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        2021年表面贴装技术发展趋势和最新SMT解决方案的提案

        1. 前言

        新型冠状病毒感染疾病(COVID-19)在世界范围的传播对政治、经济和社会活动产生了深远的影响,这迫切需要现代人改变当前生活方式来适应这种变化。比如在疫情下,在家远程办公以及利用网络工具参加线上会议的形式以极快的速度渗透进我们的日常工作中,并且极大地颠覆了传统工作方式。除此之外,之前在提高作业效率以及填补因老龄化导致劳动人口短缺而被期待的机器人也在疫情中被附以了新的价值,它们开始活跃在各种产业领域,通过"远程"、"非接触 "和 "非面对面 "服务来降低整体感染机率?;褂凶罱挛胖谐L峒暗奈艘种埔咔槔┥⒍猛ㄐ胖斩说奈恢眯畔⒃げ馊肆魇莸?,通过软硬件结合,有效利用分散数据也将成为日后发展重点。

        下图是对后疫情未来社会的“人、物、信息和流通的万物相连时代”的展望(图1)。 在“人、物、信息和流通的万物相连时代”,会将以前难以全面掌握的衣食住行、健康状况、采 购、移动等活动信息,气候和交通等环境信息,以及企业的业务和运营信息数字化,并联入网络进行一元管理,从而创造新的价值。FUJI也将积极参与到这个未来社会中。下面向您介绍2021年的表面贴装技术发展趋势,以及本公司在数字孪生解决方案方面所做的努力。

        图1 未来社会 人、物、信息和流通的万物相连时代


        2. 2021年的表面贴装技术发展趋势

        2.1 SMT元件的演变趋势

        由于智能手机和智能手表等通信终端的功能和性能不断提高、5G和物联网的广泛应用、网络基础设施和传感器设备的增加以及电动汽车的普及,使在1个产品上的电子元件贴装数量不断增加。本章介绍了SMT元件的尺寸演变趋势和半导体封装的发展趋势。

        根据JEITA电子技术产业协会的2019年度表面贴装技术规划图,我们可以看到2018年多层陶瓷电容器的组成比列达到了0603M和1005M的交叉点,其中0603M的组成比例最高。日后为了提高智能手机的功能并确保电池的搭载空间,会要求更小和更立体的贴装区域。因此,0402M的构成比例有望继续增长,预计到2025年达到20%左右,0201M微小元件也会在2022年开始面向普及。除了无源元件的小型化,相邻元件之间的距离也在逐年缩小,预计到2024年将达到50微米左右。这时,当将元件贴装到间隙窄小的电路板上时,如果吸嘴前端接触面大于元件的吸取面,则吸嘴前端可能会与相邻的已贴装元件发生干涉而导致贴装不良?;乇苌鲜鑫侍獾墓丶谟诤侠淼奈焐杓埔约拔斓难∮?,我们日后会加强对贴装质量的管控,在确保质量的前提下不断研发更加高速和高精度的贴片机,让客户能够放心的使用FUJI设备。

        接下来介绍半导体封装的发展趋势。半导体封装正变得越来越薄型化,贴装间距也越来越小。从大型QFP(Quad Flat Package)到BGA(Ball Grid Array),从小型QFP到QFN(Quad Flat Non-leaded)和WLP(Wafer Level Package)持续演变。另一方面,生产服务器主板时需要进行相对大型重型的BGA贴装,目前使用模组型高速多功能贴片机NXT的标准规格上限的102mm,特殊规格的150mm进行应对。日后随着电子产品性能的提高,贴装元件有多脚化的趋势,且根据实际应用元件的尺寸与重量特征跟现在会有区别。

        2.2 半导体封装的贴装方案

        系统级封装(System in Package)及??槠骷闹圃旃讨械墓餐闶侨谌肓烁呙芏?、薄型化、多层化等多种最尖端的贴装技术。图2是FUJI为系统级封装及??槠骷圃焯峁┑慕饩龇桨敢?。除下图之外,为了在电路板本身变薄的趋势下稳定贴装质量,需要校正薄电路板的翘曲并使元件贴装面保持在恒定高度。真空支撑对于保持薄电路板形状是一种有效方法。通过真空支撑,薄电路板被吸引固定在真空板上面,元件贴装面可以保持在恒定的高度,并可最大限度地减少由元件贴装负载引起的电路板振动和对电路板翘曲的影响。

        图2 FUJI的系统级封装及??槠骷慕饩龇桨?

        3. 随着数字孪生而进化的智能工厂

        3.1 SMT生产线的数字化

        为了实现使用数字孪生技术的智能工厂,FUJI正在进一步推进SMT生产线的自动化和数字化。数字孪生是在虚拟世界中构建一个现实世界的环境,在虚拟空间中进行模拟,预测现实世界中可能发生的事情并对其进行控制。我们正在提出一个以电子元件贴片机NXTR为中心辅以AGV等外围设备(图3)的利用数字孪生技术的方案。本章向您介绍本公司在推进虚拟和现实世界方面所做的努力和进展。

        图3 电子元件贴片机NXTR

        3.2.2 创建排产计划

        将在3.2.1的虚拟世界中进行的模拟转移到现实世界的生产中,需要准确的生产计划以及经验和技能。由于这是一项专业度很高的工作,因此,我们为上位系统的排产计划工具提供了创建整个SMT车间的生产计划所需的各种数据,如各工序的实绩数据以及包括贴片机在内的各机器的周期时间和生产时间等,来支持生产计划的具体化。此外,还可以通过反映各种条件,例如料尽时间、元件余数、元件拆封寿命、每个单元的维护时间等,以便对整个SMT车间制定正确的生产计划。

