表面貼裝技術(Surface mountingTechnology，簡稱SMT)由于其組裝密度高及良好的自動化生產性而得到高速發展并在電路組裝生產中被廣泛應用。SMT是第四代電子裝聯技術，其優點是元器件安裝密度高，易于實現自動化和提高生產效率，降低成本。SMT生產線由絲網印刷、貼裝元件及再流焊三個過程構成，如圖1所示。其中SMC／SMD(surfacemount component／Surface mountdevice，片式電子元件／器件)的貼裝是整個表面貼裝工藝的重要組成部分，它所涉及到的問題較其它工序更復雜，難度更大，同時片式電子元件貼裝設備在整個設備投資中也最大。
目前隨著電子產品向便攜式、小型化方向發展，相應的SMC／SMD也向小型化發展，但同時為滿足IC芯片多功能的要求，而采用了多引線和細間距。小型化指的是貼裝元件的外形尺寸小型化，它所經歷的進程：3225→3216→2520→2125→1608→1003→1603→0402→0201。貼裝QFP的引腳間距從1．27→0．635→0．5→0．4→0．3mm將向更細間距發展，但由于受元件引線框架加工速度的限制，QFP間距極限為0．3mm，因此為了滿足高密度封裝的需求，出現了比QFP性能優越的BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip SizePackage)、COB(Chip On Board)裸芯片及Flip Chip。
片式電子元件貼裝設備(通稱貼片機)作為電子產業的關鍵設備之一，采用全自動貼片技術，能有效提高生產效率，降低制造成本。隨著電子元件日益小型化以及電子器件多引腳、細間距的趨勢，對貼片機的精度與速度要求越來越高，但精度與速度是需要折衷考慮的，一般高速貼片機的高速往往是以犧牲精度為代價的。
一：貼片機的工作原理
貼片機實際上是一種精密的工業機器人，是機-電-光以及計算機控制技術的綜合體。它通過吸取-位移-定位-放置等功能，在不損傷元件和印制電路板的情況下，實現了將SMC／SMD元件快速而準確地貼裝到PCB板所指定的焊盤位置上。元件的對中有機械對中、激光對中、視覺對中3種方式。貼片機由機架、x-y運動機構(滾珠絲桿、直線導軌、驅動電機)、貼裝頭、元器件供料器、PCB承載機構、器件對中檢測裝置、計算機控制系統組成，整機的運動主要由x-y運動機構來實現，通過滾珠絲桿傳遞動力、由滾動直線導軌運動副實現定向的運動，這樣的傳動形式不僅其自身的運動阻力小、結構緊湊，而且較高的運動精度有力地保證了各元件的貼裝位置精度。
貼片機在重要部件如貼裝主軸、動／靜鏡頭、吸嘴座、送料器上進行了Mark標識。機器視覺能自動求出這些Mark中心系統坐標，建立貼片機系統坐標系和PCB、貼裝元件坐標系之間的轉換關系，計算得出貼片機的運動精確坐標；貼裝頭根據導入的貼裝元件的封裝類型、元件編號等參數到相應的位置抓取吸嘴、吸取元件；靜鏡頭依照視覺處理程序對吸取元件進行檢測、識別與對中；對中完成后貼裝頭將元件貼裝到PCB上預定的位置。這一系列元件識別、對中、檢測和貼裝的動作都是工控機根據相應指令獲取相關的數據后指令控制系統自動完成。貼片機的工作流程框圖如圖2所示。
二： 貼片機的結構形式
按照貼裝頭系統與PCB板運載系統以及送料系統的運動情況，貼片機大致可分為3種類型：轉塔式(turret-style)(如圖3)、模塊型(parallel-style)(如圖4)和框架式(gantry-style)。而框架式貼片機又根據貼裝頭在框架上的布置情況可以細分為動臂式(如圖5)、垂直旋轉式(如圖6)、平行旋轉式(如圖7)。
