Emchina may jun 13 ebook

2013年5-6月

asia 中 国 电 子 制 造 技 术 的 权 威 杂 志

11

专题文章

PCB上BGA焊盘的机械强度和焊盘缩孔缺陷 的预测方法

16

专题文章

经济与环保——亚洲电子产品清洗的挑战

23

专访

努力满足不同层次客户对贴装设备的需求

封面特写

回流焊钽电容 “吹气”机理研究 P09

www.emasia-china.com

asia 中

国

电

子

制

造

技

术

的

权

威

杂

志

Contents

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目录

2013年5-6月

asia

09 COVER STORY 封面特写 回流焊钽电容“吹气”机理研究

中 国 电 子 制 造 技 术 的 权 威 杂 志

11

在实际生产中，回流焊后板上钽电容周边的小元件经常会产生移位、 少件和立碑等缺。业界有观点认为，是钽电容比周边的元件相对要 高，热风回流过程中产生“风墙效应”，造成周边的小元件被“吹 走”等缺陷的发生；基于此种判断的处理方法一般为更改设计、减小 风力或改变板子过炉的方向等。

专题文章

PCB上BGA焊盘的机械强度和焊盘缩孔缺陷 的预测方法

16

专题文章

经济与环保——亚洲电子产品清洗的挑战

23

专访

努力满足不同层次客户对贴装设备的需求

孙磊 — 中兴通讯 封面特写

回流焊钽电容 “吹气”机理研究

11

P09

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FEATURES 专题文章 PCB上BGA焊盘的机械强度和焊盘缩孔缺陷的 预测方法 在过去的几年中，已有数种估测印制电路板（PCBAs）组件上BGA焊 盘缩孔的试验方法（test method）及方法论（methodology）被开发 出来，也有多篇研究论文发表。 Mudasir Ahmad、Qiang (Johnson) Wang、Weidong Xie — 思科系统 公司数值分析技术和质量部卓越中心

16

经济与环保——亚洲电子产品清洗的挑战 Mike Jones — MicroCare 公司副总裁

11 20

电子废弃物回收贵金属的可持续解决方案—— eVOLVTM 技术 Michael B. Korzenski博士 — AIMI公司可持续技术部高级主管

24

散热管理的理想选择——导热垫片 钟起权 — Electrolube中国技术工程师

20 EM Asia-China is published six times a year by Contineo Media Pte Ltd, located at 67 Ubi Avenue 1, #06-06 StarHub Green, North Wing, Singapore 408942. All rights reserved. Please address all subscription mail to EM Asia-China at the above address, or Fax (65) 6521 9766. Annual air-speeded subscriptions for non-qualified subscribers is US$125. Single copies are available for US$25.

EM Asia-China Volume 10, Number 3.

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Contents

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目录

02 Comment 评论 创与仿 (2)

03 NEWS China 中国新闻 • • • • • • • • •

07

《“十二五”国家自主创新能力建设规划》出台 5年内中国有望成为全球第一大电子产品市场 中国集成电路产业投融资与并购蓄势待发 中国有望成为OEM生产嵌入远程信息处理系统的最大市场 我国移动芯片产业加速发展 2013年一季度中国智能手机占比达79% 中国移动互联网市场一季度规模204.2亿元 2016年中国LED通用照明市场年增长率将达43% 中国触控面板产值2017年达457亿元

05 Industry Information 业界动态 • • • • • • • • •

07 08

08

2013年全球智能手机出货量将同比增33% 2013年半导体市场规模将增长2.1% 2013年全球PC出货量下降7.8% 2013年平板电脑出货增6成 2013年一季度全球平板电脑出货量下滑26.1% 2016年触屏笔记本市场份额将达25% 未来5年全球PCB市场将保持一位数的增长 全球芯片设备资本开支提升 印度半导体市场今年估增20%

图片新闻 第三届清华—得可SMT奖学金颁发 日联科技深圳公司乔迁

23 Interview 专访 努力满足不同层次客户对贴装设备的需求 -访上海三星商业设备有限公司市场部总监 徐大沅

26 viewpoint 观点 23

开放式运动控制系统在电子制造设备中的应用与发展 龙绪明、黄昊、崔晓璐、贺海浪、罗爱玲、刘明晓 — 西南交通大学

2013年5-6月 | www.emasia-china.com

01

asia

Comment

评论

ISSN 2010-4243

创与仿(2)

asia

Publisher Kenny Fu, kenny.fu@contineomedia.com

EM Asia 执行主编 陈燕鹏

直

到今天，我们也搞不清谁是“山寨手机”这一名称的版权所有 者，只知道自从“山寨”作为概念一经“推出”，就迅速地被接 受并广泛使用，从最初的IT产品领域延伸至所有类别的仿制或套

牌产品，并在几年之内逐步演化出了“山寨文化”，甚至是“山寨精神”。 尽管“山寨”被上升到了“精神”的层面，并被一些人加上了“极具创新 意识”等“内涵”，可“抄袭、模仿、走捷径”的基本定义未变，就摆脱不了 被“口诛笔伐”的命运，毕竟是“名不正”，自然也就“言不顺”！ 作为一个后发工业化国家，注定了大多数做产品的人要从仿制入手，但 传统中国文化里又非常讲究出身；于是，既然是“山寨”身份，那就是还没有 被“诏安”，连“在野”都算不上，顶多属于民间认为的“好汉”，自然是遭 扁的对象，只好“夹起尾巴做人”，闷头发财！

EDITORIAL Executive Editor Chen Yan Peng, yanpeng.chen@contineomedia.com SALES & AD ADMIN Assistant Sales Director Caroline Yee, caroline.yee @contineomedia.com Marketing Manager (Beijing) Jenny Chen, jenny.chen@contineomedia.com Admin Executive Lim Yann Ming; yannming.lim@contineomedia.com Publishing Support Production Manager Pauline Goh, pauline.goh@contineomedia.com Design Manager Honess Ho, honess.ho@contineomedia.com Graphic Designer Olive Chan, olive.chan@contineomedia.com Circulation Executive Levi Cheng, levi.cheng@contineomedia.com Web Operations Executive Franco Nelo M. Sevilleja, franco@contineomedia.com Web Developer Roger Tan, roger.tan@contineomedia.com

很多人要为“山寨”正名，却苦于找不到依据。前不久在网上看到了一篇 描写关于中国画与西洋画学习过程的短文，或许提供了看“山寨”的另一个视 角。它的大意是：中国画是通过临摹来练基本功，老师要求学生必须熟悉各派 的画法并融会贯通，最终形成自己的风格。而学习西洋画的过程则不同，入门 阶段是长时间枯燥的几何体临摹，接下来是循序渐进的写生，最后走入自由创 作的阶段。而无论是中国画还是西洋画，都有自己层出不穷的佳作。 在工业领域，我们也能看到类似的两条发展道路。德国和日本是全球公认

FINANCE Finance Manager Allan Low, allan.low@contineomedia.com Finance Manager (Beijing) Lisa Liu, lisa.liu@contineomedia.com Finance & Admin Executive (Beijing) Carol Xue, carol.xue@contineomedia.com CEO Raymond Wong, raymond.wong@contineomedia.com

的机械和精密制造领域最强的国家，德国是以“创”为主，而日本一直在不停 地“仿”，典型的分属东西方文化的两个国家，却都能取得成功和辉煌。 在技术高速发展、即时互联互通、模块化和通用化的当下，原创已经非 常困难，大家都是在类似的架构上对已有产品不断地改进、丰富和完善，追求 的是“你有我也有”（同质化不是中国独有的现象），子系统和部件层面上的 “仿”就成为了必然，而“创”则更多地体现在概念上。 还是以行业熟知的富士NXT贴片机为例，它的概念的确不是自“创”， 但谁都不能否认它“仿”出了精彩，做到了“青出于蓝而胜于蓝”，发展到 今天，NXT已经变成了被“仿”的对象。因此，“创”和“仿”并不是绝对 的！EM

Published by: Contineo Media Pte Ltd SINGAPORE: 67 Ubi Avenue 1, #06-06 StarHub Green, North Wing, Singapore 408942 • Tel (65) 6521 9777 | Fax (65) 6521 9788 Advertising Agency: Contineo Media (Beijing) Co., Ltd BEIJING: Room 024, Building 8, Qijiayuan Diplomatic Compound, No.9 Jianguomenwai Street, Chaoyang District 100600, China • TEL: +8610 8532 5073 | FAX: +8610 8532 5293 Shanghai: Room 2553, The Headquarters Building, No.168 Central XiZang Road, Shanghai 200001, China TEL: +8621-5179 8360 | FAX: +8621-5179 8360

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www.emasia-china.com | 2013年5-6月

中国新闻

《“十二五”国家自主创新 能力建设规划》出台 为引导创新主体行为，加快推进创 新型国家建设，《“十二五”国家自主 创新能力建设规划》日前公布。 规划提出，“十二五”时期，我

市场有望在3到5年之内超过美国，成 为全球第一大电子产品市场。”洪京一 未来3年世界电子信息产业将持 续保持增长，新兴经济体地位不断提 升。预计到2015年，全球市场规模将 达到2

强政府统筹规划指导，更加发挥市场在

。从区域格局看，亚洲和其他新兴经

资源配置中的基础性作用，引导社会创

济体市场份额将保持持续增长，美、

新主体积极参与，重点推进科学研究实

欧、日等发达经济体市场份额微弱下

验设施和各类创新基地建设，加强科技

降，新兴国家市场将成为带动全球电

资源整合共享和高效利用，健全国家

子信息产业发展的新引擎。

.1万亿美元，年均增长率约4%

国务院常务会议研究促进光伏产 业健康发展 欧盟宣布对中国光伏产品征收临 时反倾销税 工信部将尽快发布实施宽带中国 战略 工信部发改委扶持北斗产业 智能电网投资1.5万亿带动低压电 器产业发展

