1.2 表面组装技术的发展及电子智能制造

1.2.1 表面组装技术的组成和特点

1.表面组装技术的组成

电子组装的核心技术就是表面组装技术（SMT），包含表面组装元器件、电路基板、组装技术、组装工艺、组装材料、组装设备、组装测试、组装管理等多项技术，是一门涉及微电子、精密机械、自动控制、焊接、精细化工、材料、监测、管理等多种专业和多门学科的系统工程。SMT的组成如图1-3所示。

2.表面组装技术的特点

当前，表面组装技术已经进入微组装、高密度组装和立体组装技术的新阶段。这种技术成为当今微电子技术的重要组成部分，是由其特点决定的。与通孔插装技术相比，表面组装技术具有以下特点：

①组装密度高，产品体积小，质量小。SMC和SMD的体积只有传统的元器件的1/10～1/3左右，可以装在PCB的两面，有效利用了印制电路板的面积，减小了电路板的质量。一般采用表面组装技术后可使电子产品的体积缩小40%～60%，质量减小60%～80%。例如，一个64引线的双列直插式封装（Dual In-line Package，DIP），组装面积为25mm×75mm，同样引线采用间距为0.63mm的QFP，组装面积为12mm×12mm，面积为通孔插装技术的1/12。

②可靠性高，抗振能力强。SMC和SMD无引线或引线很短，质量小，因而抗振能力强，其焊点失效率可比PTH元器件至少降低一个数量级，大大提高了产品的可靠性。SMT组装的平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）为25万小时，目前几乎有90%的电子产品采用SMT工艺。

③高性能。SMC和SMD贴装牢固，为无引线或短引线，降低了寄生电感和寄生电容的影响，提高了电路的高频特性。采用SMC和SMD设计的电路最高频率可达3GHz，而采用通孔插装元器件仅为500MHz。采用SMT也可缩短传输延迟时间，可用于时钟频率为16MHz以上的电路。若使用MCM技术，计算机工作站的高端时钟频率可达100MHz，由寄生电抗引起的附加功耗可降低到原来的1/3～1/2，可以毫不夸张地说没有表面组装技术就没有计算机、手机等现代高频电子产品。

④降低成本。表面组装技术使PCB面积减小，产品成本降低；使元器件成本降低，组装中省去引线成型、打弯、整型的工序；频率特性提高，降低了电路调试费用；片式元器件体积小、质量小，降低了包装运输和储存的费用；焊点可靠性提高，降低了调试和维修成本。

⑤高效率。表面组装技术更适合自动化大规模生产。采用计算机集成制造系统（CIMS）可使整个生产过程高度自动化，将生产效率提高到新的水平。目前通孔插装元器件安装印制板的电子组装要实现完全自动化，还需扩大40%原印制板面积，这样才能使自动插件的插装头将元器件插入，否则没有足够的空间间隙，将碰坏零件。

3.表面组装技术的应用

表面组装技术在各种行业的应用越来越广，从最初应用于消费类电子产品、家电、办公设备、计算机、数码产品，到现在应用于航天军事、通信基站、网络信息、电力电源、安防、仪器仪表、汽车，并延伸到照明、LED、太阳能、风能、潮汐能、核能等新能源领域。人们对电子产品也提出了更高的要求，不仅限于功能要求，更多的是质量和可靠性的要求不断提高。

表面组装技术的应用产品根据用途大致分成以下几类：

①消费类产品。包括游戏、玩具、音响电子设备等。

②通用产品。如企业和个人用计算机、家用电器、数码相机、打印机、办公设备。与消费类产品比较，用户期望产品有较长的使用寿命，并享受长期服务。

③通信产品。包括电话、手机、交换机、通信基站、路由器、无线传输设备等。

④安防仪器。包括检测仪器、测试设备。

⑤工业产品。尺寸和功能是这类产品重点关注的，成本也是非常重要的。

⑥高性能产品。如军舰、航天、军用产品、高速大型计算机、医疗设备、新能源设备等。这类产品要求高可靠性和高性能。

⑦航天产品。包括所有能够满足外界恶劣环境要求的产品。在各种不同环境和极端的自然条件下可达到优质和高性能的产品。

⑧军用航空电子产品。需要满足机械变化和热变化的要求，应重点考虑尺寸、质量、性能和可靠性。

⑨汽车产品。汽车内的电子模块应用越来越多，这类产品面临着极端的温度和机械变化，安全性要求很高。

1.2.2 表面组装技术的发展

1.发展历史

从1985年中国引入第一台贴装机开始，表面组装技术得到快速发展。1985—2016年中国共引进140794台自动贴装机，其中2000—2009年是快速增长期，引进69778台自动贴装机。2010—2017年的8年是SMT的发展高峰期，共引进80516台贴装机。经过多年的发展，之前进口的贴装机在向新的机型发展以适应电子产品不断向小型化、多样化、智能化方向发展。

