LED贴片机技术应用与新进展

韩鹏飞，幸芦笙，曾庆庚

(五邑大学信息工程学院，529020，广东，江门)

LED贴片机技术应用与新进展

韩鹏飞，幸芦笙*，曾庆庚

(五邑大学信息工程学院，529020，广东，江门)

能源紧缺是这一时代面临的挑战之一，时下的雾霾多发更多地让人们增加对绿色能源的关注。环保节能型产品更受到政府和人们的青睐。LED照明产品以其无可比拟的优势有望在10年内代替人类使用近一百年的传统光源，毫无疑问，LED照明产品正在迅猛发展。随着LED照明市场的快速发展，涉及到LED贴片机的迅速发展，各种性能的LED专用贴片机都被研制。

能源紧缺；表面贴装技术(SMT)；LED照明；LED贴片机

0 引言

介绍LED照明产业和LED贴片机之前，先大致了解一下当前时代下的大环境、大基调。

1)全球能源紧缺，世界各国都认识到核电站的安全问题；2)在节能减排这一大的政策背景下，环保节能产品必然应运高速发展；3)空气质量下降，雾霾天气的多发，引起人们对环境的重视，切身感受到善待环境的刻不容缓，节能环保产品更受青睐。

LED的内在特征决定了它具有体积小、耗电量低、寿命长、亮度高、发热量低、环保、多变幻(在计算机控制下使红、绿、蓝3种颜色具有256级灰度并任意混合，从而形成不同光色组成)、技术先进(LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式技术等)这些特征和优点。所以在这样的大的时代背景下，LED照明产品具有无可比拟的优势，全新的LED照明技术有望在10年代替人类使用将近一百年的传统照明技术。目前，LED照明产品的环保节能、高性价比特点已经被市场接受，同时各国政府纷纷出台相关政策，逐步淘汰白炽灯，促进LED在室内照明中的应用，LED光产业亦将成为了解决能源和环境问题的代名词，LED照明市场快速发展。这样的快速发展必然涉及到LED贴片机、LED生产设备领域的快速发展。

1 SMT与贴片机

表面贴装技术(SMT),也可以称为表面组装技术、表面贴片技术和贴片焊接技术等。它是一种将表面组装元器件(SMD)安装到印刷电路板(PCB)上的板级电子组装技术[1]。目前，先进的电子产品，特别是在计算机及通信类电子产品中，已经普遍采用表面贴装技术。图1为SMT制造的印制板。

图1 表面组装印制板

1.1SMT的优点

SMT是随着电子工业的发展而诞生的，随着电子技术、信息技术、计算机应用技术的发展而发展的。SMT的迅速普及得益于它具有以下优点。

1)元器件组装密度高，电子产品体积小、重量轻。

2)易于实现自动化，提高生产效率。

3)高可靠性。自动化的生产技术，保证了每个焊点的可靠连接，同时由于表面组装元器件(SMD)是无引线或者是短引线，又牢固地贴装在PCB表面上，因此其可靠性高、抗震能力强[2]。

4)高频特性好。表面组装元器件(SMD)无引脚或段引脚，不仅降低了分布特性造成的影响，而且在PCB表面上贴焊牢固，大大降低了寄生电容和引线间寄生电感，因此在很大程度上减少了电磁干扰和射频干扰，改善了高频特性[3]。

5)降低成本。SMT使PCB布线密度增加、钻孔数目减少、面积变小、同功能的PCB层数减少，这些都使PCB的制造成本降低。无引线或短引线SMC/SMD节省了引线材料，省略了剪线、打弯工序，减少了设备、人力费用。频率特性的提高减少了射频调试费用。电子产品体积缩小、重量减轻，降低了整机成本。焊接可靠性好，使得返修成本降低[2]。

1.2SMT基本工艺流程

1)SMT是一个系统工程技术，图2为SMT的基本工艺流程。

图2 SMT的基本工艺流程

2)一条典型的SMT生产线如图3所示。

图3 典型的SMT生产线

由图2和图3可以大概知道：1)要组成SMT的生产线必然要有3种重要设备：印刷机/点胶机、贴片机、回流焊炉/波峰焊机,其中波峰焊这种工艺，随着表面贴装技术的发展，特别是底部引线集成电路封装BGAQFN的大量应用，其作用愈发显得有些不足，所以目前主流的还是回流焊这种工艺。2)无论是对于大型机厂商还是中型机厂商，经典的可以推荐SMT生产线一般由2台贴片机组成，1台高速贴片机(片式元件贴片机)1台高精度贴片机(IC元件贴片机)，这样各司其职，有利于整条SMT生产线发挥出最高的生产效率。但是现在情况正在发生着改变，很多贴片机生产商推出了多功能贴片机，使得SMT生产线只由1台贴片机组成成为可能。1台多功能贴片机在保持较高贴片速度的情况下，可以完成所有元件的贴装，减少了投资，受到中小企业、科学院的青睐。