标准、计量、检测和认证技术体系，支 键核心技术研发和工程化能力建设，提

标题新闻 行业要闻

说。

国自主创新能力建设的总体部署是：加

撑科技跨越发展；加快推进重点产业关

News China

中国集成电路产业投融资与 并购蓄势待发

智慧城市建设相关投资或将超 4400亿 国内首个LED照明产品标杆自律

升重点社会领域创新能力和公共服务水

自国务院办公厅发布《进一步鼓

平，构建各具特色、协调发展的区域创

励软件产业和集成电路产业发展若干

新体系，支撑经济社会创新发展；加强

政策的通知》以来，国家各部委正在制

创新主体能力、人才队伍和制度等创新

定相关实施办法，财政部、国税总局已

环境建设，深化国际交流与合作，强

就集成电路企业采购设备增值税退还问

甘肃将打造西北云计算示范区

化知识产权创造、运用、保护和管理能

题发布了专项办法。同时，发改委、工

国家车联网产业基地落户北京通

力，激发全社会创新活力，提高创新效

信部等部门正在制定4号文件的实施细

率和效益。

则，预 计将于2013年正式出台。 随着政策实施的进一步明确，集

创新能力。推动工业化和信息化深度融

成电路企业蓄势待发，将进入下一轮

合。加强生产过程智能化和生产装备数

快速发展阶段，以充分整合资源

字化应用示范，提升集散控制、数字控

段，通过投融资和并购方式与资本市场

制等自动化和信息化技术集成创新能

实现共赢。

为手

力。推进国家新型工业化产业示范基地 据行业技术发展要求，培育和发展网络

中国有望成为OEM生产嵌入 远程信息处理系统的最大市场

制造等现代制造模式，促进“生产型制

据IHS的最新汽车研究报告，

造”向“服务型制造”转变。

中国2009年以后就成了全球最大的 汽车市场，现在有望成为OEM生产

5年内中国有望成为全球第一 大电子产品市场 工信部电子科学技术情报研究所

的嵌入远程信息处理系统的最大市 场，2012-2019年中国这类系统的销 量预计增长七倍以上。

所长洪京一日前在成都说，在多方面因

2019年中国市场汽车OEM嵌入

素共同作用下，2012年全球电子信息

的远程信息处理系统销量将从2012年

产品制造业产销增速进一步放缓，发达

的110万个增长到950万个以上。今年

国家的电子信息产品市场普遍萎缩，新

出货量将超过180万个，2014年增至

兴国家肩负着产业增长的重任。排名前

270万个，2015和2016年分别上升到

十的国家中，市场规模增速超过5%的

380万和510万个。

只有中国、巴西、印度3个金砖国家； 美国的市场增速仅为1%，日本等其他 发达国家甚至出现负增长，“中国电子

武汉光谷拟打造千亿芯片产业规 模

州 国家可信嵌入式软件工程技术研

规划指出，要增强重点产业持续

建设。实施制造业信息化科技工程。根

联盟将成立

我国移动芯片产业加速发展 随着移动互联网在全球的普及，

究中心落户上海 预计三年左右国内3D打印产值可 能达到百亿 中国LED光电10亿元产业基金在 京成立

制造商信息 华为超越爱立信成世界最强电信 设备提供商 华为去年智能机出货增60%跃居 全球 Top 3 华为预计2013年LTE业务收入将 翻番至20亿美元 中兴通讯成为美国增长最快智能 手机商 中兴通讯出售子公司股权收益20 亿 国虹“超级工厂”将引领定制手 机时代 传联想将扩大芯片设计业务 富士康1.3亿入驻乐视TV 2013年5-6月 | www.emasia-china.com 03

asia

asia

News China

制造商信息 华硕已成全球第三大平板电脑厂 商 华硕投5亿在重庆设云端总部 中芯国际在北京成立合资公司

中国新闻

我国本土移动芯片产业正在实现逆势

2013年一季度移动互联网市场增

生长。据IHS的报告，2012年，展讯闯

速较前几个季度有所下降，主要原因

进全球前十大手机芯片供应商（排名第

是：第一，目前移动互联网市场众多

九）行列，从2007年至2012年，展讯

领域竞争已经很激烈但盈利前景并不

的基频IC收入增长了370%以上。

十分明朗，资本市场投资更加谨慎，

华为海思自主设计的K3V2是2012

而不再盲目追捧移动概念；第二，移

三安光电厦门基地升级

年体积最小的四核A9架构处理器，采用

动互联网的盈利模式依然没有获得太

台港企业在南京共建12亿美元半

手机芯片中最高端的64bit带宽DDR内

大的突破，还在争夺入口的阶段，简

存设计。此外，联芯等本土芯片企业在

单平移PC端商业模式在移动端容易出

支持我国TD-LTE研发和产业化过程中

现瓶颈；第三，由于移动互联网部分

也发挥了重要的作用。2012年，在本土

细分领域受到季节性影响，导致一季

英特尔将在成都造智能手机芯

集成电路设计企业排名中，前三位均为

度的整体市场规模增速缓慢。艾瑞预

TI公布100亿投向中国成都制造

移动芯片类企业。

计未来移动购物将成为移动互联网最

导体项目 台企庆亿1亿光电投资项目落户 福建云霄

基地的长期战略 奥特斯未来三年投3.5亿欧元重 庆造IC基板生产基地 三星西安储存芯片项目明年一季

大细分行业。

2013年一季度中国智能手机 占比达79% IDC发布的最新《中国手机市场 季度跟踪报告（2013年第一季度）》

据麦肯锡咨询公司报告称，2012

显示，2013年第一季度中国手机出货

年，中国占亚洲照明市场的45%，

量为9700万部，与 2012 年同期相比

而中国照明市场的12%则来自LED照

增长了15%；而2013 年第一季度中国

明。据麦肯锡公司预测，从现在起到

三星计划在大陆新建面板厂

智能手机总出货7800万部，同比增长

2016年，中国LED通用照明市场的复

夏普上财年净亏损54亿美元裁员

了117%。中国智能手机在整体手机市

合年均增长率将达43%。

度投产 三星在成都投资将扩大涵盖电子 金融医疗

场的占比取得新高，达到79%。

涉及中国

供应商动态 B T U 面 向 中 国 发 售 全 新 DYNAMO™ 得可太阳能庆祝中国苏州技术中 心正式开业 ZESTRON在深圳技术中心提供免 费技术研讨会 空气产品公司完成在华三大瓶装 气体厂扩建 西安交通大学与NI合作建立联合

技术的应用是推动这种增长的一大因

统计，2013年第一季度，三星以19%

素。传统的LED材料促进了低功率照

的市场份额继续居于榜首，且出货量

明市场的增长，而高性能产品如有机

环比增长率高达34%，其中200美元以

硅材料则帮助固态照明产品应对中国

下产品的出货量增长了47%；苹果在

快速发展的通用照明市场日益严苛的

2013年第一季度智能手机 市场份额为

要求。

9%，位居第五，出货量环比增长率为 21%，单个型号iPhone4（8G）的出 货量相比上个季度增长了211%；除了

中国触控面板产值2017年达 457亿元

华为外，其他大型国产手机厂商的运

2008-2012年，中国触控面板出

营商补贴产品刚刚上市，使得第一季

货量表现为快速增长态势，四年间年

度的出货量提升并不突出。

均增长率超过40%，到2012年，中国 触控面板出货量为426.64百万片，同

泰克在中国经CNAS认可的校准 服务范围得到扩大 Edwards在中国青岛举行奠基仪 式 CSA 集团上海CPE 获美国能源部 认可

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而道康宁分析，更多先进材料

厂商方面，按照智能手机出货量

创新实验基地

04

2016年中国LED通用照明市 场年增长率将达43%

2013年5-6月

中国移动互联网市场一季度 规模204.2亿元

比增长71.53%。 2008-2012年，中国触控面板出

根据艾瑞咨询统计数据显

货金额一直呈上升趋势，四年间年均

示，2013年一季度中国移动互联网

增长率超过30%，2012年，中国触控

市场规模为204.2亿元，同比增长

面板出货金额约为140.88亿元，同比

75.4%，环比增长10.4%。经过过去

增长31.00%。据分析预测，到2017

两年的高速增长，移动互联网在盈利

年，中国触控面板出货金额将达到

模式、产业格局等方面进入关键性的

457亿元。 EM

一年。

业界动态

2013年全球智能手机出货量 将同比增33%

Industry Information

逻辑IC将实现10％以上的增长率。 按地区来看，预计亚太地区将比

标题新闻 数据 • 预测

市场研究公司IDC日前公布报告

上年增长5.7％，达到1722亿美元；美

称，2013年全球智能手机出货量预计将

国将增长1.6％，达到552亿美元；日本

比2012年的7.225亿部增长32.7%，至

将减少13.8％，为354亿美元；欧洲将

三华为第五

9.588亿部。

增长5.3％，达到349亿美元。

2013年全球LTE智能手机市场份

报告称，2013年全球智能手机出

2013年一季度全球智能机联想第

额将达到23% 2013年北美EMS市场规模预计达

机出货量中所占比例预计将达52.2%。

2013年全球PC出货量下降 7.8%

这种趋势在未来几年中预计还将持续

市场研究公司IDC日前发布报告

下去，原因是移动数据和手持式计算

称，今年全球PC出货量将下降7.8%，

2013年大陆晶圆代工成长产业产

需求已在发达市场和新兴市场上蔓延

远超此前1.3%的降幅预期。随着平板

开来。在2013年中，预计新兴市场智

市场出现了类似苹果iPad Mini的小号产

能手机出货量在全球总出货量汇总所

品，以及平板产品价格逐步调降，更多

占比例将达64.8%，远高于2010年的

消费者开始放弃购买PC转而涌向平板

43.1%。

产品。

货量将首次超过功能手机，在全球手

到690亿美元 值将达40.8亿美元 2015年之后全球电视机市场有 望复苏 2015年上网本或将彻底退出PC 市场 2017年PC固态硬盘需求预计升至

来自终端用户的强劲需求、运营商

IDC预测，到2015年，全球平板电

和厂商日益将重点转向智能手机以及各

脑出货量增长幅度将达45%至3.324亿

种价格点的智能手机产品十分丰富等因

台，而PC出货量约 为3.227亿台。 到

素的完美结合正在推动智能手机市场向

2017年，全球PC销量将达3.33亿台，

印刷、柔性及有机电子未来十年

前发展。此外，用户行为已从简单的语

而平板电脑出货量将达4.1亿台。

的年复合增长率将达到15.3%

音通话转向数据消费和创造，智能手机 已成为许多用户的理想工具。

2013年半导体市场规模将增 长2.1% 世界半导体市场统计组织

2.27亿台 2017年WiFi芯片出货量将达37.1亿

IDC此前曾预测明年PC出货量将“

挠性阻挡层薄膜电子产品未来十

逐步增大”，但目前其下调了2014年

年的年复合增长率将达到39.8%

PC出货量预期，认为明年PC出货量同

SEMI公布2012年全球半导体材

比萎缩1.2%。IDC称这与“个人消费者

料营收471亿美元

推迟PC升级、公司延缓为员工更新设

全球2012年LTE用户逼近7000万

备”有关。

约占全球移动宽频用户比重6%

（WSTS）2013年6月发布了春季市场 预测，预计2013年全球半导体市场的

2013年平板电脑出货增6成

规模将比上年增长2.1％，达到2978亿

独立市场研究公司Canalys预计，

美元。此次较上次预测的增长4.5％做

今年PC市场（台式机、笔记本电脑和

了下调，原因是，随着从2012年11月

平板电脑）的规模将达到4.931亿台，

开始的日元贬值，日本半导体市场的规

较去年增长7%。其中，推动PC市场规

模按美元换算要比按日元计算要小。另

模增长的主要因素为平板电脑，预计

外，2012年全球半导体市场的规模为

平板电脑出货量将达到1.825亿台，占

比上年减小2.7％的2916亿美元。

市场总规模的37%，较去年的出货量

按不同产品来看，预计分立半

增长59%。

导体将比上年减少5.2％，为181亿美

Canalys是根据2013年第一季度

元；光半导体将增长3.3％，为271亿

的全球需求得出这一预测的。上个季

美元；IC整体将增长2.5％，为2442亿

度，全球台式机电脑出货量同比减少

美元。各类IC产品的详情如下：逻辑IC

了10.3%，笔记本电脑出货量同比减

为增长4.3％的852亿美元，存储器IC为

少了13.1%，但平板电脑市场规模同

增长5.9％的604亿美元，微IC为减少

比增长一倍多，产品出货量达到4190

2.9％的585亿美元，模拟IC为增长2.1

万台，增长率高达106.1%。由于平

％的401亿美元。预计DRAM和通信用

板电脑出货量并未出现增长减速的迹

OEM • EMS 鸿海一季度营收创近十年最大跌 幅 鸿海在日设研发基地 IBM微软思科等技术公司组建联 盟推广SDN技术 微软计划6月下旬发布第二代 Surface平板 微软拟全盘接手Nook 苹果智能设备市场份额逼近三星 苹果取消三星下一代手机芯片代 工资格 三星投20亿美元在越建新生产基地

