前言

随着近年来消费电子与智能终端类产品的广泛普及，对于电子组装与制造企业的产能与效率提出了越来越高的挑战。一方面，设计师们会尽其所能在单位面积里设计组装更多元器件，另一方面则是在生产制造环节要求越来越高的可靠性。在典型的元器件贴装工艺中，细小的元器件都是由吸嘴真空吸附的方式，将元器件从送料器取放至电路板上，从而完成组装环节的。

技术背景及介绍

为什么需要对吸嘴加以管控？根据笔者长期跟进的客户分析发现，吸嘴的状况直接影响贴装不良以及抛料损失。以可统计的抛料损失为例，笔者在华南某高端智能手机PCB板贴片工厂调研发现，该工厂单块PCB板贴片物料为800颗，小时产能340片，日生产时长23小时，30条贴片线，每日的贴片物料为：1.88*108  颗。在导入吸嘴管控设备之前，该厂的SMT车间的物料抛料率约为1000ppm; 每日的电子物料损耗约为18.8万颗。经过导入吸嘴清洗管控设备之后，抛料率降低至500ppm,但是每日的电子料损仍高达约为9.4万颗。JIT供应链里，厂商会尽可能减少库存，提升物料库存周转率，每一颗物料的损失，意味着成品的出货量的减少。从物料损耗的数目来计，该公司每日万分之五的物料抛料相当于117部成品产品的物料用量。

在贴片组装工艺里，电子元器件物料通过送料器（feeder）按照组装要求，将元器件送至指定位置，而安装在贴片头上的吸嘴则负责通过真空吸附的方式将元器件拾取、贴放至指定区域，从而完成整个组装流程。事实上，与元器件直接接触、最高频的动作部件就是贴片机吸嘴。

图2-1贴片不良原因分析

由图的工艺分析图中可以看到，吸嘴状态的好坏在贴装过程中的拾取、定向、贴装等各个环节均直接影响贴装品质。由图可见，典型的吸嘴结构包含缓冲机构、反光机构、吸取针孔、定向标识等几个方面。吸嘴的不良主要体现在以下几方面：

1） 吸嘴真空不良。由于贴片机长期处于真空负压环境下工作，内壁久而累积的粉尘、锡膏等杂质会导致堵塞，从而降低吸附力丧失，在高速贴装过程中导致物料丢失；

        图2-2  典型的吸嘴结构                    图2-3  吸嘴破损                               图2-4  吸嘴堵塞

1） 吸嘴缓冲部位顺滑度欠缺不良。为保证吸嘴在拾取元器件以后向焊盘着陆时的贴装力度，部分吸嘴自带弹簧缓冲机构。然而，一旦该缓冲机构失效同时机器未能有效感知，则会导致贴装过程中的“硬着陆”，过程中产生的冲击力将会导致元器件的开裂、脱位，从而导致品质隐患；

图2-5  电容元器件开裂（图片源自网络）

2） 吸嘴反光面不良。吸嘴上的反光面，其主要作用是在机器高速贴装过程中对于所吸附的元器件的背景轮廓予以反光，从而有利于贴片机姿态定位相机的拍照、定位。反光面的划伤、破损将会影响贴片机的相机定位、辨识，从而影响贴装位置精度；

3） 吸嘴针尖带磁。由于部分吸嘴的针尖采用的是钨钢材质，由于长期在电磁环境下作高速运转，过程中会导致吸嘴被磁化。带磁性的吸嘴，在将器件贴装于基板之后分离的过程中其磁力可能会将元件带动、偏移，导致贴装精度不良。

4） 吸嘴表面二维码损坏。为追溯吸嘴的类型与编号，部分贴片机会在吸嘴上雕刻二维码。通过识别吸嘴上的二维码，贴片机可以根据物料的形状选取对应的吸嘴类型。反之，选取错误（条码类型未作识别）则会导致机器批量抛料，影响品质。

通过对SMT贴片工艺流程的分析，我们发现，吸嘴的不良直接会导致物料是否完好、贴装品质是否合格甚至该颗物料是否会被报废。管控好吸嘴意味着可以直接降低物料的损失。显然，市场上需要一款设备能有效管控贴片机吸嘴、降低贴装不良、提升品质的吸嘴管控设备。

市场调研及分析

2018年之前，我们的主要产品为SMT印刷机自动加锡膏装置，因而积累了大批行业标杆、技术领先的企业。这些客户大部分位于珠三角、长三角等经济发达区域。客户群包括汽车电子、OEM代工、平板显示、消费电子等领域的代表性的企业。为使产品研发的决策更科学，我们决定对公司现有的客户做批量调研，希望用尽可能多的数据来支持后续的研发方向。

