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異型元件的進化

今天的自動異型元件裝配提供比手工裝配工藝更多的生產效益。

  老格言,“時間就是金錢”,在今天的技術進步社會里更是應驗。特別是在電子工業,計算機、磁盤驅動器和便攜式電腦產品的產品到市場(product-to-market)的周期已經從幾年縮短到12個月或更少。更快、更好、和更便宜的產品出現正以一個快速的步伐在進化。希望在全球市場上保持競爭力的原設備制造商(OEM, original equipment manufacturer)和合約電子制造商(CEM, contract electronics manufacturer)必須通過盡可能的自動化來提高產量、品質和生產效率。生產線上的手工工藝必須仔細審查,決定怎樣自動化或優化這些工藝。

  異型元件的現實與其繼續存在性
  異型裝配(odd-form assembly)是那些效率低的手工工藝,還可以在全球范圍內的生產線上找到。它是那些可能具有不尋常形狀的元件貼裝;要求專門的處理;在板上的數量少;或者有其它的問題不允許它通過精巧的貼裝系統來自動化處理。通常,這些異型元件是手工裝配的。由于多樣化的特性和沒有可調節的穩定方法,異型裝配通常考慮是自動化的最后難題。可是,異型自動化正變成工業領先者的一個增長的現實,它們認識到這是完整生產線優化的一個不必要的路障。
  本來就有的異型元件(Odd form by default)
  與原來的設想相反,通孔技術沒有完全消失。事實上,表面貼裝元件技術的進步滲透著越來越多的通孔元件和異型元件的使用。隨著昨天的標準元件被諸如倒裝芯片(flip chip)和球柵陣列(BGA, ball grid array)這種更小、更先進的包裝所取代,剩下的標準元件就變成異型元件了。例如,雙排包裝(DIP, dual inline package)元件與DIP設備都曾經在PCB裝配中是標準的。可是DIP現在由于其在PCB上使用的局限性,是一種常見得異型元件,因此不能購買到只裝這一種元件類型的設備。
  異型以前認為是標準的元件的其它形狀因素已經被更小、更快的元件包裝所替代。例子包括連接器、電阻和電容。雖然減少,但這類元件的使用將不會消失,因為其可靠性、完整性、成本和實用性,不會要求小型的或先進的包裝元件。另外,許多通孔元件比表面貼裝元件更容易購買和交貨時間更短。由于所有這些原因,工業似乎意識到盡可能地使用通孔元件,把異型當作將來裝配工藝的一個完整部分是有良好的商業意義的。
  設計采用的異型元件(Odd form by design)
  異型元件裝配繼續存在的其它因素是,設計時考慮采用的異型元件。這些元件通常被看作異型,是由于相當于PCB上其它表面貼裝或通孔元件,它們的尺寸大小和特別的處理要求。這些設計上的異型元件的例子包括變壓器、LED、顯示器、繼電器、頭(header)SIMMDIMM、和電源連接器等。這類元件為產品提供的價值是,更先進成本更高的包裝價格上無法滿足,以及可達到更高的耐用性。例如,在成本密集的汽車工業,電子引擎控制模塊要求經受一個難以寬容的環境。經常暴露在極高溫和振動之下,要求以合理的價格采用最穩固和可靠的裝配技術。一些類似的例子可從電信、計算機電子、和消費電子中找到。在這些應用中,成本和可靠性就是成功與失敗的差別。