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| www.emasia-china.com 05

asia

asia

Industry Information

LG首次成为全球第三大智能手

象，因此Canalys预计全球平板电脑出

美元，相对于2011年的PCB总产值

机厂商

货量将在今年第四季度超过笔记本电

554.09亿美元，降低2.0%。

松下拟斥资27亿美元再重组 松下将发力LED照明业务 夏普两年巨亏百亿美元 夏普未来3年将停建新工厂 夏普与三星签订战略合作协议

脑出货量。

诺信EFD公司庆祝点胶创新50 周年 诺信EFD发布《工程流体点胶 产品目录第五版》 铟泰公司建立纳米技术团队 Storagesolutions与Juki在欧洲 和美洲达成合作伙伴关系 迈思肯作为GS1解决方案合作伙 伴提供更专业的条码标准服务 JOT Automation 总部迁回公司 发祥地芬兰奥卢 汉高推出高导热性粘合剂TIM 汉高率先推出适合高温应用的 高可靠性无铅焊料合金 汉高推出两款适合敏感元件保 护的包封剂 Techcon Systems推出最新非 接触式隔膜喷射阀 Viscom X8011 PCB可用于自动 X射线检查和质量上行 AIM Solder 推出NC277挥发性 有机化合物液体助焊剂 FCT Assembly安装测微器以提 高模具精度 Count On Tools推出MYDATA ezTOOL迈达斯工具更换提示 BPM Microsystems新软件功 能提高磁带装载机教学过程 爱法推出全新ALPHA® LED材 料技术

比下降，相对于2011年而言，2012年 中国大陆PCB的增长率为-1.78%，

根据Digitimes研究报告，2013

洲-5.99%，亚洲其他国家和地区（除

年第一季度全球平板电脑出货量3193 66.1%。

PCB产业已成为一个亚洲产 业。2012年亚洲PCB的占有率达到 89%。在中国成为电子产品制造大国 的同时，全球PCB产能也在向中国转

万台非iPad设备，比上季度分别为

移，从2006年开始，中国就超过日本

下滑7.1%及44.1%。在操作系统方

成为全球第一大PCB 制造基地。从

面，iOS占出货量的61%，Android为

2000年到2012年，中国PCB产值占全

31%，Windows为8%。在屏幕尺寸方

球的比重从8.2%提高到39.8%。

面，7.x英寸机型了出货量的56%，9.x 英寸占 22%，10.X英寸占20%，超过 11英寸的占2%。

全球芯片设备资本开支提升 据市场研究公司IC Insights

在国际平板电脑厂商中，苹果占

称，2013年三星电子和英特尔合在

出货量的61.1%，其次是三星电子为

一起占全球半导体设备资本开支将从

13.8%，谷歌占6.1%，微软占4%，宏

2011年的40%提高到42%。

基占3.7%，华硕占3%，巴诺和联想打 平，都是2%，Amazon份额不到1%。

IC Insights称，在2010年至2013 年期间，三星预计将投入469亿美 元，占目标内存生产的大约60%。英

2016年触屏笔记本市场份额 将达25%

特尔排名第二位，预计资本开支将达

市场研究公司IHS发布报告称，

公司分别建设和配备10至11个规模达

随着价格下跌和英特尔等公司的大力

40亿美元的300毫米（12英寸）晶圆

推动，触摸屏笔记本电脑出货量有望

加工厂。

400亿美元。这些开支足以使这两家

在未来几年内快速增长，2016年市场 份额将上升到约25%。 报告称，触摸屏笔记本电脑的

印度半导体市场今年估增 20%

全球出货量将在2016年上升到7800

Gartner日前表示，2012年印度

万台，而2012年仅为460万美台。到

半导体消费金额达80亿美元，较2011

2016年，触摸屏笔记本电脑将占全球

年成长7.4%，其中液晶电视成长最惊

笔记本电脑出货量的24.6%，预计今

人，占45%。

iNEMI 发布第十版技术路线图 IPC在大中华地区继续扩展策略 新的IPC中国供应商理事会选举 产生

400%。

2013年5-6月

中国大陆和日本）1.93%。

2013年第一季度全球平板电脑

协会 • 培训

www.emasia-china.com |

日本-6.27%，欧洲-8.20%，美

出货量当中，有1950万台iPad和1243

年将激增至2400万台，同比增长超过

欲知详情，请浏览 www.emasia-china.com

2012年各国家/地区PCB产值同

2013年一季度全球平板电脑出 货量下滑26.1%

万台，季度下降26.1%，但同比增长

供应商 • 产品

06

业界动态

Gartner研究总监Ganesh Ramamoorthy表示，随着全球半导 体产业可望自2013年第二季呈回升之

未来5年全球PCB市场将保持 一位数的增长

势，预期印度半导体消费亦将成长，

全球印制电路板（PCB）市场

年增加20%。手机、PC和液晶电视于

分析机构Prismark公司的统计结果

2013年合计将占印度整体半导体消费

表明，2012年PCB总产值543.10亿

金额的74%。 EM

今年可望达96亿美元的规模，较2012

图片新闻

第三届清华—得可SMT奖学金颁发

2013年6月6日，得可公司在位于北京通州的大唐电信仪表所向15名清华大学 的优秀学生颁发了第三届清华－得可SMT奖学金。

清华大学基础工业训练中心副主任洪亮说：“今天 颁发的清华－得可SMT奖学金，鼓励学生面向工程、重 视实践，为培养‘研究型、管理型、创新型、国际型’ 的人才发挥了积极作用。”

清华大学自动化系赵兵兵代表获奖同学 发表感言：“SMT的课程设置让我们对现代 电子制造有了全方位、立体化的认识！感谢 得可公司的赞助与支持，为我们提供了优良 的学习环境，激发了我们的学习兴趣。”

得可全球电子组装总监许亚频致 辞：“得可深信，只有优良的人才，方 可不断带领公司前进，不断推动行业的 发展。”

大唐电信仪表所副所长董恩辉称：“20年的发展 经历让我们深深体会到科研及人才培养的重要性，得 可的前瞻性培育英才计划将为业界的进步做出卓越的贡 献。”

本届15名获奖学生为：赵兵兵（一等奖）；郭岑、陈晔、朱陶 元敏、陈佳斌（二等奖）；刘晓辉、侯维君、张驰昱、刘清源、邓 烨明、高宇澄、郏琨琪、展长振、刘旭堃、蔡创坚（三等奖）。 2013年5-6月 | www.emasia-china.com 07

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图片新闻

日联科技深圳公司乔迁

2013年5月18日，日联科技在深圳光明新区高新园区为其深圳公司举办了 隆重的乔迁庆典仪式。

200多位来自全国各地的业界人士出席

日联科技深圳公司总经理沈印龙 介绍相关情况

日联科技董事长刘骏致辞

刘骏向来宾介绍日联科技的管理团队

广东省电子学会SMT专委会秘书长 苏曼波致辞

渭南师范学院校友会王双明副会长 致辞

渭南师范学院副院长王君龙向 刘骏董事长赠送书法条幅

无锡市政府金融办处长邱士安致辞

日联科技名誉主席熊宇飞先生致辞

日联科技深圳新工厂生产车间

08 www.emasia-china.com |

2013年5-6月

封面特写

Cover Story

回流焊钽电容“吹气” 机理研究 孙磊—中兴通讯

在

实际生产中，回流焊后板上钽电容周边的小元件 经常会产生移位、少件和立碑等缺陷（如图1、 图2所示）。

板其它位置无异常（如图3所示）。 现场通过降低风力、加快或降低链速和改变过炉方向 等方法进行调整，结果没有明显的差异，即仍有一定比例

业界有观点认为，是钽电容比周边的元件相对要高，

热风回流过程中产生“风墙效应”，造成周边的小元件 被“吹走”等缺陷的发生；基于此种判断的处理方法一般

的不良产生。 为了搞清问题所在，我们针对此问题进行了如下几种 验证：

为更改设计、减小风力或改变板子过炉的方向等。也有人

1、更换其它品牌且外形相同的钽电容；

认为是钽电容受潮，导致高温下“吹气”效应的发生；现

2、取正在生产的钽电容50只进行烘烤（125°，4小

场的处理建议通常是对元件进行烘烤。但是，这些措施的 实际效果往往不理想。

时）之后再贴片； 3、取正在生产的钽电容50只，放在报废的PCB上先

那么，造成钽电容旁小元件产生移位、少件和立碑等

过一次回流炉再进行贴片。

缺陷的具体原因有哪些；其机理是什么；发生此类问题后 究竟应如何处理呢？目前，业界还没有形成统一的意见和

验证结果如下：

做法。

1、更换其它品牌的钽电容后不良消失，不良率0%；

针对上述问题，我们进行了一系列的实验进行验证， 希望能够找出真正的原因和解决办法。

2、烘烤后再生产的单板，该位号电阻依然有移位和立 碑的现象产生； 3、过炉后再生产的单板不良消失，不良率0%。

实验结果分析 从上面的验证我们可以得出如下结论： 1、因为过炉后再贴装不良消失，此时钽电容及周边电 阻的外在形态和相互位置关系并没有改变，因此 图1

图2

可确定不良不是由回流炉内热风吹动引起的，所 谓的“风墙效应”的说法不成立，电阻的移位、

实验验证 实验的单板上共有4个相同的某品牌钽电容，其中一

立碑和少件应该是钽电容在高温状态下“吹气” 所导致的；

个的周边有一个0603的电阻，电阻与钽电容之间的距离

2、更换不同品牌的钽电容或钽电容过炉后不良消失，

0.5mm。生产过程中，此电阻印锡和炉前贴片正常，过炉

说明此不良是钽电容的不同状态差异造成的；

后有30%比例的不良，主要表现为少料、移位和立碑；单

3、常规工艺的高温烘烤无法改变钽电容的这种状态， 也就无法有效地解决“吹气”的问题； 4、通过回流炉后的高温可以改变钽电容的相应状态， 从而解决钽电容的“吹气”问题。 那么，引起高温下钽电容“吹气”的原因是什么呢？