轉塔式貼片機也稱為射片機，以高速為特征，它的基本工作原理為：搭載送料器的平臺在貼片機左右方向不斷移動，將裝有待吸取元件的送料器移動到吸取位置。PCB沿x-y方向運行，使PCB精確地定位于規定的貼片位置，而貼片機核心的轉塔在多點處攜帶著元件，在運動過程中實施視覺檢測，并進行旋轉校正。轉塔式貼片機中的轉塔技術是日本SANYO公司的專利，目前將此技術運用得比較成功的有Panasert公司的轉塔式貼片機系列(最早推出的是MK系列，然后發展到MV系列，現在主推機型是MSR系列)，FUJI公司的CP系列(現在最新的是CP7系列)。
框架型貼片機的送料器和PCB是固定不動的，它通過移動安裝于x-y運動框架中的貼裝頭(一般是裝在x軸橫梁上)，進行吸取和貼片動作。此結構的貼裝精度取決于定位軸x、y和θ的精度。
盡管都采用了框架型結構，但由于貼裝頭的不同形式，可以將這種款式的貼片機分成3種，一種是Samsung、YAMAHA、Mirea等廠商主推的動臂式，還有一種是SiemensDematic主推的垂直旋轉式，第三種是SONY主推的平行旋轉式。
框架型貼片機可以采用增加橫梁／懸臂(也是增加貼裝頭)的方式達到增加貼裝速度的目的。這種結構貼片機的基本原理是當一個貼裝頭在吸取元件時，另外一個貼裝頭去貼裝元件。
模塊型貼片機可以看成是由很多個小框架型貼片機并聯組合在一起而形成的一臺組合式貼片機。目前世界上只有Assembleon(原來是PHILIPS)公司的FCM機型和FUJI公司新推出的NXT機型用到了此種技術。
模塊型貼片機使用一系列小的單獨的貼裝單元。每個單元有自己獨立的x-y一z運動系統，安裝有獨立的貼裝頭和元件對中系統。每個貼裝頭可從有限的帶式送料器上吸取元件，貼裝PCB的一部分，PCB以固定的間隔時間在機器內步步推進。每個獨立單元往往只有一個吸嘴，這樣每個貼裝單元的貼裝速度就比較慢，但是將所有的貼裝單元加起來，可以達到極高的產量。
下面對這幾種類型貼片機的性能進行綜合比較，見表1。
(1)貼裝速度
速度一直是轉塔型貼片機的優勢，但隨著技術的發展，新型貼片機的不斷推出，框架型貼片機和模塊型貼片機有幾種新機型的貼裝速度已經超越了新型的轉塔型貼片機。這從不同類型貼片機的性能參數表中可以看出。
(2)貼裝精度
隨著微型元件和密間距元件的廣泛應用，現在的電子產品在貼裝精度方面對貼片機提出了更高的要求。幾年以前，行業內可接受的精度標準還是0．1mm(chip元件)和0．05 mm(IC元件)。目前這個標準已經有縮減到0．05 mm(chip元件)和0．025mm(IC元件)的趨勢。
目前的轉塔型貼片機已經很難超越0．05mm的精度等級，最好的轉塔型貼片機也只能剛好達到這個精度。而最先進的框架型貼裝系統可以達到4σ、25μm的精度。而達到此能力的機器貼裝速度都不太高。
三：可貼裝元件范圍
轉塔型貼片機受送料方式影響，只能貼裝帶式包裝或散料包裝的元件，而管料和盤料就無法進行貼裝，即使它的視覺系統可以處理這些元件。密間距的元件一般都是采用盤料包裝形式，因此轉塔型貼片機在這項指標上是最弱的。而且受機械結構的限制，基本少有改進的余地。
四：貼片機x一y運動機構
x-y運動機構的功能是驅動貼裝頭在x軸和y軸兩個方向做往復運動，使貼裝頭能夠快速、準確、平穩地到達指定位置。
目前貼片機上的x-y運動機構有幾種不同的構成方式，分別是由滾珠絲杠+直線導軌傳動的伺服電機驅動方式；由同步齒形帶+直線導軌傳動的伺服電機驅動方式；直線電機驅動方式。
