機在保留傳統單路LED貼片機性能的基礎上，將PCB的輸送、定位、檢測、貼片等設計成雙路結構[6]。這種雙路結構可以同步方式和異步方式工作[6-7]。同步方式是將2塊大小相同的PCB由雙路軌道同步送入貼裝區域進行貼裝，異步方式則是將不同大小的PCB分別送于貼裝區域。這2種工作方式均能提高機器的生產效率。再如貼片機的多懸臂、多貼裝頭結構，都是行之有效的方法[4-7]。

3.3LED貼片機朝柔性化和模塊化結構發展

時代的發展促進了人們的生活水平和認知，個性化的需求是未來市場的重要戰略手段。電商元年的開啟給我們更多的啟示是，傳統的實體店經營模式更多是向產品體驗店的方向發展和轉變。未來電子產品制造為滿足市場的個性化需求將要面對品種多樣、批量較少、周期變短等這樣的挑戰，適應這種趨勢的有效方法是貼裝設備的柔性化。

例如，將LED貼片機的主機做成標準設備，并裝備統一的機座平臺和通用的用戶接口，而將點膠貼片的各種功能做成功能模塊組[8]。模塊組有不同的功能，針對不同元器件的貼裝要求，可以按不同的精度和速度進行貼裝，以達到較高的使用效率[9-10]；當用戶有新的要求時，可以根據需要增加新的功能模塊機。LED貼片機的柔性就是實際生產中貼裝的靈活性，它包括能夠適應不同的PCBA產品、能夠兼顧貼裝精度和速度、能夠快速進行生產轉換、能夠升級換代[4]。柔性化是能夠最大化的利用現有資源創造出最好的經濟效益的方案，所以軟性化是一種理念的、動態的、相對的設備特性描述。

3.4LED貼片機朝智能化的方向發展

隨著互聯網技術的高速發展，移動智能終端的爆發式增長以及消費群體的年輕化，智能化是電子行業尤其是家電行業發展中的必然，智能化[11-12]這一概念已經很頻繁的出現在我們的生活中，產品的智能化是最具有前景的未來市場。同樣，在制造業里，制造裝備的智能化是制造技術最具前景的發展。

智能化LED貼片機具有以下的特點：人機一體化[13]、自學習[14]、自組織、自維護、自修復、超柔性[4]等，極高的提高了腦力勞動自動化的水平，減少生產過程中的錯誤，從而提升效率提高產能。未來的LED貼片機是在計算機智能技術的基礎上使得他具有更高級的類人思維能力，對貼裝過程進行全程分析、判斷、推理、構思和決策，并且可以通過收集、存儲、共享和繼承人類專家們的智能高效快速地提供出最適合的柔性方案[14-15]。LED貼片機的精密化和智能化勢必會對LED未來生產和技術產生巨大的影響。

3.5LED貼片機朝綠色化的方向發展

近些年對于綠色化和環境保護的概念已經有了新的內涵，所謂的環境保護是廣義的，不僅包括保護自然環境，還要保護社會環境和生產環境[4]，更要保護生產者的身心環境。人類社會的發展必將走向人與人、人與機器、人與社會、人與自然界的和諧[16]，未來LED貼片機從設計到回收再制造整個階段[17]，都必須考慮對環境的影響，在設計之初就充分考慮到盡最大可能提高材料利用率，使得用戶投資效益最大化。

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AOverviewofLEDPlacementEquipment

HAN Pengfei,XING Lusheng*,ZENG Qinggeng

(School of Information Engineering,Wuyi University,529020,Jiangmen,Guangdong,PRC)

Energy shortage is one of the challenges in this era,and the frequent occurrence of fog haze weather let people pay more attention to environmentally friendly energy.Environmental protection and energy saving products are more wining the favour of the government and the people.LED lighting products,with its incomparable advantage,are expected to replace the traditional light source,which have been used by human nearly one hundred years,within the next 10 years.There is no doubt that LED lighting products are growing rapidly.The rapidly development of LED market leading to a rapidly development of the LED placement equipment,and a various of LED placement equipment having different performance has been developed.

energy shortage;surface mounting technology,LED lighting products,LED placement equipment

2014-05-10;

2014-06-12

韓鵬飛(1990-)，男，山西運城人，在讀碩士研究生，研究方向為LED照明技術。

廣東省科技型中小企業技術創新專項基金項目(編號:2012CY142)。

*通訊作者：幸蘆笙(1964-)，副教授，碩士生導師，研究方向為LED驅動電源與控制。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.006

TM305

A

1001-3679(2014)04-0450-06