2.地域发展情况

从地区发展来看，SMT产业主要集中在珠三角、长三角地区，环渤海地区及重庆、四川等西部地区也进一步增长，同时，江西、湖南、安徽、河南、湖北等地拥有各种丰富的资源、优惠条件以及便利的交通，将会吸引SMT工厂往内地转移。

1.2.3 新时期对表面组装技术的挑战

当前，表面组装技术取得了很大的技术进展，但仍然存在一些技术挑战。

①元器件体积进一步小型化对工艺要求的提高。在大批量生产的微型电子整机产品中，01005系列元器件，以及窄引线间距达到0.15mm的QFP或BGA、CSP、QFN和FC等新型封装的大规模集成电路已经大量采用，对表面组装工艺水平、设备的定位系统等提出了更高的精度与稳定性要求。

②SMT产品的可靠性的进一步提高。微小型SMT元器件被大量采用和无铅焊接技术的应用，使得在极限工作温度和恶劣环境条件下，消除因为元器件材料的热膨胀系数不匹配而产生的应力，避免这种应力导致电路板开裂或内部断线、元器件焊接被破坏，成为不得不考虑的问题。

③电子组装设备的挑战。近年来，各种电子组装设备正朝着高密度、高速度、高精度和多功能方向发展，高分辨率的激光定位、光学视觉识别系统、智能化质量控制等先进技术得到推广应用。表1-2列出的是电子组装设备面临的挑战。

④柔性PCB的表面组装技术要求。随着电子组装中柔性PCB的广泛应用，在柔性PCB上安装SMC已经实现，其难点在于柔性PCB如何实现刚性固定的准确定位要求。

1.2.4 表面组装技术和装备发展趋势

新技术革命和成本压力催生了自动化、智能化和柔性化生产制造，组装、物流装连、封装、测试一体化的制造企业生产过程执行管理系统（Manufacturing Execution System，MES）。SMT设备通过技术进步提高电子业的自动化水平，从而实现少人作业，降低人工成本，增加个人产出，保持竞争力，这是SMT行业的主旋律。高性能、易用性、灵活性和环保是SMT设备的主要发展必然趋势。

1.技术发展趋势

表面组装技术总的发展趋势是元器件越来越小，安装密度越来越高，安装难度也越来越大。最近几年，表面组装技术又进入一个新的发展高潮。为适应电子产品整机向短、小、轻、薄方向发展，出现了多种SMT新型封装元器件，并引发了生产设备、焊接材料、贴装和焊接工艺的变化，进而推动电子产品制造技术走向新的阶段。

①半导体封装与表面组装技术的交叉应用进一步加强；

②表面组装技术将加快从传统的制造到智能制造的转型升级；

③5G手机、网络通信设备发展加快；

④国产设备进一步发展；

⑤汽车电子、医疗电子、安防、新能源等领域是表面组装技术的重点发展方向。

2.高精度、柔性化

行业竞争加剧、新品上市周期日益缩短、对环保要求更加苛刻；顺应更低成本、更微型化趋势，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、高速易用、更环保以及更柔性的方向发展：贴装头功能实现任意自动切换，贴装头实现点胶、印刷、检测反馈，贴装精度的稳定性将更高，元器件和基板兼容性能力将更强。

3.高速化、小型化

高速化、小型化带来了高效率、低功率、占空间小、低成本。贴装效率与多功能双优的高速多功能贴装机的需求逐渐增多，形成多轨道、多工作台贴装的生产模式。

4.半导体封装与表面组装技术融合

电子产品体积日趋小型化、功能日趋多样化、元器件日趋精密化，半导体封装与表面组装技术的融合是大势所趋。半导体厂商已开始应用高速表面组装技术，而表面组装生产线也综合了半导体的一些应用，传统的技术区域界限日趋模糊。技术的融合发展也带来了众多已被市场认可的产品。POP技术已经在高端智能产品上广泛使用，多数品牌贴装机公司提供倒装芯片设备（直接应用晶圆供料器），即为表面组装与半导体封装融合提供了良好的解决方案。

