我国SMT装备制造业发展现状及面临的瓶颈分析

文章出处:未知  点击率:  发布时间:2015-10-10 11:55:52

  毫无疑问,我国已成为全球电子制造大国,并正向电子制造强国快速迈进。电子装备的自动化程度高低,是衡量一国是否为电子制造强国的标志。从亚洲电子制造设备风向标的NEPCON CHINA 2014展会上可以看出,国内电子整机SMT(表面贴装技术)制造设备在印刷机、回流焊、AOI(自动光学检测)设备等环节取得巨大进步,而在SMT生产线最关键的贴片机(小型贴片机除外)设备方面仍未有一家企业可以生产,面临严峻的资金、技术、标准等诸多问题。实现电子制造强国梦,必须走SMT设备的自主研发之路,集中优势力量突破贴片机产业化困境。

  一、SMT装备产业生态图

  SMT(Surface Mount Technology)是指片式元器件装焊在印制电路板表面上的一种技术。与传统通孔组装技术相比,该技术具有组装密度高、产品体积小(体积缩小40%~60%)、重量轻(重量减轻60%~80%)、可靠性高、抗振能力强、易于实现自动化等优点。

  目前,日、美等发达国家80%以上的电子产品采用了SMT。其中,网络通信、计算机和消费电子领域是主要的应用领域,市场占比分别约为35%、28%、28%,其他应用领域还包括汽车电子、医疗电子等。

  SMT生产线主要包括以下几种设备:贴片机、印刷机、SPI(锡膏检测仪)、波峰焊设备、回流焊设备、AOI检测设备、X-Ray检测设备、返修工作站等。涉及的技术包括:贴装技术、焊接技术、半导体封装技术、组装设备设计技术、电路成形工艺技术、功能设计模拟技术等。

  

  图1 SMT工艺流程涉及的设备

  其中,贴片机是用来实现高速、高精度、全自动贴放元器件的设备,关系到SMT生产线的效率与精度,是最关键、最复杂的设备,通常占到整条SMT生产线投资的60%以上。目前,贴片机已从早期的低速机械贴片机发展为高速光学对中贴片机,并向多功能、柔性化、模块化发展。

  表1 国内外主要SMT设备厂商

  

SMT设备

  国外主要企业

  国内主要企业

  印刷机

  DEK(2013年被ASM PT收购)、ERKA、日立、SONY、松下、MINAMI、SPEEDLINE

  凯格、格林、德森、日东

  点胶机

  诺信ASYMTEK、CAMELOT

  安达、轴心自控

  回流炉

  ERSA、BTU、HELLER、维多利邵德、ETC

  日东、劲拓、科隆威、冈阳、河西

  贴片机

  ASM PT、富士、松下、JUKI(2013年JUKI贴片机和SONY贴片机部合并)、YAMAHA、环球、三星、安必昂、未来、元利盛、天龙。特殊领域应用的贴片机厂商还包括:MY DATA、EURO PLACER等

  国内尚无法生产常规贴片机,仅能生产小型LED贴片机。

  AOI检测设备

  欧姆龙、SAKI、TRI、德律泰电子(台湾在中国大陆注册的公司)

  神州视觉、振华兴、矩子、赫立

  X-Ray检测设备

  DAGE、PHONIX、GE、岛津、善思

  日联

  返修工作站

  ERSA、OKI、FINETECH、VJ

  效时、卓茂、福斯托、

  从NEPCON CHINA 2014展会可以看出,国内企业在印刷、焊接、检测等环节已涌现出较有实力的企业,如日东、劲拓的焊接设备,凯格的印刷机,神州视觉的AOI检测设备,日联的X-Ray检测设备等。但核心环节的贴片机则仍旧由日、德、韩、美把持,主要制造商包括:ASMPT(ASMPT于2011年收购西门子旗下的SIPLACE贴装设备部)、松下、环球、富士、雅马哈、JUKI、三星等。

  二、SMT制造产业与技术发展趋势

  (一)产业发展趋势

  产业转型升级为SMT设备市场带来机遇和挑战。

  在新技术革命和经济社会发展新诉求的共同推动下,需求在深度和广度方面都发生了重大变化。当前,“转型升级”和“两化融合”正是体现这两方面推动因素作用下需求发生变化的标志性概念。降低人工成本,增强自动化水平是制造端技术转型升级的根本要求,也为SMT设备带来了强劲的需求动力。

  一 方面,对生产和制造复杂度、精准度、流程和规范提出了更高要求;另一方面,劳动力等要素成本在上升,面临成本和效率的双重诉求。上述两方面的原因催生了自 动化、智能化和柔性化的生产制造、加工组装、系统装连、封装测试。目前,四川长虹已计划通过技术进步提高自动化水平,从而降低成本、保持竞争力,争取在近2年内将人工成本降低20%,4年内降低50% 。

  高性能、易用性、灵活性和环保是SMT设备的主要发展趋势之一。

  随 着电子行业竞争加剧,企业需要不断满足日益缩短的新品上市周期、对清洗和无铅焊料应用更加苛刻的环保要求,并能顺应更低成本以及更加微型化的趋势,这对电 子制造设备提出了更高的要求。电子设备正在向高精度、高速度、更易用、更环保以及生产线更加柔性的方向发展。贴片机的高速头与多功能头之间可以实现任意切 换;贴片头换成点胶头即变成点胶机。印刷、贴装精度的稳定性将更高,部品和基板变化时所持有的柔性能力将更强。