1.3最简单的贴片机模型

如图4所示，最基本的贴片机由机架、电路板夹持机构、供料器(没有在图中画出)、贴片头、吸嘴以及X、Y、Z轴组成[4]，其中Z轴除了可以Z向运动，还可以以θ方向转动(以便调整元器件偏离焊盘的旋转角度)。

图4 最简单的贴片机模型

1.4LED贴片机

泛义上讲LED贴片机属于表面贴装技术(SMT)贴片机中的一种，随着LED技术的发展，传统SMT贴片机已不能满足LED行业生产需求，此时LED贴片机便应运而生。

LED贴片机是专门为LED行业所设计定做的SMT贴装设备，用来实现大批量的LED电路板的组装。设备要求精度不高，但要求速度快。LED专用贴片机降低了贴片设备成本，并提高生产效率。目前LED贴片机的种类很多，但是无论是全自动高速贴片机还是手动低速贴片机，它们的整体布局都是类似的。全自动LED贴片机是由计算机控制，集光机电气为一体的高精度自动化设备，由机架、PCB传送机构及承载组织、驱动及伺服定位体系、贴装头、供料器、光学识别体系、传感器和计算机控制体系组成，其经过吸取-位移-定位-放置等一些功能，完成了把SMD快速准确的贴装到PCB板上。

1.5LED贴片机与传统贴片机的区别

LED贴片机主要需满足3014、2835、3528和5050、5630、5730的灯珠贴装精度需求。相对于传统贴片机的加工精度，LED贴片机要求比较低。但是LED贴片机更注重的是性能，即机器运行的稳定性、速度、可操作性、尺寸要求[5]，因此要求了LED贴片机必须具备以下设计思路和硬性要求。

1)智能化的手段更加成熟的运用到LED专用贴片机上，各类具有优秀性能的传感器能够在实施作业时充分收集数据给计算机处置，保障整个贴装过程的稳定性和可靠性。同时和其他设备一样要依据科学的方法及技术规范，定期对LED贴片机进行保养，比如对机器和电路板表面积垢进行清洁拆洗，可以有效防止由于灰尘和积垢导致的机器内部散热不良，造成过热烧坏器件。LED贴片机有好的稳定性才能最大效率的为企业产生效益，降低生产成本。

2)LED贴片机速度一定要快，最低18 000点/h以上的贴装速度。

3)具有简单易学人性化的操作方法可以极高地缩短人员培训时间，并且在生产过程中有效降低误操，提高生产效率和产品质量。

4)LED贴片机最低要可以贴装1 200 mm长度的PCB，因为LED很大一部分是取代传统光管照明，所以长度会大大超过传统PCB尺寸。除了这些以外，为了保证单个LED灯板无色差，要求所要贴装的整批LED灯珠为同一色温BIN(BIN一般代表的是LED灯珠的一些参数的范围，不同的范围可以分别用不同的编号表示，这些参数包括电压、色温、亮度等，所以会有电压BIN、色温BIN、亮度BIN这样的说法，可以用BIN代表产品的型号)。

1.6国产LED贴片机技术发展状况

作为第四代光源的巨大市场潜力，再加上政府政策的大力支持，国内LED照明产业几乎是跨越式发展。从早期的LED显示屏的火爆，到目前过度到LED商业照明、室内照明、户外照明、亮化工程等，LED产品实现了从单一的火爆产品，过渡到LED全领域的应用和普及[18]。LED的发展带动了相关设备产业的火爆，回流焊、波峰焊、印刷机、LED贴片机、LED封装设备发展势头迅猛。目前国内LED设备大部分是可贴装1.2 m的灯板的小型贴片机，基本上都使用平台式运动结构，结合双摆臂运动方式，实现LED贴装。轨道式LED贴片机在国内比较少。这也是下一步，众多企业发展的一个方向。目前国内LED贴片机技术还处于一个初级阶段。研发出来的产品，只能满足部分中小型企业的早期需求。我国是一个电子制造大国，需要不同档次的国产LED贴片机。所以必须根据实际情况优选机型，降低国产LED贴片机研制难度，快速进入电子装备行业。