1.2.5 电子智能制造

市场需求的多样性使得以往靠单一品种大批量生产、批量降低成本的方法逐渐无法再施展其威力，企业更多地转向多品种、小批量及个性化定制生产，定制生产已成为当今社会上的主要生产类型。大规模定制是近些年来在智能制造的背景下，在制造企业逐渐发展起来的一种生产业务模式，是制造业今后的一个发展方向。

制造装备的智能化是制造技术发展最具有前景的方向。近20年来，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具有柔性，而且还要有智能性，以便应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境。

通过自动化、数字化、信息化的建设，实现多个数字化车间的统一管理与协同生产，将车间的各类生产数据进行采集、分析与决策，并将优化信息再次传送到数字化车间，实现车间的精准、柔性、高效、节能的生产模式。电子制造属于离散型生产模式。

1.对于电子智能化数字化工厂的要求

①设施全面互联。建立各级标识解析节点和公共递归解析节点，促进信息资源集成共享；建立工业互联网工厂内网，采用工业以太网、工业现场总线、IPv6等技术，实现SMT生产线所有装备、传感器、控制系统与管理系统的互联。利用IPv6、工业物联网等技术实现工厂内网、外网以及设计、生产、管理、服务各环节的互联，支持内、外网业务协同。这就要求所有的设备具备可以联网的接口，实现全面互联。

②系统全面互通。电子工厂的总体设计、工艺流程及布局均已建立数字化模型，可进行模拟仿真，应用数字化三维设计与工艺技术进行设计仿真；建立制造执行系统（MES），实现计划、调度、质量、设备、生产、能效等管理功能；建立企业资源计划系统（ERP），实现供应链、物流、成本等企业经营管理功能；建立产品数据管理系统（PDM），实现产品设计、工艺数据的管理。在这些基础上，制造执行系统、企业资源计划与数字化三维设计仿真软件、产品数据管理（PDM）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）等系统实现互通集成。

③数据全面互换。建立生产过程数据采集和分析系统（SCADA），实现生产进度、现场操作、质量检验、设备状态、物料传送等生产现场数据自动上传、信息反馈，并实现可视化管理。制造执行系统、企业资源计划与数字化三维设计仿真软件、产品数据管理、供应链管理、客户关系管理等系统之间的多元异构数据实现互换。建有工业信息安全管理制度和技术防护体系，具备网络防护、应急响应等信息安全保障能力。建有功能安全保护系统，采用全生命周期方法有效避免系统失效。

④产业高度互融。构建基于云计算的集成共享服务平台，实现从单纯提供产品向同时提供产品和服务转变，从大规模生产向个性化定制生产转变，促进制造业与服务业相融合。

2.智能制造系统

建立制造执行系统，实现生产计划管理、生产过程控制、产品质量管理、车间库存管理、项目看板管理智能化，提高企业制造执行能力。建立企业资源计划系统，实现供应链、物流、成本等企业经营管理功能。建立工厂内部通信网络架构，实现设计、工艺、制造、检验、物流等制造过程各环节之间，以及制造过程与制造执行系统和企业资源计划系统的信息互联互通。

①生产排程柔性化。建立高级计划与排产系统（APS），通过集中排程、可视化调度及时准确掌握生产、设备、人员、模具等生产信息，应用多种算法提高生产排程效率，实现柔性生产，全面适应多品种、小批量的订单需求。

②生产作业数字化。生产作业基于生产计划自动生产，工单可传送到SMT机台，系统自动接收生产工单，并可查询工艺图纸等工艺文件。

③质量控制可追溯。建立数据采集和分析系统（SCADA），通过条形码、二维码或无线射频识别（RFID）卡等识别技术，可查看每个产品生产过程的订单信息、报工信息、批次号、工作中心、设备信息、人员信息，实现生产工序数据跟踪，产品档案可按批次进行生产过程和使用物料的追溯；自动采集质量检测设备参数，产品质量实现在线自动检测、报警和诊断分析，提升质量检验效率与准确率；生产过程的质量数据实时更新，统计过程控制（SPC）自动生成，实现质量全程追溯。

④生产设备自管理。SMT设备台账、点检、保养、维修等管理实现数字化；通过传感器采集设备的相关工艺参数，自动在线监测设备工作状态，实现在线数据处理和分析判断，及时进行设备故障自动报警和预诊断，部分设备可自动调试修复；设备综合效率（OEE）自动生成。

⑤生产管理透明化。可视化系统实时呈现包含生产状况（生产数、生产效率、订单总数、完成率）、品质状况（生产数中的不良数、不良率）、设备状况等生产数据；生产加工进度通过各种报表、图表形式展示，直观有效地反映生产状况及品质状况。