這幾種驅動方式在結構上都是類似的，都需要直線導軌做導向，只是在傳動方式存在差異。
下面主要介紹由滾珠絲杠+直線導軌傳動的伺服電機驅動方式。
圖8所示為一個基本的貼片機x-y運動機構，x軸伺服電機利用安裝于橫梁上的滾珠絲杠和直線導軌驅動貼裝頭在x軸方向運動，y軸伺服電機利用安裝于機架上的滾珠絲杠和直線導軌驅動整個橫梁在y軸方向運動。這兩個運動結合在一起就形成了一個驅動貼裝頭在x-y平面內高速運動的x-y運動機構。
在y軸方向，由于要驅動一個有一定長度的橫梁，必然要把橫梁的兩端安裝到固定的直線導軌上，兩根導軌之間有一定的跨度，而電機及傳動滾珠絲杠不可能安裝于兩根導軌的正中間位置，只能安裝于靠近一側導軌的內側。這樣，當貼裝頭的重量和橫梁的跨度達到一個較大的值時，貼裝頭在遠離電機一端的導軌近處的移動會在y軸滾珠絲杠與橫梁的結合處產生一個很難平衡的角擺力矩，y軸的加減速和定位性能會受到較大的影響。為減輕此不利因素，現在很多貼片機在y軸采用了雙電機驅動模式，如圖9所示。
采用雙電機驅動模式，兩個電機同步協調驅動橫梁移動，提高了定位穩定性，減少了定位時間，從而提高了y軸的速度和精度。
為了在單臺貼片機上達到更高的貼片速度，現在的高速貼片機都采用了雙橫梁／雙貼裝頭的技術，如圖10、圖11所示。
圖10是YAMAHA開發的框架式機型，x橫梁系統沿y向運動，x橫梁兩側分別裝有兩貼裝頭。每個貼裝頭能分別從x橫梁兩側的取料站拾取元件并貼裝。而PCB板可以在x、y平面內移動。
圖11是YAMAHA圖10機型的改進型，它采用了雙X橫梁雙貼裝頭結構。這種結構的貼片機在送板機構兩側有2個x橫梁與雙貼裝頭系統，同時兩側都有取料站與貼裝區，兩側的系統都能完成各自的取料與貼裝。
貼片機對速度和精度的要求很高。1個貼裝循環(就是貼片機完成1次取料貼片動作)，包含貼裝主軸吸取元件的時間、移動到靜鏡頭的時間、靜鏡頭攝像的時間、移動到貼裝位置的時間、校正元件偏移的時間、貼裝主軸貼裝元件的時間，這所有時間的總和要達到1～2s。當貼片機每個貼裝頭上的吸嘴數目較少(3個以下)時，x-y運動機構驅動貼裝頭移動時間的長短就成了影響貼裝速度的關鍵因素。為了達到高速貼裝的要求，x，y向要以1．25m／s或更高的速度運動，還要有較大的加、減速度(1g～2g），提速與制動的時間要盡量短。這樣貼片機就不可能像數控機床那樣把運動部件做得非常堅固、笨重，而要像小轎車、飛機那樣盡可能的減輕高速運動部件的質量和慣量，達到足夠的運動定位精度和盡可能高的加、減速性能，在這2者之中優選，實現最佳慣量匹配。
五： 國內外貼片機性能研究
國外的貼片機研制技術一直走在前列，如日本的松下、雅馬哈、富士，韓國的三星，德國的西門子，美國的環球，荷蘭的飛利浦等都已開發出非常成熟的產品系列[3]。
美國喬治亞州理工學院的D．A．Bodner，M．Damrau等利用VirtualNC仿真工具，以電子貼裝設備Siemens80S20為原型機，建立了相應的數字化樣機模型，如圖12所示。以貼裝系統、送板機構、送料系統三大核心組件為基礎，對整機性能進行了較為詳盡的研究，分析了影響貼裝速度的因素以及怎樣取得最少的貼裝周期時間。
德國埃爾蘭根大學的Feldmann與Christoph基于多體仿真的思想，集成多體動力學仿真軟件、有限元分析軟件、控制仿真工具，建立一個綜合性的多體仿真分析平臺，如圖13所示。以兩門子SiplaceF4貼片機為原型機，建立了貼片機的多體仿真數字化樣機模型，對貼片機運動物體特性、撓性、振動特性以及熱變形等進行了研究。其中重點介紹了在柔性體上建立線性約束的方法，并利用ADAMS／ENGINE模塊中的"TimingMechanism"建立了電機驅動齒形帶的仿真模型。