2 LED贴片机的最关键技术

2.1精密机光电一体化技术

在LED贴片机运作过程的，这项技术的体现：贴装头通过精准的机械运动将元器件从供料器中拣出并经过校准机构后，准确快速地把元器件安装到PCB板上。

2.2视觉技术

采取不停步快速拍摄定位技术，实现光学影像扑捉定位、飞行对中。

2.3能解决高速度与贴片精度的运动控制技术

磁悬浮直线电机驱动的应用，改进了原有伺服旋转式电机丝杆镙母存在速度低、噪音大的缺点。直线电机应用的是磁悬浮技术，运动时无摩擦，无阻力，速度高，使用寿命长。

2.4高效智能化软件技术

随着贴片机组成和结构日益复杂化和多元化，贴片机软件技术的重要性越来越得到体现。高效实时多任务并行处理操作系统、智能化贴装程序优化、自动诊断技术等势必会大大提高生产的效率和产品质量。

2.5模块化及系统集成技术

模块化及系统集成技术的目的是，针对LED贴片机的速度、精度和柔性这3项基本要求，提出优化和改进的解决方案。柔性模块化技术强调设备的可移植性、相互操作性、缩放性和可配置性，提供设备控制平台对控制需求的可重构性和开放性，从而能够简捷、高效地构造和完成特定要求的表面贴装设备，提高组装生产率[4]。

2.6电机使用轻量化设计概念

可大幅减少机器运动部分重量，由此而使机器运作时消耗的功率也大幅降低到只有普通贴片机的1/4消耗，耗电可达普通贴片机1/4以下；LED贴片机对贴装精度要求不高，但要求速度较快。目前国内针对LED的专业贴片机，有几家在做，根据速度不同可分为4头、6头、8头设备，可以参考泰姆瑞LED640、LED660 V和LED680 V这几款LED专用贴片机实际了解。 中间那个数字代表贴片头数量的多少。数字越大，速度越高。LED贴片机主流应用应该是可贴装大面积的PCB板，要满足在线的要求，这样才能保证速度。

3 LED贴片机的发展趋势

LED贴片机在生产制造过程中扮演十分重要的角色，是当代主流电子组装技术生产设备中投资最大、技术最先进、对SMT生产线的生产能力和生产效率影响最大的设备。事实上，故障最多、速度瓶颈很大程度上都是来自贴片这一工序，所以贴片机设备的发展最是引人注目。目前拥有贴片机的数量和先进程度，已经成为一个企业、地区或国家的电子制造能力的关键标志[4]。下面对现阶段贴片机的发展趋势述说如下。

3.1LED贴片机正朝更高精度的方向发展

贴片机精度是指贴片机X、Y轴导航运动的机械精度和Z轴旋转精度。贴片机采用精密的机电一体化技术控制机械运动将元器件从供料器中抓取出来并经过校准机构对中后精密可靠的贴装到电路板上。为了生产出具有更高性能的产品，首先面临的一个重大挑战便是更高可能地提高贴片机的贴装精度。下面从LED的制程开始述说具有更高精度的LED贴片机可能会对LED未来的生产产生的革命性影响。

在普通的LED封装技术中，晶片电极跟支架引脚的相连一般通过以金线互连的方式达成，但金线断裂一直是其中一个常见的失效原因。在LED照明应用中金线的异常是导致死灯和光衰大这样常见问题的罪魁祸首。死灯大致可分为两种情况，一种是完全不亮，另一种则是热态不亮冷态亮，或出现闪烁。不亮的主要原因是电性回路出现开路，闪烁的原因是因为金线虚焊或接触不良[18]。随着倒装焊技术的推出，两者的相连可通过更稳定的金属凸点焊球来连接，节省成本并大大提高了可靠性及散热能力。LED拥有寿命长等优点，配合倒装焊技术比传统使用金线互连的封装技术更能发挥LED的优势，LED倒装焊接技术，实现了单芯片及多芯片模组的无金线、无固晶胶封装，具有高亮度、高光效、高可靠性、低热阻、颜色一致性好等诸多优点。LED无金线封装即业内俗称的“无封装”“免封装”。这种工艺是利用倒装芯片与线路板直接SMT贴合，将SMD封装制程省略，直接将倒装芯片用SMT法贴合到线路板上或承载体上，因为芯片面积远小于SMD器件，所以这个工艺需要非常精密的设计。未来的LED贴片机在提高精度的基础条件上，直接运用到倒装无封装制程，这将是LED制程的小革命，可以省去很多封装成本，并且大大提高了生产成本和缩短生产周期，使得LED产品真真正正高性能低售价地进入通用照明市场。将LED贴片机直接运用到LED的制程，很有潜力成为未来技术的趋势。