针对业界现有的吸嘴清洗设备及清洗技术做详细的市场分析。为此我们设计了调查问卷。

图3.1

图3.2

通过对以上数据进行回归分析，综合分析发现，目前的吸嘴清洗机主要存在以下问题点：

1） 清洗手段以超声波为主，清洗效果不佳；

2） 清洗效率低下，需要人工摆放；

3） 吸嘴孔径微小，缺乏有效检测。

为此，我们进一步设计了问卷反馈，方便科学的数据统计以及批量调研。通过对回归分析，我们发现，决定客户对于吸嘴清洗机的使用情况的影响因子分别是：脏污清洗能力、自动化程度、清洗后的检测；

微孔清洗技术要点理论分析以及实际验证

高速贴片机吸嘴，由于其长期高频、往复的吸附运动，过程中不可避免将工作环境中的粉尘、油污等杂质吸入微孔内，久而久之导致内孔堵塞、运行失效。杂质主要包括：粉尘、锡珠、油污等。将杂质与基材粘合，其形成机理包括多种原因。SMT贴片机吸嘴，其大多介于200um~3mm之间，而其内孔吸附的单个浮尘颗粒大多介于10um~100um之间。在微米级的条件下，微粒吸附于基材的常见机理包括：

1） 范德华力；普遍存在于固、液、气态等微粒之间的一种分子间的作用力。

2） 毛细力；一种与环境湿度相关的、由于环境液体介质分子的收缩造成固体颗粒与平面粘结的一种微力。

3） 静电吸附力；

4） 化学键作用力。吸嘴内壁通常是由助焊剂等环氧树脂双组分高分子化合键形成的粘附作用力。

5） 酸碱效应造成的电势运动吸附力等等。

图4-1 造成颗粒与基材粘附的范德华力（A）和毛细力（B）【2】

在微观条件下，通过对微粒施加外力促成颗粒运动，从而将微粒与基材剥离，其主要手段包括：

1） 物理冲击与剥离；

2） 重力自然脱落；

3） 布朗运动；

4） 热传导运动；

5） 静电作用力；

6） 光电作用等等。

超声波清洗技术，是一种常用的工业清洗技术。其作用机理是，将待清洗的物体浸泡于液体介质中，压电式换能器（超声波振子）产生18K~500KHZ高频震动将能量传送至液体介质中并产生正弦冲击波（图4-2）。液体介质在高频冲击波的冲击下，持续产生微小的气泡、坍缩、破裂。在这段过程中，气泡闭合的瞬间产生冲击波，使气泡周围产生巨大撕裂效应从而破坏微粒与基材的粘结（图4-3），而使他们分化于溶液中。

图4-2

图4-3

然而，经过我们的市场调研发现，现有客户对于现有市售的超声波清洗机清洗效果并不满意，特别是孔径在0201以下的吸嘴尤为明显。为何超声波工艺对于贴片机吸嘴孔内壁清洗效果不佳呢？

这主要是由于吸嘴的微孔结构，对于超声波的能量产生了反射、折射、吸收以及衰减效应，大大影响了能量在微孔内部的传输。而孔径越细、针管越长，对能量的吸收与衰减效应更加明显。（图4-4）

　图4-3  水波通过窄缝产生的干涉和衍射现象

图4-4  经超声波清洗工艺仍无法清洗干净的吸嘴

（图片源自网络）

三捷机械(Synergie)经过多次的实验、测试以及客户反馈，总结出一套行之有效的清洗手段，即：舍弃常规的超声波清洗工艺，高压水柱冲洗辅以高压气体吹淋的方式，对吸嘴做完整的清洗。实验证明，该方法对于细长微孔的清洗具有明显效果。

图4-5  细长微孔的新型清洗方法

实际效果及验证

吸嘴使用过程中，堵塞吸嘴的异物主要有粉尘和锡膏两种。为验证细长微孔的清洗方法，我们特别挑选了一家领先的汽车电子制造工厂，以三捷公司的211F系列吸嘴清洗机做验证。在测试的客户中，西门子的吸嘴脏污比较严重，操作人员用西门子吸嘴作为测试样品进行清洗强度测试并选用使用频率最高的6004吸嘴进行测试。验证分为四个层次：常规粉尘类脏污的清洗、人为轻微锡膏堵孔清洗能力验证、24小时极限堵塞清洗能力验证以及48小时锡膏堵孔极限能力验证。