机理分析 图3

为了解释钽电容高温下的“吹气”问题，我们需要从 2013年5-6月 | www.emasia-china.com 09

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Cover Story

钽电容的结构、成分和加工工 艺入手。

封面特写

图4

首先，我们了解一下钽电 容的制造工艺、结构和材料特 性。固体钽电容是通过将钽粉 压制成型，之后经高温真空烧 结成一多孔的坚实芯块（圆柱 形状），芯块经过阳极化处理 生成氧化膜Ta 2 O 5 ，再被覆固 体电解质MnO 2 ，然后覆上一 层石墨及铅锡涂层，最后用树 脂包封成的元件（图4是一表 贴型固体钽电容的内部结构示 意图）。 其次，钽电容的加工工 艺流程一般有以下几个主要步 骤：阳极基体设计 → 成型

烧结 → 氧化膜形成 → 被覆MnO2 → 封装。

一次炉时，残留的Mn(NO 3)2基本分解完毕，此时再贴装钽 电容，就不会再有“吹气”现象发生了。

通过对固体钽电容整个制造工艺的了解我们可以发 现，MnO 2是在阳极氧化膜Ta 2O 5表面被覆的一层电解质。 在实际的加工过程中，MnO 2层是通过Mn(NO 3) 2的热分解 而得到的，其过程是将Ta2O5的阳极基体没入Mn(NO 3)2溶

由此我们认为，钽电容的“吹气”问题很大程度上是 钽电容制造商工艺控制问题造成的。

总结

液中充分浸透，然后取出烘干，在水汽（湿式）或空气（干

通过实验验证和相关机理分析，我们可以得出如下结论：

式）的高温气氛中分解，制取出电子电导型的MnO2。作为

1、SMT回流过程中造成钽电容周边小元件少件、移位

钽电容的固体电解质，其分解温度是210～250℃，化学方

和立碑等缺陷的原因是钽电容在回流过程中“吹

程式如下：

气”所导致，传统的“风墙效应”说法不成立；

高温 Mn(NO3)2 〓 MnO2 + 2NO2↑

2、钽电容回流过程中释放出的气体是Mn(NO 3) 2分解 出的NO2气体； 3、NO2气体的释放是由于钽电容在加工过程中工艺参

在固体钽电容的生产过程中，如果工艺参数控制不到 位，就会造成Mn(NO 3)2分解残留。在元件贴装回流时，残

数控制出现问题产生的；因此，钽电容“吹气” 问题属于钽电容制造商的加工工艺问题。

留的Mn(NO 3) 2进一步分解，释放出NO 2气体，元件外面包 覆的一层环氧树脂属于高分子链材料，厚度只有0.5mm， 分子间的空隙足以通过NO2气体分子。

基于以上分析，解决钽电容在SMT加工过程中“吹 气”问题的建议如下：

因此，从固体钽电容元件制造工艺可以看出，如果残

1、建议元件供应商改善加工制造工艺，尽量消耗

留有Mn(NO 3 ) 2 ，在210～250℃时就会分解释放出NO 2 气

Mn(NO 3 ) 2 ，使其在回流过程中不分解或少分解

体，而回流焊的温度恰好符合Mn(NO 3 ) 2 的分解温度。所 以，一旦有Mn(NO 3) 2残留，过炉后就会分解释放出NO 2气 体，直至残留的Mn(NO3)2完全分解为止。 基于以上分析我们认为，回流过程中钽电容吹出的并 不是业界普遍认为的水蒸气，而是NO2气体。

NO2气体； 2、PCB设计上，尽量避免在钽电容周围特别是长边两 侧近距离布置小元件。 SMT生产过程中一旦产生钽电容“吹气”问题，可以 通过将钽电容过回流炉后再贴装的方法加以解决。EM

由于钽电容加工过程中工艺控制不到位，造成了 Mn(NO 3 ) 2 残留，在回流加热过程中生成NO 2 气体。因为 Mn(NO3)2分解产生NO2的温度是210～250℃，因此，普通 的高温烘烤无法解决钽电容的“吹气”问题。当元件先过 10

www.emasia-china.com | 2013年5-6月

关于作者： 孙磊，2005年毕业于哈尔滨工程大学机械电子专业，研究生学历，毕业 后一直从事SMT和电子装联工艺方面的技术工作，现担任中兴通讯物流制造 中心工艺部二级主任工程师，从事电子装联的工艺技术支持和研究工作。

专题文章

Feature

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PCB上BGA焊盘的机械强度 和焊盘缩孔缺陷的预测方法 在过去的几年中，已有数种估测印制电路板（PCBAs）组件上BGA焊盘缩孔的 试验方法（test method）及方法论（methodology）被开发出来，也有多篇研究 论文发表。

Mudasir Ahmad、Qiang (Johnson) Wang、Weidong Xie — 思科系统公司 数值分析技术和质量部卓越中心

然

而，迄今为止，几乎所有的试验方法和方法论

弯曲试验结果和焊盘拉力试验结果之间的相互关联显示，焊

都存在以下几个问题：

盘拉力试验的结果可以被用来估计PCBA在弯曲试验及制造

1. 这些估测方法都是破坏性的。测试过的样本被破坏，

并根据所观察到的缺陷模式来判断焊盘缩孔的趋势； 2. 需要使用不同的测试方法来测试几个样本（弯曲、冲 击、剪切、拉拔或声学试验等），但是不同的测试方法之间 并没有明显的相关性；

过程中观测到焊盘缩孔失效的可能性。设计者可以使用该方 法来估测封装和PCB设计变量的最佳组合，从而尽可能地减 少在测试中及现场操作时焊盘缩孔失效和其它焊点失效的可 能性。 最后，在本文中还对在现场操作时快速预测和确定焊盘 缩孔失效的方法也进行了讨论和概述。

3. 这些方法也可以用来做一些相关性对比试验。不过在 实际具有功能性的板级组件中，要把这相关性转化为失效模 式并不容易。

简介 互联网和智能连接设备应用的速度呈指数级增长，这将 推动对更快、更小、更高效的元器件的市场需求。该指数增长

虽然这些测试方法对大幅度地降低焊盘缩孔有所帮助， 业界仍然需要做到以下几点：

正由摩尔铁律持续推进着，摩尔定律曾证明电子晶体管的迅速 小型化过程。为了配合晶体管体积的缩小，从硅片到整个系

1. 找到一种非破坏性的检测方法，用它来预估某种特定

统的互连密度一直在迅速地增加，这种密度的增加需要减少

的PCBA设计（BGA和PCB的接合）是否有可能引发焊盘缩

互连的尺寸，范围小到将芯片连接到基板的倒装晶片上的凸

孔缺陷的机械应力，并且能在产品开始生产之前尽早验证该

点，大到连接板卡到背板上并能驱动网络设备的连接器。

设计；

这种元器件和互连迅速缩小的关键是在这些元器件预期

2. 有一种便于操作的方法，使得在PCB板上针对焊

的组装、制造和使用中具有足够高并可以被接受的可靠性水

盘所测得的拉力结果（IPC-9708）和单调弯曲测试结果

平。元器件越小、越薄，在机械负荷条件下越容易受到影响

（IPC9702）关联起来，这样就可以在测试阶段为减轻焊盘

（如弯曲、跌落、冲击、振动等）。在过去的几年里，业界

缩孔失效而使焊盘设计得以优化；

已开发了多种测试标准用以评估和衡量在不同的使用条件下

3. 再有，就是在功能组件中加入易于发现焊盘缩孔的设 计，这样就可以在该区域出现失效时，很容易据此确定该失

元器件件的可靠性，供应商被要求必须证明他们的元器件在 被接受成为成品系统的一部分之前已通过必要的测试。

效是由于焊盘缩孔所导致。只要缺陷一产生，就能立刻被侦

然而，由于可能发生的潜在失效模式的范围非常广泛，

测到，这对于识别造成缺陷产生的机械应力源非常关键，进

一个包含了各种试验方法的方案近期投入使用，而且供应商

而有利于快速解决问题。

必须进行更多标准的试验来证明产品的可靠性。例如，对于

这项研究采用了大量的试验数据，并且概述了一个详细

组装到PCB板上的BGA，供应商需要通过一系列的测试，包

的方法，来说明板的应变、焊点应变和在单调弯曲试验及焊

括IPC/ JEDEC9701（加速温度循环试验）、9702（单调弯曲

盘拉力试验中导致失效的应力之间的相互关系。此外，单调

试验）、9703（冲击试验）、9708（焊盘缩孔试验）等来证 2013年5-6月 | www.emasia-china.com

11

asia

Feature

专题文章

明其可靠性。虽说这种规定的测试方法和要求供应商符合测

表1：PCB 应变预测模型

试标准的方法是相当普遍的，它仍然带来了一些挑战：

变量

描述

种类

值

封装类型

1. 这些测试费用昂贵且十分费时；所增加的成本和进行 这些测试所需要的时间就不可避免地转移到OEM的成品系 统，并最终转嫁给消费者； 2. 测试需要实物样品，而在测试进行的时候，对元器件 的设计已经完成了；如果在测试时失效，则需要对失效原因 进行分析和对元器件的反复设计与测试来使得元器件最终能 够通过这些测试，这就需要更多的时间和成本；

封装尺寸（mm） PCB厚度（mils） PCB 焊盘尺寸（mils） 封装焊盘尺寸（mils） 球间距（mm） 焊点的顶部应变（µε）

Strain：应变放大并加重此公式 PCB Strain (με) = A – 22.02 x B – 28.43 x C + 184.74 x D + 323.14 x E – 5062.76 x F + 277445 x G

(1)

3. 由于各测试方法之间几乎没有相关性，因此每一步测

对于一个给定的封装和印刷电路板的组合，该模型可用

试通常是按照顺序来执行的；因此，通过其中一次测试就可

于在设计阶段甚至在样本制作之前，就可以估测组装线路板

能总是意味着在另一个测试失效，这使得设计优化变得更加

的应变失效；有几个重要的事项需要注意：

困难，时间耗费也久。设计周期的迅速缩短、重复测试和优 化，对于大部分元器件供应商来说太过奢侈而负担不起；

1. 模型本身不会定义出失效模式，它只提供设计变量和 焊点应变之间的相关性。对于焊点的电气开路缺陷，所观察

4. 根据既定的测试方法，对于不断更新的元器件来说，

到的典型的焊点顶部应变值（G）大约为20,000με，可以利

由于不可能保证每个潜在的失效模式都能够被测出，因此，

用这个值适当选择一个安全应变值来估测PCB失效的应变值。

总会有一些“漏测”存在。此外，终端使用条件也是在快速

2. 该模型仅仅是基于失效与焊点最大应变相关连时（如

发展着，即使在通过所有的测试后，当现场发生故障，其失

脆性焊点断裂），因此它只适用于那些焊点最大和最小应变

效原因几乎是不可能被确定的（不寻常的使用条件或存在设

比率等于或者接近1的封装。

计上的缺陷）。 鉴于所有的这些挑战，开发一些在设计阶段就能预测失 效的检测方法的需求在不断增长，而且可以从一种测试条件

那篇文献[2]中所述的是如何得出这种关联的详细信息； 然而，我们仍然需要针对焊盘缩孔的测试方法（IPC9708） 开发出一种类似的预测能力（predictive capability）。