3.2LED贴片机正朝高效率生产的方向发展

当今社会最重要的一个特点，就是竞争。正是这种竞争，激发人们努力探索创新；正是这种竞争，推动科技发展日新月异。在如火如荼的LED照明市场催动下，LED贴片机的高效率工作必然成为其核心竞争力的体现。高效率就是提高生产效率，减少工作时间，增加产能，创造经济利益。在当前的基础上提高效率的主要方法有：加强LED贴片机的自动化性能和改进设备结构和工作模式。

3.2.1 加强LED贴片机的自动化性能 当今信息科学技术的发展和完善极大地促进了自动化的水平，由原来的自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨别等发展到自学习、自组织、自维护、自修复等更高的自动化水平[4]成为可能。同时对于贴片机这种自动化数控设备，软件编程的效率对提高设备效率也至关重要[8]，开发出更强大的软件功能系统，减少人工编程时间，可以大大缩短无效工作时间，提高生产效率。

3.2.2 改进设备结构和工作模式 贴片机在提高贴装速度方面逐渐达到瓶颈时，改善LED贴片机设备的结构不失是一种好的改进思路。例如，双路输送LED贴片机在保留传统单路LED贴片机性能的基础上，将PCB的输送、定位、检测、贴片等设计成双路结构[6]。这种双路结构可以同步方式和异步方式工作[6-7]。同步方式是将2块大小相同的PCB由双路轨道同步送入贴装区域进行贴装，异步方式则是将不同大小的PCB分别送于贴装区域。这2种工作方式均能提高机器的生产效率。再如贴片机的多悬臂、多贴装头结构，都是行之有效的方法[4-7]。

3.3LED贴片机朝柔性化和模块化结构发展

时代的发展促进了人们的生活水平和认知，个性化的需求是未来市场的重要战略手段。电商元年的开启给我们更多的启示是，传统的实体店经营模式更多是向产品体验店的方向发展和转变。未来电子产品制造为满足市场的个性化需求将要面对品种多样、批量较少、周期变短等这样的挑战，适应这种趋势的有效方法是贴装设备的柔性化。

例如，将LED贴片机的主机做成标准设备，并装备统一的机座平台和通用的用户接口，而将点胶贴片的各种功能做成功能模块组[8]。模块组有不同的功能，针对不同元器件的贴装要求，可以按不同的精度和速度进行贴装，以达到较高的使用效率[9-10]；当用户有新的要求时，可以根据需要增加新的功能模块机。LED贴片机的柔性就是实际生产中贴装的灵活性，它包括能够适应不同的PCBA产品、能够兼顾贴装精度和速度、能够快速进行生产转换、能够升级换代[4]。柔性化是能够最大化的利用现有资源创造出最好的经济效益的方案，所以软性化是一种理念的、动态的、相对的设备特性描述。

3.4LED贴片机朝智能化的方向发展

随着互联网技术的高速发展，移动智能终端的爆发式增长以及消费群体的年轻化，智能化是电子行业尤其是家电行业发展中的必然，智能化[11-12]这一概念已经很频繁的出现在我们的生活中，产品的智能化是最具有前景的未来市场。同样，在制造业里，制造装备的智能化是制造技术最具前景的发展。

智能化LED贴片机具有以下的特点：人机一体化[13]、自学习[14]、自组织、自维护、自修复、超柔性[4]等，极高的提高了脑力劳动自动化的水平，减少生产过程中的错误，从而提升效率提高产能。未来的LED贴片机是在计算机智能技术的基础上使得他具有更高级的类人思维能力，对贴装过程进行全程分析、判断、推理、构思和决策，并且可以通过收集、存储、共享和继承人类专家们的智能高效快速地提供出最适合的柔性方案[14-15]。LED贴片机的精密化和智能化势必会对LED未来生产和技术产生巨大的影响。

3.5LED贴片机朝绿色化的方向发展

近些年对于绿色化和环境保护的概念已经有了新的内涵，所谓的环境保护是广义的，不仅包括保护自然环境，还要保护社会环境和生产环境[4]，更要保护生产者的身心环境。人类社会的发展必将走向人与人、人与机器、人与社会、人与自然界的和谐[16]，未来LED贴片机从设计到回收再制造整个阶段[17]，都必须考虑对环境的影响，在设计之初就充分考虑到尽最大可能提高材料利用率，使得用户投资效益最大化。

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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

韩鹏飞(1990-)，男，山西运城人，在读硕士研究生，研究方向为LED照明技术。

广东省科技型中小企业技术创新专项基金项目(编号:2012CY142)。

*通讯作者：幸芦笙(1964-)，副教授，硕士生导师，研究方向为LED驱动电源与控制。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.006

TM305

A

1001-3679(2014)04-0450-06