图5-1  211F系列吸嘴清洗机

粉尘类堵塞清洗能力验证。客户随机选取20个粉尘堵孔的吸嘴验证设备清洗能力，采用常规清洗手段进行清洗。即：普通纯净水清洗20秒、风干5秒，每个吸嘴只洗1遍。其清洗前后的清洗效果对比如下图所示：

图5-2  清洗之前的部分吸嘴影像

图5-3  清洗之后的部分吸嘴影像

锡膏堵孔的清洗能力验证。测试条件：将吸嘴前端孔内人为用锡膏堵上，只堵一个孔，常温晾干24小时。将清洗机清洗参数按正常设置，即：普通纯净水清洗20秒、风干5秒，每个吸嘴只洗1遍。测试吸嘴数量为20个。其清洗及检测的前后效果对比如图5-3所示：

图5-4  人为轻微堵孔清洗能力验证

图5-5  24小时人为极限堵孔清洗能力验证

　　图5-6  48小时人为极限堵孔清洗能力验证

　　（图片摘自客户实际验证报告，经许可转载）

24小时极限堵塞清洗能力验证。实验人员选取了20只吸嘴，人为涂满锡膏并静置24小时以上，然后将吸嘴放至清洗机清洗。清洗机清洗参数设置：普通纯净水清洗30秒、风干5秒，每个吸嘴只洗3遍。其效果如图5-4所示。

48小时锡膏堵孔极限能力验证。实验人员选取了20只吸嘴，人为涂满锡膏并静置48小时以上，然后将吸嘴放至清洗机清洗。清洗机清洗参数设置：普通纯净水清洗30秒、风干5秒，每个吸嘴只洗3遍。其效果如图5-5所示。

由图可见，对于普通粉尘类的脏污，对于211F智能吸嘴清洗机，只需正常设置清洗参数，即可实现95%以上的清洗直通率。对于人为堵孔的吸嘴，即便经历了24小时的干结，机器经过增加清洗次数、延长清洗时间的方式实现90%以上的清洗直通率。

由于吸嘴的针嘴式结构，部分脏污颗粒可能存在于吸嘴的中间且深入孔内，而视觉拍照的方式仅局限于吸嘴的表面，为使得验证的效果更具科学性，作业人员在吸嘴清洗完毕之后，集中测试吸嘴内孔真空值，将吸嘴真空值加以量化分析。作业人员选择了50只机器判定合格的吸嘴，并测试了清洗的真空值。该款吸嘴的目标真空值为-62.5Kpa，下限值-60.5KPa,上限值-64.5Kpa,其数据及CMK指数报告如下：

图5-7  50只吸嘴真空实测值分布图

数据显示，经机器清洗、检测合格的吸嘴，其内孔真空分布中心值为-62.73KPa，其CMK值大于1.67，说明其吸嘴的内孔的通透处于合格区间。综合影像检测与真空值检测，说明无论是粉尘类的脏污还是锡膏类的堵塞，211F型吸嘴清洗检测机清洗效果良好，检测效果良好。

结论

进入二十一世纪以来，中国在智能手机、新能源汽车、无人机制造等行业形成了一整套完整的产业链，在高端制造方面形成了较强的国际竞争力。由于大规模化智能制造所催生的对于品质提升、降低成本的需求，衍生出一系列自动化产品的需求。在微孔清洗这一细分领域，我们通过与国内高端制造工厂的深度合作及应用分析，我们并未盲目采用传统超声波清洗工艺，而是通过高压清洗，并将清洗与检测技术相结合，对于细、长型的吸嘴微孔形成了一套独特的清洗方法，研制出智能吸嘴清洗检测机这一类细分市场的专业产品。实践证明，该产品可以从源头上对贴片机吸嘴加以管控，满足了智能制造的需求。

鸣谢

2017年，我们将智能吸嘴清洗检测机项目立项研发，从首台原型机器的试制、小批量试产，到成功应用于最高端的手机生产线，期间得到行业内领军企业的技术工程师、研发骨干人员的指点、反馈。

本文作者在撰写过程中，通过对市场的广泛调研与接洽，也得到相当一部分高端电子制造企业的技术人员的沟通、建议、反馈以及技术协助。这些源自产业一线的信息对于我们产品的定位、市场决策起了相当重要的作用。在此对部分代表企业表示感谢。（排名不分先后）

伟创力制造（珠海）有限公司

蓝威电子有限公司

深圳市共进电子股份有限公司

博世（中国）有限公司

联想集团

比亚迪股份有限公司

华勤通讯股份有限公司

长春纬湃汽车电子有限公司

作者简介

杨文雄，现任深圳市三捷机械设备有限公司商务拓展经理，负责产品战略研发及市场导入工作。