英國諾丁漢大學的MasriAyob博士從改善取片--貼片操作、增強運動控制、吸嘴選擇和送料器裝配等方面入手，研究了多頭順序式貼片機的優化問題。
貼片機曾是我國"七五"、"八五"、"九五"、"十五"計劃中電子裝備類別的重點發展項目之一。20多年來，國內一些研究所、大學、工廠開展了SMT生產線中各種設備(指絲印、貼片、焊接等設備)的研制工作。
從1978年我國引進第一條彩電生產線開始，電子部二所就開始了貼片機的研發工作，以后有電子部56所、電子部4506廠、航天部二院、廣州機床研究所等科研院所分別進行了研制，并取得了大量科研成果。雖然這些研究成果沒有實現產業化，但為后來者積累了寶貴的經驗。
國內現有或進行過貼片機研發、生產的企業有：羊城科技、熊貓電子、風華高科、上海現代、上海微電子、深圳日東等。羊城科技從貼片機的低端市場出發，面向圍內中小電子企業、科研院所等單位，自主研發，成功研制出SMT2505貼片機，并與西安交通大學、中南大學等展開合作，在自主研發產品基礎上，采用數字化樣機研究于段，進行了針對貼片機性能的系統研究，取得了一定成效。不過與國外機型相比還存在一定差距，而且因資金問題，產品尚未進入批量生產階段。其它的研究企業也進行了貼片機的研制，完成各自的研制課題和樣機，取得了一定的成果。由于貼片機的技術含量高，研發周期較長，投入大，因此大部分中小企業對貼片機的研發工作仍停留在樣機階段，無法將產品應用到生產線上去。
國內大專院校對貼片機的研究工作也一直末停止過，例如西安電子科技大學的閆紅超、姜建國等采用改進混合遺傳算法進行了貼片機裝配工藝優化的研究；兩安交通大學的李蕾、杜春華等對貼片機視覺檢測算法進行了研究；西南交通大學的楊帆研究了SMT貼片機的定位運動控制；龍緒明對貼片機視覺系統進行了綜述；山東大學的劉錦波基于視覺研究了楔型貼片機運動控制系統；上海交通大學機械與動力工程學院的莫錦秋、程志國、浦曉峰等研究了貼片機的控制系統，CIM研究所的曾又鉸、金燁研究了貼片機的貼裝優化問題，微電子裝備研究所的于新瑞、王石剛、劉紹軍研究了貼片機系統的圖像處理技術問題，自動化研究所的田福厚、李少遠等進行了貼片機喂料器分配的優化及其遺傳算法研究；華中科技大學的汪宏昇、史鐵林等從視覺與圖像方面進行了貼片機的相關研究；華南理工大學與風華高科合作，從視覺檢測、圖像處理、運動控制系統、效率優化等方面展開了相關研究。
六：結論
根據貼裝元器件的不同以及貼裝的通用程度不同，貼片機可分為專用型與泛用型，專用型有Chip專用型與IC專用型，前者主要追求高速，后者主要追求高精密；泛用型即可貼Chip也可貼IC，廣泛應用于中等產量的連續生產貼裝生產線中。通用貼片機的高適應性是犧牲了精度和速度的折衷設計，它的貼裝速度比高速貼裝機慢，貼裝精度比精密貼裝機低。高速貼片機的發展已經達到一定極限程度，目前貼片機制造廠商主要發展泛用機型，以適應更多的貼裝工藝需求。由于后封裝和貼片工藝已經開始相互融合，這對貼片機的精度又提出了更高的要求。
同時具有高速和高精度的要求是貼片機研制的主要難點。解決高速和高精度的矛盾需要多個學科的完美結合，需要設計、模擬、工藝、裝配、檢驗的有機聯合，這樣才能研制出高水平的貼片機。但由于貼片機的制造十分依賴基礎工業發展，這也較大阻礙了高速高精度貼片機的開發。