下的失效关联到另一种测试条件。如果设计者事先了解他们 需要考虑折衷的设计，就可以显著地改善设计时间和对设计 优化了。

焊盘缩孔试验方法（IPC-9708） [3] IPC-9708测试方法的开发是为了解决这种特定的失效

在本研究中，我们提出了两个测试标准：IPC/JEDEC-

模式：焊盘缩孔。研究发现焊盘缩孔失效是发生在印刷电路

9702和IPC/JEDEC-9708之间的相关性分析，以及在设计过

板压合层的胶层，主要位于BGA四个角落焊盘的正下方，而

程中怎样用这些相关性来更早一步预测到潜在的失效模式。

且是在机械负荷条件下发生（图1）。

此外，这些预测可以用来估计设计的优化，以减轻在测试和 实际生产中的潜在失效。最后，我们还提出了一些在现场使 用条件下检测缺陷的潜在方法。

单调弯曲试验（IPC/ JEDEC9702） [1]

缩孔

单调弯曲测试标准是专门针对组装在PCB上的BGA在 弯曲载荷条件下进行互连失效分析的。在单调弯曲测试条件 下，BGA互连的相邻部分可能会发生多达7种的潜在失效模 式。该测试方法试图获得一个可能导致失效的单个损伤度量

图1：焊盘缩孔失效的案例[4]

值（板应变）。板应变可以被用来确定一个给定的BGA/ PCB

IPC-9708的测试方法包括三种不同的测试：拔针测

组件可以承受多大程度的弯曲，并确定一个给定组件可以承

试、冷球拉力测试和剪切测试。每一项测试都以确定诱发焊

受的最小应变水平。

盘缩孔失效发生时所需的力为目标，但是每种测试都有不同

在近期出版的一篇文献中[2]，我们已经证明使用大量的数

的衡量方法。

值分析就可以用几个设计变量的组合以合理的准确性来预测导

在这项研究中，我们特别研究的是元器件引脚上的拉力

致失效的板应变，并可以帮助设计者通过优化参数来达到组件

测试，因引脚是直接焊在焊盘上的，就最大限度地减少了测

板的目标应变水平。预测方程式如图表中所示（表1和图1）。

试时焊锡的影响。

12 www.emasia-china.com | 2013年5-6月

专题文章

Feature

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上拉

引脚 焊锡 焊盘

阻焊膜

图4：数值分析结果（a）垂直形变（前视图）（b）垂直变形 （等角视图）（c）垂直拉伸（SY）应力（前视图）（d）垂直 拉伸应力（SY）（等角视图）

PCB 图2：测试设置示意图[4]

力跟施加到图5所示的不同尺寸焊盘上的力相对应。

试验所得到的引脚拉力数据如图3所示。

表2列出了数值分析的结果：SY表示垂直拉伸应力；而 VM代表 von Mises 应力（最大值和最小值）；百分比变化是 最大值和最小值之间的差异。 拉力 (g)

模拟结果表明，PCB焊盘下方的的应力差（最大垂直 拉伸应力-最小垂直拉伸应力）在各自的20％以内，平均水 平大概为6％。如图3中所示，这个变化值在拉拔力的试验 数据变化范围之内。因此，我们可以使用平均垂直拉伸应力 焊盘尺寸 拉拔角度 高 Tg 酚类填充（HTFP）

高 Tg 氰类填充（HTD）

材料

的差值来确定这种材料〔高Tg双氰胺固化FR4（HTD）〕的 PCB焊盘下方的临界缺陷应力大约是333,706帕斯卡（48,400 PSI）。

图3：拉拔角度的影响（5mil的模板，5mm/s拉拔速度，500um的 引脚尺寸）[4]

从图3中也可以看到，高Tg填充性酚类材料（HTFP）上 拉的力值也呈线性（90度角度拉伸时），HTD材料相应的应

该项测试的结果表明：焊盘尺寸和平均拉拔力之间有一

力值呈线性扩展。对两套拉力值进行对比产生的比例为0.6。

个清晰且强的相互关系（在拉伸角度为90°的情况下）。鉴

因此，可以估算，HTFP材料的PCB焊盘下面的失效应力大约

于焊盘大小和平均拉力之间这个很强的相关性，我们可以判

是199,285帕斯卡（28,903.93 PSI）。

断对每个PCB焊盘来说是否其下部所受的应力都是相同的。

既然我们已经可以从引脚拉力测试中估计两种材料的

如果假设确实是有效的，那么对所有测过的焊盘尺寸来说，

临界失效应力值，就可以重新运行单调弯曲试验分析，并在

失效应力试验所得出的失效拉力应该是恒定的。

PCB弯曲时得到PCB焊盘下部的应变力。

表2：PCB 上 BGA焊盘下方的拉力和应力

数值模型 由此，一系列的数值模型被

拉伸测试结果 焊盘 尺寸

开发出来用以估测PCB上针对各

拉力

百分比 变化

百分比 变化

种尺寸的焊盘下方的应变力。一 个详细的数值模型被用来模拟引 脚的拉力测试。该测试模拟不同 直径的BGA焊盘并进行了拉力测 试来估算焊盘下方的拉伸应力。 模拟焊盘时用了四分之一的对称 性，如图4所示。施加到模型上的

平均值 2013年5-6月 | www.emasia-china.com

13

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Feature

专题文章

单调弯曲和引脚拉力测试之间的相关性

这一点，其中当焊盘尺寸为20mil或以下时，失效模式主要就

为了得到PCB应变和板上BGA下部应力的相关性，整 个单调弯曲试验模型经过了重新运行，所分析的PCB材料被

是焊盘缩孔。此外，在测试试验中当焊盘尺寸从20mil增加到 25mil时，焊盘缩孔的缺陷有着很明显的降低倾向。[4]

假定为HTD。通过使用降额因子0.6，同样的分析也可以得 到HTFP材料的规则。这些准则，也可以用于HTD和HTFP两

检测焊盘缩孔失效

种材料以外的任何新材料，只要可以相对于HTD材料推导出

现在，我们有了一个可接受的PCB应变标准（3000-

新材料的降额因子，新的PCB材料的降额因子可以按照IPC-

5000με），但我们又面临着另一个挑战：我们如何确定一

9708来进行引脚拉力测试来获得，并与HTD材料的数据进行

个实际组装件已经超出了失效临界值？在实际生产中的板子

比较。

上放置应力测试片是不可能实现的，因为他们不能承受高的

由于板应变可以通过所设计的组装变量（表1）来预

回流温度，而且也不容易在每块生产板上的每个位置都放置

测，我们所需要做的研究并得出板应变和BGA焊盘应力之间

上去。我们需要其它办法，能够在应变力超出失效临界应变

的关系。通过这种方式，我们可以预测可能导致焊盘缩孔失

值3000-5000με的范围时给出指示。这个指示方法并不需

效的板应变值。重点要注意的是，在根据IPC/ JEDEC9702进

要跟实际应变计一样精确，但能够在应变力超出设计应力值

行单调弯曲试验时，有3个应变片被附着在印刷电路板上：1.

时给出正确的估计。

在离元器件周长较远区域的一个位置（整体应变）；2. 在

有一种也许可行的方法是在BGA边角的焊盘处设计引出

BGA角落位置的下部（局部应变）；3. 元器件中心位置的下

一根走线（trace）并预设一个失效应变值。该导线可以窄到

面（局部应变）。由于很难对局部应变进行精确测量，因此

能够在相对应的失效应力临界值附近产生一个集中应力并导

整体应变值已被用来推导出所有的准则。分析结果示于图5。

致走线开裂（图6所示）。

与PCB焊盘尺寸、PCB整体应变和PCB焊盘缩孔应力相 关的预测方程式如下式所列：

PCB焊盘缩孔应力 = 114506.246 - 7432.648×PCB焊盘 尺寸(mils) + 73.96825×PCB整体应力(με) (2) 从这个结果可以得出结论，一个可以造成BGA焊盘应力 失效的临界值333,706帕（HTD材料）转化为PCB整体应力 则大约为5000με（图5）。这意味着，如果一个给定的组 装后元器件受到大于5000με的整体应变，就有可能导致焊 盘缩孔完全断裂。重要的是要注意，这是焊盘完全断裂的应 变力，不是发生部分焊盘缩孔的应力。类似地，对于HTFP材 料，引发焊盘缩孔的PCB整体应变力可以转化为3000με（对 应的临界应力值为199,285帕斯卡）。

图6：预设了失效应变临界值的“Mousebite”走线设计

然而，我们在观察PCB典型材料（图7中的HTE）的走 线应力/应变曲线时发现，很显然需要施加60000με（6％

在图5中还可以看出，选定焊盘的大小显著地影响着

延伸率）的应变力才能导致走线完全断裂。不过，在大批量

PCB的应变值大小。对于20mil直径及以下的焊盘尺寸，板应

生产制造中，在板子上设计一根可以在应变水平范围3000-

力要比临界失效应力值高。试验弯曲测试时的结果就证实了

5000με时能够断裂的走线而不需要明显的工艺/设计上的 因此，一个不同的解决方案被

PCB垂直拉伸应力差值

PCB垂直拉伸应力差值

PCB垂直拉伸应力差值

修改，似乎并不太实用。

PCB焊盘尺寸 平衡值

探索出来，它既能在大批量生产中 更容易执行，又很容易推广并能有 效控制成本。尽管业界也提出了其 PCB应变 平衡值

它一些在线监控技术，但需要定制 连接器和进行设计，因此很难在生

图5：（a）预测模型的精度估算 （b）PCB SY和PCB焊盘尺寸之间的相关性 （c）PCB SY和PCB整体应变之间的相关性 14 www.emasia-china.com | 2013年5-6月

产线上数百个组件和卡板上部署， 成本也是个问题[6]。

专题文章

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小裂缝时所造成的任何容值变化。板上的定时器和存储器可 以装在元器件附近的地方。为了得到电容值的有效变化，几 个元器件可以并联连接到相同的计时器和E2PROM电路上。 任何一个元器件出现失效，测试电路就会记录下来。 随后可以用相对简单的横截面切片方法来展示由于挠曲 引起的典型失效模式，如图10中所示，从而验证该失效。 电极

弹性裂纹

电容可焊端 焊点

图7：不同PCB铜箔材料的应力/应变曲线，最常用的材料是高温 电解材料（HTE）[5]。

业界很早之前就知道，陶瓷电容器很容易发生与机械应 变相关的失效。事实上，几乎整个尺寸范围的陶瓷电容器在 应变弯曲负载下的失效已经被很好地描述出来（图8）。

陶瓷绝缘体

PCB

焊盘

图10：电容芯片在弯曲负载下的典型裂纹特征[8]