  同时,通过产线高速化、设备小型化带来了高效率、低功率、低成本。对贴片机来说,能满足生产效率与多功能双优的高速多功能贴片机的需求逐渐增多,双通道贴装的生产模式生产率可达到100000CPH左右。

  半导体封装与表面贴装技术的融合趋势明显。

  随 着电子产品体积日趋小型化、功能日趋多样化、元件日趋精密化,半导体封装与表面贴装技术的融合已成大势所趋。目前,半导体厂商已开始应用高速表面贴装技 术,而表面贴装生产线也综合了半导体的一些应用,传统的装配等级界限日趋模糊。技术的融合发展也带来了众多已被市场认可的产品。比如,环球仪器子公司Unovis Solutions的直接晶圆供料器,即为表面贴装与半导体装配融合提供了良好的解决方案。

  (二)技术发展动向

  设备生产率的发展动向。

  贴片机的贴装速度方面,2014年NEPCON CHINA展会上,代表全球贴片机先进水平的ASMPT公司展出的SIPLACE X4iS,贴装速度达到150000CPH,实际贴装节拍0.024秒/点。

  JEITA电子组装技术委员会在《2013年组装技术路线图》中预计,随着消费者对中低端电子产品需求的爆发式增长,超大量生产的要求有望使贴片机的贴装速度在2016年达到160000CPH(0.0225秒/点),2022年达到240000CPH(0.015秒/点)。芯片级封装器件的贴装速度将从2012年的3600CPH提升至2016年的3800CPH、2022年的4000CPH。

  届时,贴片机贴装头的取放将发生根本性变革,同时,部品供料部也将形成“没有部品供给与互换的供料部系统”,高性能连续性的新一代供给方法将进入人们的视野。

  表2 贴片机理论最高贴装能力预测

  


  2012

  2016

  2022

  贴装部品(贴装速度)

  150000(0.024秒/点)

  160000(0.0225秒/点)

  240000(0.015秒/点)

  芯片封装器件的贴装(贴装速度)

  3600(1秒/点)

  3800(0.95秒/点)

  4000(0.9秒/点)

  高密度化的贴装精度。

  目前,电子产品选用的Chip部品趋于小型化、薄型化,芯片接线间距和焊球直径一直减小,对贴装设备的对准和定位精度提出了更高要求。

  表3 不同部品的最高贴装精度(um)

  

部品分类

  2012

  2016

  2022

  芯片级部件

  ±40

  ±20

  ±20

  QFN

  单列配置

  ±30

  ±30

  ±30

  交错式配置

  ±30

  ±30

  ±30

  QFP

  ±30

  ±30

  ±30

  FBGA(WL-CSP)

  ±30

  ±30

  ±20

  FLGA

  ±30

  ±30

  ±30

  Flip Chip

  对应组装基板

  ±15

  ±10

  ±10

  对应设备

  ±10

  ±5

  ±5

  资料来源: JEITA电子组装技术委员会《2013年组装技术路线图》,江苏电子学会SMT专委会编译。

  目前,高端多功能贴片机已开始大量贴装0402部品,ASM公司展出的SIPLACE X4iS,已可贴装03015元器件,而在AV电子产品、车载电子产品仍以1005部品为主。日本JEITA电子组装技术委员会预测,到2020年贴装部品将出现0201尺寸。

  根据已有的技术标准,对部品贴装精度的动向发展如表3所示。

  表4 电子组装设备面临的挑战

  


  要求

  挑战性课题

  组装品质

  提高直通率

  组装过程控制

  设备对部品、基板具备相应柔性

  可靠性

  对看不见的焊点可高速确认检测

  逐一加热(部分加热形式)

  长期精度保证

  自行检测、自行修复

  可持续调整良品生产模式

  生产率

  柔性对应不同产品

  非设定模式、头部更换

  高速部品供给

  新型的部品供给部

  消减准备作业时间

  由CAD数据直接贴装、自动调整参数

  准备作业极少的部品供给部

  组装工艺

  无网板式印刷

  喷涂方式

  3D组装

  多级组装、立体组装

  接合方法

  替代焊料的低温结合方法和工艺

  对应极小部品

  极小部品组装的材料、印刷、贴装、回流

  自动化、无人化

  完全自动的组装产线

  资料来源:JEITA电子组装技术委员会《2013年组装技术路线图》,江苏电子学会SMT专委会编译。

  对 贴片机厂商来说,高密度化贴装精度带来的挑战有:一是改良贴片机部品供料部,包括部品供给的位置精度、编带精度、部品本身包装精度的改善;二是由确定部品 吸着位置的轴的高刚性和驱动系统的高精度,来提升部品贴装前位置识别系统的高能力;三是在贴装过程贴片机不会产生多余的振动,对外部的振动和温度变化有强 的适应性;四是强化贴片机的自动校准功能。现代的贴片机大多都朝着高速高精度的运动控制和视觉修正系统相结合的方向发展。

  由于SMT生产线75%的缺陷率在于印刷设备,高密度化贴装精度将对印刷、检测设备厂商带来更大的挑战:一是保证工艺要求(0.66的脱模率)将对钢网厚度和锡膏量带来巨大挑战,同时需要粉径更小的锡膏,一方面增加了成本,另一方面锡膏受环境影响粘度发生变化导致印刷困难;二是无尘度的环境要求带来抽风系统、空气过滤系统、辅材、防静电地板等成本的增加;三是SPI、AOI设备在精度与速度之间的平衡将面临挑战。

  针对SMT技术发展趋势,综合考虑柔性化组装及极小部品组装时接合材料、印刷、贴装、回流等因素,组装设备将面临组装品质、生产效率、组装工艺方面的挑战,如表4所示。


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