        3.2.3 操作员作业的改善

        迄今为止,虽然我们一直在积极推动离线准备区(为下一次生产准备物料的区域)和贴片机周围装置的自动化,并致力于不依赖技能的高效生产。但尚未达到整条SMT生产线的完全自动化和将操作员数量减少到零的程度。如果我们将目光转向生产线,便会发现还存在着因突发故障以及作业开始时间与作业顺序不恰当而导致的停线。这意味着在我们所讨论的虚拟世界的模拟和现实世界的生产之间还存在差距,很难单凭数字孪生技术就实现智能工厂的进化。为此,我们本着“零”停线的大目标,正在研发即使在操作员作业期间也能让停线时间无限接近“零”的作业向导软件,好保证操作员有足够的作业时间,且按照最合理的顺序有条不紊的实施操作。从备料(准备生产时必要的物料)、换线、上料、补料到维修保养等,生产线上的必要作业完全按照排产计划的进度向操作员发出向导,由此避免人为的判断错误,从而最大程度的减少停线时间。综上所述,为了将虚拟世界与现实世界的差距缩小到“零”,我们将继续研究能够实时监控生产状况,以及与高质量和高生产率兼备的生产技术,并通过数字孪生技术支援智能工厂的不断进化。

        3.3 SMT生产线的自动化将彻底改变人工作业

        SMT工序中负担最重的作业与元件相关,补料引起的吸取出错即可导致机器的短暂停止。为了解决这些问题,FUJI研发了各种自动化单元,例如自动加载型供料器。上述的NXTR进一步发展了这一理念,实现了在贴片机上安装供料器的完全自动化。第一台可以配送、更换、安装供料器的智能加载车已被搭载在贴片机上,实现了元件更换作业的自动化。NXTR时,只需将供料器放入机器前部的缓存站中,智能加载车就会根据排产计划,在料尽或换线时自动将其与生产料站上的供料器进行更换。(图5)

        图5 智能加载车更换元件的作业

        以下简要介绍当NXTR实际导入SMT生产线,与元件相关的作业被自动化时,操作员的工作将如何改变。我们的设想是从传统的单一技能操作员向最终的多技能操作员的转变。(图6)在多技能型操作中,有关元件的准备和回收作业被集中在一处,用于生产的人数变为最少。当然如果使用最少人数对应生产将增加操作员的负?;虻贾峦;?,那人数减少就失去意义了。这些操作也可以事先在虚拟世界中进行模拟,以确保通过正确排产计划和操作员导航工具,减少浪费和不必要的操作。

        Step1:单一技能操作

        之前在元件料尽和更换时,需要配置很多单一技能型操作员专门进行供料器的更换。(多人对应1条生产线)

        Step2:多台机器操作

        通过使用智能加载车,一个缓存站只需一人进行元件更换作业,一人可以操作多台机器。(一人对应1条生产线)

        Step3:多技能操作

        通过AGV自动更换缓存站中的供料器箱(安装供料器的箱子),使操作员在机器前的作业量为“零”。

        图6 自动化将改变人工作业

        3.4 通过插入工序的自动化来改变人工作业

        迄今为止,除了SMT工序本身,SMT后工序的人工插入作业也正在通过模组型通用自动组装机sFAB-D来逐步实现自动化。2021年,作为手动插入工序的新解决方案,FUJI研发了sFAB-SH(图7)以及SW-BA(图8)两款新机器。sFAB-SH在沿袭了sFAB-D优异的通用性、可扩展性及高生产力的同时,特化了贴装一般电路板的必要功能。这款新机型通过sH08-SH和sH02-SH两种工作头,能灵活应对高度为55mm元件的高速插入以及重量高达200g大型元件的插入。它还支持引脚夹以及切割和弯脚功能,以保障插入质量。除此之外,还采用高清影像处理系统,配合保证可靠插入的最佳插入顺序与插入验证操作机制,防患因极性错误引起的错误插入与元件上浮问题,避免回焊后的返工事故。SW-BA是小型多关节机械臂SmartWing的高级机械臂整机系列的一款,SW-BA擅长通过水平多关节机械臂在一定数量内实现如接插件、线圈、继电器、变压器和大型电解电容器等的插入自动化。虽然通过水平多关节机械臂进行元件插入不算一项新的技术,但我们的SW-BA无需通过SIer进行系统升级,只需通过功能包提供必要功能就可实现低成本和短交货期,不给用户增添麻烦,可以立即投入生产。

        图7 模组型通用自动组装机sFAB-SH

        图8 电路板组装机械臂整机SW-BA

        图9是使用sFAB自动插入的一块从小型元件到有相当高度和重量的大型元件的电路板。通过这种方式,可以自动插入各种元件。当然,客户对插入的自动化有各种各样的要求,例如希望以低成本自动插入少量元件以及希望高速自动地插入所有零件。FUJI将准确把握客户对未来工序和工厂要求的反馈,向客户提供最佳解决方案,通过自动化彻底改变手工作业,为实现高性能、高利润的智能工厂,将不断与贴片机同步地提出最佳解决方案。

        图9 使用sFAB自动插入的生产电路板

        4. 展望未来

        在本文中,我们向您介绍了FUJI从虚拟世界的模拟到现实世界的SMT和插入工序所做的努力和进展。我们将继续从客户的角度出发,通过SMT生产线的数字化,通过数字孪生技术支援智能工厂的进化。我们相信,自动化虽然是将虚拟世界和现实世界之间的差距减少到 "零 "的方法之一,但它绝不是唯一的答案。FUJI将不断捕捉客户真正想要的东西,提供超越客户期望并能感动客户的产品和售后服务。

        如果您觉得以上内容对改善生产有帮助,请联系我们。

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