  今天的異型自動化
Fig.1  

直到現在,本來就有的異型元件使得采用自動化設備合理性更難,因為貼裝/插件的量較少。另外,設計異型(odd form by design)的問題是沒有足夠靈活的設備來處理這些高度混合的異型元件。盡管如此,用現有的異型電子裝配技術,自動化既是合理的,也是可得到的。在大多數情況下,設備制造商提供足夠的靈活性,在一個平臺上處理高度混合與高產量的異型元件。使用今天的技術,異型通孔和表面貼裝元件可以用單一的系統來貼裝,通過提供先進的送料、定位、抓取和夾緊技術(圖一)
  現在的送料(feeding)技術包括可靠的帶料、管料、盤料和散料供給方法。這種不同的產品混合已經使得幾乎所有異型元件的自動化成為可能。每一種送料方法有其優點和缺點,看其應用而定,但是都為手工替代提供更可靠、更靈活和更快速的方法。還有,隨著工業將元件包裝和送料方法標準化,送料技術將得到改善。
  現在的定位(locating)技術包括三維(3-D)順應與視覺。3-D順應技術(3-D compliance technology)允許元件可靠地定位在送料器上,消除了不必要的視覺要求。視覺方案最適合于異型、表面貼裝應用,更精密間距的引腳和變化的包裝設計使得要求可靠的定位與貼裝。
  現在的抓取(grapping)技術允許在任何混合與順序中處理幾乎所有的異型通孔和表面貼裝元件,而不需要換工具。現有的技術可通過元件身體或引腳來抓取,這是處理DIP時最有效的。今天的抓取技術范圍從精密工具,只處理一些元件類型,到柔性3-D順應工具,可處理最多的元件類型。周期時間和混合/產量要求通常決定哪種技術最適合于某種應用。更精密的工具對較低混合、較高產量的應用提供更好的效益,而更柔性的3-D順應工具在中等和高混合、中等產量的應用中產生更好的效益。
  現在的夾緊(clinching)技術是最具靈活性的。高速、可編程、單頂針夾緊技術允許任何數量的引腳在任何方向(0~360°)和角度上夾緊。大的引腳(達到0.062"的鋼引腳)現在可以夾緊,用于決定手工工藝的專用夾緊程式現在可以更可靠更快地用今天的夾緊技術來處理。
  這些異型技術進步的結果是,以前用手工離線(off-line)完成的工作可以通過全自動或半自動異型貼裝系統來更有效地在線(in-line)完成。

  從手工到自動化:理想的異型情況
  有一些存在于自動異型裝配過程的應用將比手工裝配工藝在生產線上提供更有益的和生產力更高的結果。一些這種應用包括:

  1. 要求引腳浸錫膏(pin-in-paste)工藝的元件

  2. 由于尺寸和形狀難以手工處理的元件,如LED、三端雙向可控硅開關元件(triac)、小型軸向元件和插針頭(pin header)

  3. 要求用戶剪切與成型的元件,如TO-220

  4. 帶有密腳的非標準表面貼裝元件

  5. 有極性問題的元件

  6. 要求夾緊(即插件后彎腳)的元件,如頭部較重的元件

  7. 手工裝配不能保持生產線節奏速率的較高產量的元件

  8. 要求夾緊的大引腳元件(圖二)

  9. 要求專門夾緊程式的元件

Fig.2  

一旦自動異型設備已經購買,生產線平衡是下一步。通常,異型貼裝系統安裝在生產線靠近尾部 - 在頂面表面貼裝元件系統或專門徑向或軸向插件機之后,在波峰焊接工序之前。因為多數通孔元件只能通過波峰焊接爐而不是回流焊接爐來處理,這種布局幫助把元件混合配合適當的焊接工序。直到所有通孔元件可以經受回流焊接環境和波峰焊接沒有必要了,這種生產線的布局將繼續部分地依靠所要求的焊接工藝的供應。

  異型自動化經濟上合算嗎?
  全自動裝配系統的投資回報(ROI, return on investment)可以在12~18個月內實現,對類似的、高再用固定設備的標準是3~5年。半自動方法,具有相當少的固定資產費用,可能提供甚至更快的回報。
  另外,如果考慮到由于手工異型裝配通常所產生的品質輸出差而造成的收入損失,那么自動化可能更加合理。如果計算報廢、浪費、返工、修理、退回貨品的重檢查、裝運和重新包裝、索賠應付、更換、和聲譽的附加成本,那么手工異型裝配可能是成本太高了。

  結論
  異型裝配不一定是一個手工的過程。對那些已經開始將其生產線上那些保留下來的手工工藝自動化的工廠來說,其結果更說明投資的合理。一些工業領先者光在返工一項就得到每年很多的節省,單線上的缺陷減少75%。有這樣的效益和全自動與半自動兩種裝配系統的存在,將生產線上現存的手工異型工藝自動化,對生意是有好意義的。


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