因此，对于陶瓷电容通常已知的和所理解的失效模式， 其实可以将其转化成一个简单可行的检测方法来测量在PCB 组装时的额外应力。陶瓷电容器价格便宜、易于组装并以标

µ微应力

准的SMT装配流程来操作而不需要明显改变工序。一般来讲 BGA对角线的周围区域是高应变区域，不建议在这个区域安 装主动元器件；而在这个区域安装敏感电容元器件一般不会 对板子的整体成本带来重大损失。

结论 本文陈述了用单调弯曲试验方法来验证引脚拉拔试验

芯片尺寸

图8：芯片尺寸与应变要求达到100、10及1PPM失效率的对比 （典型值）[7]

的具体方法。根据本文所提出的数据，就得出了造成焊盘完 全开裂的PCB材料的临界应力值。此外，也得出了在PCB材

从图8可以看出，如果一个尺寸为2225的电容被组装

料中达到临界应力值时的PCB整板应变范围值。因此，我们

在最靠近BGA对角的角落位置上，就可能在应力超过3000-

就可以提前预估电路板材料在出现焊盘完全开裂时它可能需

5000με时失效，预期的失效率要足够高到能够被可靠地检

要产生的应变值。该预测可用于优化封装和印刷电路板的设

测出来。例如图9所示的电路，可以用来实时监测电容，并

计，以尽量减少焊盘缩孔发生的可能性。最后，本文陈述了

且可以确定其失效的精确时间。知道失效的时间对于失效根

一种能够实时监控造成焊盘缩孔失效的高应力的方法。

本原因的分析是至关重要

未来的工作

的：如果失效发生在组装 的过程中，导致失效的组

目前正在开发具体的测试板，来进一步验证单调弯曲试

装步骤可以被精确地识别

验、引脚拉伸测试和电容敏感度测试之间的相关性。试验数

出来；如果失效发生在使

据的结果将被用来进一步精炼本文所陈述的结果。EM

用过程中，则可以识别出 使用的特定案例。 检测的方法涉及到将

电气原理图 图9：检测电容变化的电气原理图 （电容是应变监测元件（SMD）

电容（SMD）连接到一 个定时器电路板上，以及用一个可擦写可编程的只读存储器 （E2PROM）。该存储器被设置成先入先出模式（FIFO）， 来记录X分钟的数据。这个工作类似于一个“黑匣子”。根 据T0电容值，基准容值的应力临界值可以预先设定或通过编 程设置在每块板上。该测试电路板将随着时间的推移记录时 间与电容值，并会显示随着时间的推移记录到电容出现的细

致谢：

笔者感谢思科系统公司的元器件质量和技术部的团队协作。

参考文献:

1. IPC-JEDEC 9702，“板级互联的单调弯曲特征”，http://www.ipc.org/TOC/IPC-JEDEC9702.pdf 2. Wang, Q., Xie, W., Ahmad, M.,“先进BGA封装的单调4点测试的试验验证分析和参数优化”， -HDP ICEPT，2012。 3. IPC-9708，“验证印刷电路板组装时焊盘缩孔的试验方法”，http://www.ipc.org/TOC/IPC9708.pdf 4. Ahmad, M., et. al，“表征和减少印制电路板ＢＧＡ焊盘缩孔的全面方法”，Journal of SMT, Volume 22-1, 01/31/2009. http://www.smta.org/knowledge/journal_detail.cfm?ARTICLE_ID=164 5．Wang, D-S., et al,“印制电路板应用的电解铜箔的力学性能”，国际微系统、封装、组装 和电路技术研讨会（IMPACT），电子材料和包装国际会议（EMAP）。 6．Uppalapati, R.; et al, “评估ＢＧＡ元器件在震动试验中极限值的原址电压度量法”，电子元 器件和技术会议（ECTC）2012。 7．Prymak, J., et. al,“MLC芯片电容柔性能力的新改进”，2006 CARTS会议，佛罗里达州奥 兰多，4月3-6日。

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专题文章

经济与环保——亚洲电子 产品清洗的挑战 Mike Jones — MicroCare 公司副总裁

在

选择新型清洗工艺时，可怜的产品工程师往往陷

求清洗工艺更有效、更具一致性、功能更多、更安全、更快

入很窘迫的境地。工程师们都希望能在使用更少

捷、更具可持续性也要求更经济。

的设备、水、电力和资金的情况下清洗更多的

全球很多像MicroCare一样的公司致力于提供创新性

电路板，而这是个很难实现的愿望，原因有二：首先，电子

的、价格合理也更有效的电路板清洗系统，以最大限度的减

产品小型化和电路板组装的密集化使得清洗很困难；与此同

少污染和降低成本。不过，清洗系统的功能和成本差异非常

时，全球的制造商还不得不面临更环保的要求。

显著。仅比较水基清洗和溶剂清洗两种方式，水基清洗相对

本文将探讨同电路板清洗相关的环境问题，同时为工程

较慢但价格低廉，气相清洗比较快速但需要较贵的溶剂。工

师们推荐一款可以做出更明智清洗选择的分析工具。

艺工程师如何能公平和科学的比较这些不同的技术呢？

空气、水及土壤污染问题

MicroCare，将其称为“清洗计分板”。

答案是使用一个可以平衡各选项收益和成本的流程；在 据世界银行资料显示

，全球污染最严重的城市至少有

16个在中国。1《时代周刊》更是将中国临汾列入全球污染最 严重城市前三甲。 不过，中国远非亚洲环境问题最严重的唯 2

一国家：

清洗计分板 当人们谈论足球、篮球或者其他球类运动时，最后的比 分代表了比赛的所有结果。对于电子清洗工艺也同样如此。

·在菲律宾，每年有近5000人因空气污染而引发的呼吸 系统和心血管疾病而早逝。3

工程师们可以建立清洗计分机制以比较所有不同的清洗技 术——水洗、半水洗、碳氢清洗剂清洗或气相清洗，使得不

·在雅加达，每年有超过3亿立方米的水被从地下抽出， 是自然补充量的三倍。除非采取行动从现在开始就节约用水， 印尼将在三到五年内面临“严重的（水资源）紧缺”。

4

·在越南，只有4.26%的工业污水和废水经过处理后再 排到环境中。5

同的系统之间可以进行有意义的比较。最佳的清洗计分则表 明最低的“每个部件清洗总成本”（CPPC）。 CPPC是一项分值，数额从几分钱人民币到几百元不 等。这一分值将所有的直接清洗成本、环境成本、人工成本 和废弃物处理成本归结为一个简单的问题：清洗单位部件需

·提高能源使用效率应该是全球各地的共同目标。但向 大气排放一吨二氧化碳，瑞士可以创造9293美元的产出，而 泰国仅能产出760美元，印度则只有579美元。 这些都是不可持续的，所有企业将迟早被要求减少污 染，变得更高效节能。具体到电路板清洗领域，新的趋势要

体育计分板

要耗费多少成本。采用CPPC这一工具，精明的工程师可以 对所有不同的清洗技术进行公平的比较。 在此，要提到本报告最重要的提示：停止片面关注价 格。真正重要的不是每升（溶剂）多少钱，而是每个部件的 平均清洗成本。6 这是利润产生或丢失的关键所在。

在体育运动中存在各种不同的计分板，共同特点是都总结了球员们的表现，并指出谁是某日表现最好的。工程师们也需要计分板帮 助比较不同类型的清洗系统。 在电子装配中主要有四种类型的清洗系统：水基清洗、半水基清洗、碳氢溶剂清洗和气相清洗，它们在清洗规模、性能、运行成 本、人力成本等各方面都有很大的不同。通过使用“清洗计分板”，可以帮助工程师们理顺这些复杂之处，像比较苹果和苹果的差异一 样来比较这些差异非常大的设备。 16 www.emasia-china.com |

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便捷性 ——工程师们必须考虑到清洗流程在何处进 行。例如，桌面式的清洗设备清洗速度慢、体积比较小、 价格也比较便宜，因此其可以方便的设置到工厂的每个角 落。集中式大批量清洗设备则体积更大、清洗容量更高、 效率更高也更为昂贵，但是技术员将不得不花费时间将电 路板转移到集中式清洗设备那去。总之，在确定使用方便 性参数这方面是比较复杂的。

检测与验证——最后，对系统的真实运转测试是非常 有必要的。准备一批具有典型污染的电路板，使用每一种 清洗系统对产品进行清洗，多次检查以确保清洗流程没有 破坏元器件或在难以清洗区域仍有污染残留。每个设备供 应商应该都可以提供一份报告，对清洗流程中的工艺、结

零部件篮

每个清洗计分板都需要进行调整以适应所处理的任务。例 如，清洗大型仅是简单形状的金属器件是一个比较简单的应用， 可以使用水基或碳氢溶剂清洗就能很好的完成。相反，对于更小 形状更复杂的产品，气相清洗更具优势。

果、溶剂、温度及时间等参数做出说明。通过此步骤，可 以排除所有不能成功实现清洗效果的设备。 在工程师寻找合适清洗设备过程中，以上四项标准可以 将适合公司需求的清洗设备列表变得更短。现在，将开始困

计分前准备

难的部分，即确定哪个系统清洗的总成本最低。

当购买一个新的棒球棒、网球拍或者高尔夫球杆时，人 们会选择适合自身体力、体形和习惯的那具。同样，清洗设 备也具有不同的尺寸和性能，选择一款适合公司清洗需求的 清洗系统也就成为最重要的环节。这个过程需要四步：

三种成本 一旦产能需求确定，工程师必须研究每款系统的直接运 行成本、间接运行成本和固定成本。

规模 ——第一个参数是清洗规模。清洗系统规模太

直接运行成本包括设备运行中耗材和人力成本。值得注

小，容易导致产品积压，规模太大则会有设备闲置，导致

意的是，在设备停止运行时，不会产生直接运行成本，因此

投资浪费。清洗系统合适与否取决于产能，这可以用每小

直接运行成本与产能成正比。间接成本是即使设备不进行清

时清洗板数来衡量。

洗工作仍将产生的成本，包括租赁和培训费用。固定成本则

举个例子：一台水基清洗设备可以在四十分钟内清洗

通常为一次性安装设备的资本投入。

二十块，即每块电路板平均用时两分钟，每小时可清洗三 十块电路板。一台气相清洗设备同时只能对五块电路板进

下面来对每项成本做具体分析：

行清洗，但是清洗时间只需五分钟，即总产能为每小时六

直接运行成本

十块电路板。

电力成本对大多数清洗系统而言都是项大的支出。通常

产能对操作成本有着显著影响，特别是在清洗系统

情况下，因为要对水进行加热、泵吸或排除、喷洒及烘干，

达到其产能上限时。举例来说，一台小型的先进气相清洗

水基清洗设备的总电力成本将是气相清洗设备的五到十倍。

设备溶剂损失不超过每小时20克，而在待机模式下，溶

废水处理系统也是耗能大户。

剂损失将降到每小时4克。为了准确评估整体清洗成本，

水可以便宜地获取，但是对其净化却比较昂贵。溶剂和

工程师们需要详细确定系统每天工作多少小时，闲置多少

皂化剂则是昂贵且存在清洗中的损耗（这部分损耗是指当电

小时。

路板从清洗系统取出时残留在板上或器件周围的浪费部分）。

很多因素会影响到产能。例如，系统长时间运转导致过 热时需要暂时停机，复杂的导入和导出过程也会增加循环时

供应商应该能在对提供样件进行实际清洗的过程中对溶剂的 消耗量做出评估。

间，烘干过程往往也会导致循环时间延长，水基清洗设备在

大型设备有比较大的维护方面问题，而且大型水基清洗

清洗大的简单的电路板时速度比较快，而气相系统在清洗细

设备往往最复杂。过滤器需要检查和更换；鼓风机、马达和

间距或更多间距的器件时会更快。

传送带需要维护；复杂的水处理和循环系统需要即时监控；

性能——工程师应明确所需的电路板洁净级别，确保每

碱性添加剂提高了很多系统的清洗功能，但这些外部添加剂

个备选的系统都能满足其要求。简单的视觉检查通常可以在

也造成额外的设备维护问题。所有这些都必须包括到系统的

很多情况下满足需求，而表明绝缘测试（SIT）在更为苛刻的

直接操作成本中。

应用时则至关重要。不管标准如何，在测试阶段开始前必须 明确定义好这些。

人力成本也应仔细列出。尽管非常简单，电路板装入和 移出清洗系统仍耗费了大部分人力。技术人员进行的辅助检 2013年5-6月 | www.emasia-china.com

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最小的气相清洗系统 (Degreaser Unique LabKleen)

清洗系统有着规模、功能和价格分布范围很广，但在同样产 能情况下，气相清洗系统往往比水基清洗系统更小。此图描绘了 一个最小的气相清洗系统，可应用于实验室原型生产、研发或试 生产。

专家。他们要花费时间用于管理水净化系统、PH值以及系 统中水的各种添加剂，以及由此产生的废水处理系统。正 确运行水基系统的工程保证使得其运行成本远远超过气相 清洗系统。 另一个间接成本是占地使用成本，有时这也在总成本中 占很大比重。水基或半水基清洗系统需要比溶剂清洗系统更 多的地面空间，同时水处理系统所占用的空间往往同清洗设 备本身一样大7。此外，水基清洗系统清洗速度更慢，由此需 要更大的空间用于存储、工作流程、供应、传送系统和运送 通道。 例如，笔者曾经参观过一款水基清洗设备，自身占 用工厂20平米的面积。但在实际操作中，还要加上配套系 统，使得整套系统占用面积达到140平米，是设备自身占地

气相清洗实验室

印刷电路板为各清洗系统带来更大的挑战。一般而言，板面 积更小，走线更密集，此外板上还有各种不同类型的污染，包括 助焊剂、胶水、油墨、环氧树脂、指纹油脂和覆形涂层残留等。 通常清洗标准要求更高，也使得分析更为困难。

面积的7倍。比较气相清洗系统，同等产能情况下占地面积 会更小，合理的综合占地面积是设备本身的4倍。 估算占地成本应包括空间本身成本，加上冷暖气 供应、照明以及一些公用设施成本，如洗手间等。在中 国，工厂租金大约为25元/平米·月，上述的大型水基清

查，如人工喷涂、重新清洗或手动烘干设备外的产品等也会

洗设备的成本约为每月3,500元， 8 如果该系统每月可以

耗费时间。当然，如今人工干预应该是比较少的，如果不是

处理100,000件产品，分摊到每件产品的此部分费用则为

这样，那就是系统出现某些问题。在度量单位时间劳动成本

0.35元。

方面，很多公司对实际设备操作用人员采用“满负荷劳动生 产率”这一指标。

固定购买和安装成本 最后要包括的成本是安装和购买成本。

间接成本

前期资本成本包括设备和子系统的价格、运输、现场

间接人力成本往往难以估量，这方面可能包括：a）、

准备和安装成本。新装清洗系统需要建筑装修、加强通风系

督导工程师的劳动时间；b）、培训的成本；c）、维护的

统、电气系统升级及水处理等各种子系统的支持。在此要提

时间成本；d）、任何化学品安全培训成本。如果人员流动

醒的是，在进行成本分析时要将所有的子系统包括在内。

性是个问题，还需要对季度培训增加额外的资金。

精明的工程师还会考虑到对可选功能进行额外投资，

间接人力成本中还有一个常常被忽视的因素：管理水

这可以加快清洗速度或降低运行成本，提高初期的资本投

基清洗系统的复杂性要求长时间的培训和训练有素的技术

入以降低实际运行成本。举例来说，水基清洗系统有些省

18 www.emasia-china.com | 2013年5-6月

专题文章

钱的选项，如气刀和额外的烘干室，这些可以加快清洗速 度，但会增加电力成本。 决策者应汇总所有与投资相关的资金成本。使用电子

Feature

清洗成本列表 直接运行成本

格为1,500,000元的清洗系统预计使用寿命为12年，每

人力：操作员，每小时成本（全负荷劳动生产率） 电力 水或溶剂或皂化剂 耗材（过滤器等） 水处理系统成本 废水处理

月可以清洗10,000块电路板，即清洗每块电路板成本为

间接运行成本

1,500,000/1,440,000，约为1元。

人力：系统维护，每小时成本 每平米占地成本 操作员培训 督导人力成本照明、通风及其他配套成本

表格中的PMT金融功能计算出设备的平均每月成本，而这 可以很容易的换算成平均单位产品清洗成本。 一旦确定设备的购买和安装总成本，除以清洗系统 预计寿命期可以清洗的产品总数量。例如，如果一款价

优胜评分 综上所述，在选择一款新的清洗系统时需要列出很多因 素。我们有详细列出这些因素的电子表格以供下载作为工程 师们制定评估计划的模板。9 一般而言，可以使用下面的“清洗计分板”为公司选出 最佳的清洗技术和设备。 1. 确定当前以及将来产品的可能清洗要求，并将所需的 产能平均到单位时间； 2. 比较不同的清洗技术。向设备制造商提供样板以确保 其清洗系统可以满足公司的清洗要求；

asia

一次性资本投入 购买清洗系统成本 系统运输、责任险、消费税及其他保险费用 场地工程及建筑装修费用 工作台搭建费用 电气系统改造 水/铅改造 通风系统改造 清洗系统安装和调试 资金成本

3. 从余下的备选系统中采集每项重要的比较数据。确保 包括前期资本投入成本，直接和间接运行成本（督导和工程 师的人力成本、能源、水、溶剂、其他人力和维护成本）； 4. 综合各项成本后，除以系统的预计产量得到平均单位 产品的清洗成本； 5. 将所有数据归纳为一个性能指标，平均单位产品的总 清洗成本（CPPC）； 6. 选择平均单位产品总清洗成本最低的清洗系统。 使用标准化的统计工具，工程师们可以为不同类型和生 产规模清洗系统的运行成本建立模型。使用这一方法，同时 在具体运作中准确、彻底和公正的完成各个步骤，工程师们 可以对选择的系统能在未来数年里为制造过程创造价值抱有 信心。EM

关于作者：

Mike Jones担任清洗领域的全球领先企业MicroCare公司副总裁已超过20年。MicroCare产品 包括水基清洗设备、各类品种的溶剂、碳氢化合物及烯类清洗剂，此外还推出了创新性的台 式工具以帮助降低清洗成本。欲联系Jones，请发送邮件至MikeJ@MicroCare.com。

参考文献:

1. http://articles.economictimes.indiatimes.com/2013-02-07/news/36972457_1_air-pollutionair-quality-cities 2. http://www.time.com/time/specials/2007/article/0,28804,1661031_1661028_1661016,00.html 3. http://newsinfo.inquirer.net/breakingnews/nation/view/20070904-86654/Air_pollution_kills_ nearly_5%25 4. http://www.nytimes.com/1995/06/26/news/26iht-water.html?pagewanted=all 5. http://www.enviet-consult.com/page5.html 6. 对于本处讨论，“单位部件清洗成本”最为实用。然而，客户可能更倾向于使用“每天清 洗成本”或者“每次更换成本”作为同等的效率量度。一般而言，每小时清洗板数对大多数 公司更为适用，这是因为其他操作成本要么可以以时间来单位化来计算要么易于转化为单位 时间成本。 7. 更详尽的水基清洗技术和水处理系统的说明请参见Bockhort、Beeks和Keller所写的“水清 洗概要”，《清洗标准手册》第37页（Kanegsberg & Kanegsberg, CRC Press, 2001）。事实 上，如果你没有这本手册就别决定购买哪种清洗系统。该手册对清洗工艺有着综合、通用、 准确的陈述。 8. http://www.china-briefing.com/news/2011/03/07/operational-costs-of-business-in-chinasinland-cities.html 9. 电子表格可在MicroCare公司网站下载：http://www.microcareprecisioncleaners.com/assets/ documents/uploads/Degreaser_Costs_Compared.xls

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专题文章

电子废弃物回收贵金属的 可持续解决方案—— eVOLV TM 技术 Michael B. Korzenski博士 — AIMI公司可持续技术部高级主管

随

的回收管理成为巨大挑战，由此产生的电子废

路。本文讨论了由ATMI公司开发的一款名为eVOLVTM的新型

弃物（电子垃圾）已经成为一个全球性的严峻问题，且正在

工艺技术，它是基于环保化学和绿色工程的方法，可以从废

日益恶化。据报道，2009年全球范围内的电子废弃物数量

旧电路板或印刷线路板（PWBs）中回收有价值材料的一种

为5,000万吨，预计到2014年，这一数据将增至超过7,200万

安全、快捷和有效的方式。

着个人电脑、平板电脑和其他移动电子产品在

的回收利用这些资源的方法不仅可以消除有害的倾倒行为，

全球范围内的广泛使用，它们使用寿命终期后

削减开采新金属的成本，也是通向可持续发展方向的必由之

吨。

[1]

电子垃圾带来很多安全和环境危害，特别是因为大部分

课题

电子废弃物被运送倾倒至贫困、欠发达地区，在这些地方，

在过去的35年里，我们的通讯、视听甚至拍照的方式

电子废弃物被手工拆卸或在当地采用各种危险的回收技术进

都发生了翻天覆地的变化。今天，我们使用的每个电子产品

行处理，如直接开放式焚烧或者采用有毒化学物质提炼贵金

都包含有许多电子部件，例如微处理器、存储器、图像传感

属。更严重的是，越来越多的电子废弃物堆放地的有毒化学

器、射频器件等等。不管是笔记本电脑、智能手机或者平板

物质渗入地下水，带来了更大的生态灾害。

电脑，这些电子产品的使用寿命都在变得越来越短，或者说 下一代产品上市的速度越来越快。大部分电子产品一旦过 时，往往会被运送到发展中国家（通常通过间接的回收渠 道）进行拆解和回收利用其中含有的贵金属和普通金属。 对这些金属需求的增长，与电子废弃物不断倾倒和新 资源采掘带来的环境问题相结合，形成了一种困局。从我

图1：由于美国针对某些回收方式有管制，因此美国的许多电子垃圾 最终都流入了第三世界国家。

与此同时，贵金属如银、金、钯、铜及其他用于电子 产品制造的金属变得越来越昂贵和难以获取。因此，对这些 金属的需求持续增涨，金属的价格持续上升。寻找一种有效 20 www.emasia-china.com |

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图2：在亚洲，一个人正在使用危险的王水处理法这种有害的方式从 电子垃圾中提取金属。

专题文章

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们当前使用的数以十亿计

计了工艺流程，设计伊始就贯彻了环保化学和绿色工程的理

的电子产品中回收利用金

念。[3,4]

属，成为应对这种局面的 一个引人瞩目的途径。回 收再利用的需求很容易理 解，特别是在考虑到1吨 旧手机（大约6,000部， 与目前年产量10亿部相比 微不足道）含有约3.5公 斤银、340克金、140克 钯、130公斤铜，总价值大

图5：eVOLVTM流程工具包括一组选择性的、无毒的化学药剂用来 安全有效地从印刷电路板中提取贵金属和元件。

约2.8万美元（每年相当于 25亿美元）。[2]事实上，有 图3：在非洲，一个年轻人正在拆解

eVOLV技术对电子废弃物的回收处理采用分阶段进行的

旧电脑以获取可回收的零件和 材料。

方法，整个过程是在一个密闭的闭环系统中进行，载入电路

电脑的电子废弃物中的可回收黄金量超过从地面采掘的17吨

板或印刷电路板后，通过传送带进入系统，然后进行第一次

金矿中可以提炼出的黄金数量。然而，传统的回收利用方式

化学药剂浸泡；在此过程中，所有芯片和无源元件（电容、

具有难以接受的污染和环境危害（如冶炼工艺）。

电阻、散热片、连接器等）被化学解焊，以便收集这些元器

报道称，从一吨来自个人

电子废弃物中含有 大量有价值的金属

件。通过一个专有的解决方案，在接近室温（30-40摄氏度）

1吨 用过的手机或约

路板上的金属完整的保存下来。铅、锡和银形成的盐（通常

情况下，这一步骤需时不到20分钟。化学药剂对锡铅和锡银 焊料具有高度的选择性溶蚀率，可以将铜、金、钯和其他电

6,000部手机——仅为全球 年产量10亿部的一小部分——包含：

黄金 白银 钯 铜

总价值：

340克 3.5公斤 140克 130公斤

28,000美元

是氧化物）溶解到解焊化学剂中，提取率可达99%，纯度同 样可以达到99%，这样得到的成品甚至可以直接用于出售。

电子废弃 物电路板 进入提取 系统

焊料回收 再利用

功能元器 件回收和 再利用

电子级金 属回收再 利用

光板再 利用

图6：eVOLV处理的主要工序如图所示。

图4：一吨手机所含金属及其价值。

eVOLV TM 方法 为开始应对大量和日益增加的电子废弃物的挑战，以 及开始采用更清洁、更安全的方式从电子废弃物元器件中 回收金属，ATMI——微电子行业的特色化学品供应商，已 经开发出一款专有的工艺和系统，以便从废弃印刷电路板 （PWBs）中获取最大的价值，该技术目前已经申请专利。 这项技术被称为eVOLV，包含废弃物管理的“4R”——减少 （Reduce）、再利用（Reuse）、再循环（Recycle）以及

图7：大块电路板可以分别被装在eVOLV传送带系统中进行处理。

回收（Recover）。然而，至少从电子废弃物中元器件这一

对解焊后的芯片进行的测试表明，经过此回收过程后很

方面，该项技术之所以被开发出来，更多的原因是聚焦于第

多仍然可以使用，因此可以重复使用或者出售给二手市场。

五个R——反思（Rethink）。

鉴于制造一个2克的芯片需要使用1.6公斤化石燃料、72g化

不同于大多数现有的、通常对人和/或环境有害的处理 电子废弃物的技术，eVOLV技术采取安全、可持续的方法设

学品、32公斤水和700克各种气体，eVOLV技术由此产生巨 大的环境节约。 2013年5-6月 | www.emasia-china.com

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专题文章

有的化学药剂和喷淋水均被回收再利用。因为整个系统流程 在接近室温的情况下运行，并且使用了简单的传送带进行传 输，因此该系统能耗极低。试运行系统采集的数据表明，金 的化学提取药剂经过9次循环利用其性能仍未有丝毫降低。 水质也通过了检验，对使用前后喷淋用水的ICP分析结 果显示，仅有微量的金属（远远小于1PPM，参见图11）。 此外，eVOLV技术中使用的所有化学药剂均是安全的，其毒 性甚至小于普通橙汁。 图8：在提取金属之前，通过化学解焊工艺，将芯片从电路板中分离 开来；其中的许多芯片还可以进入二手市场重复利用。

对于其他基本金属成份，如铝，可以采用同样有效的 过程进行收集和再次出售。需要特别注意的是，采用这种工 艺，无需任何切割和研磨工序——这些工序可能导致损失高 达40%的贵金属，同时容易形成危险的金属细屑，而切割研 磨产生的粉尘中还含有溴系阻燃剂和二噁英。[6] 通过专用的eVOLV化学药剂分解无焊接和元器件的印制 电路板需要大约15分钟，这一步骤中选择性地提取各种贵金 属（金、银、钯、铜等）。在提取纯度达99%的情况下，这 些金属的提取率可以达到99%，通过这一过程得到的贵金属 可以作为“制程就绪”（“process

图11：图中显示eVOLV工艺喷淋用水最终处理前后及排放时的金属 含量和PH值水平

总结 eVOLV系统是首款做到符合成本效益、具备可持续使

ready”）的材料直接出

用、全化学过程对废弃印刷电路板进行回收利用的技术。这

售。实际上，通过eVOLV工艺提取出的黄金最近通过独立第

款技术免除了传统的、有毒害的贵金属提取方法中氰化物或

三方的检测，纯度达99.9%，剩余的印制电路板基板（光板）

王水的使用，金属回收利用率高达99%，且回收金属纯度达

中的玻璃纤维可以切碎用作水泥、轮胎、道路表层等的填充

99%（黄金纯度可达99.9%）。无毒的化学药剂可实现回收

物。换句话说，最终，eVOLV技术对印制电路板的回收再利

利用，不会产生有毒的副产品或有害空气、水及固体废弃物

用率接近100%。

排放。

在美国康涅狄格州

因为所需的化学药剂用量很低，所有的工艺步骤极为

丹伯里的AIMI公司总部，

高效。工艺过程中采用低能耗和接近室温的操作温度，由此

一套试运行系统已经运转

也保持了较低的碳足迹。过程中使用的化学药剂具有较高的

了一年以上。这套系统被

承载能力，这意味着较少的更换次数，由此可以优化降低成

扩充到可以以最高每小时

图9：eVOLVTM从金属电路板中提取

400磅的速度处理大量印制 金、银、锡、钯等金属的效率高达 电路板，且整个流程中所 99%；所提取黄金纯度可达99.9%， 并可作为“制程就绪”材料出售。

本。这种成本节约的概念可以扩展，如系统选址可靠近电子 废弃物来源的地方。最终，所有的产生的废弃物都可以转换 成为其他制程的原料。 随着电子产品消费需求的增长，电子废弃物的数量也将 持续增长。依靠eVOLV系统，通过回收印制电路板实现高效 和可持续回收贵金属如金、银、铜和钯等。EM ATMI和eVOLV是先进技术材料公司（Advanced Technology Materials, Inc）在美国及 其他国家或地区的商标或注册商标。ATMI是一家电子服务企业。

参考文献:

图10：在eVOLVTM系统中经过处理后，小的印刷电路板被从大板上 移除；处理后的电路板被磨碎后可以用于混凝土，沥青或其 他材料的填充物。 22 www.emasia-china.com | 2013年5-6月

[1] T. Zeller, “A Program to Certify Electronic Waste Recycling Rivals an Industry - U.S. Plan”, New York Times, April 15, 2010.

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[4] P. Anastas and J. Zimmerman, Env. Sci. and Tech. 37, 94, 2003.

[5] E. D. Williams, R. U. Ayres and M. Heller, Environ. Sci. Technol. 36, 550, 4, 2002.

[6] P. Chancerel, C. Meskers, C. E. Hageuken and V.S. Rotter, J. Industrial Ecology 13, 791, 2009.

[7] Third-party validation of purity from gold recovered from the eVOLV process (99.9%) provided

by Assay One, 105 Dexter Road, East Providence, RI 02914.

Interview

专访

努力满足不同层次客户对贴装设备 的需求 ——访上海三星商业设备有限公司市场部总监 徐大沅

EM Asia中文版

二

十世纪的电子制造设备市场，一直是欧、美、

来的SMT行业会通过提高自动化及节

日供应商一统天下的局面。进入二十一世纪，

约配件成本来实现整体成本的降低，

随着中国电子制造产业的高速发展，一大批民

最终实现无人化、自动化的生产模

营设备供应商在SMT生产线的贴片、印刷、焊接、检测四

式。因此，我们的设备也是在不断地发展，来配合整个行业

大系统中的后三个中快速崛起，并占据了一定的市场份额，

的发展趋势。

唯有在贴片机领域至今仍未取得市场意义上的突破。在欧、 美、日一直把持的贴片机市场上，Samsung Techwin是唯一 的例外。

EM Asia 中文版：请您简要介绍一下三星贴片机的未 来发展路线图？

那么，三星得以生存和发展的动力是什么；三星贴片机

徐大沅：SMT产品种类有很多种，从几个点位到几千个点

都有哪些特点；对贴片机技术今后的演化方向，以及中国和

位的产品都有，我们要根据各种Segment，每种都能够对应

全球电子制造市场发展又持何种观点？EMAsia中文版记者

得上；例如，我们计划在今年内推出适用于所有产品的高速

日前采访了上海三星商业设备有限公司市场部总监徐大沅。

机，即4G泛用高速机，与目前三星已有的模组式高速机、 超精密准高速机、泛用准高速机、泛用机、异型元器件专用

EM Asia 中文版：以日、美、欧为主的贴片机市场 上，三星得以生存发展的动力是什么？

机、特殊异型机、Lens贴片机、廉价贴片机、最小型贴片机

徐大沅：我们三星贴片机发展的原动力有两个方面：第一是

生产需要，方便地选取适合于自己的机型。

和特殊贴片机等，构成完整的产品谱系，让客户根据自己的

针对设备研发及营销的大量投资。我们每年都会根据客户的

来回报我们的客户；第二是快速的服务。我们在主要的一、

EM Asia 中文版：随着中国劳动力成本的不断升高， 请您谈一下对今后几年中国及全球电子制造业发展的 看法？

二线城市均设有服务网点，只要客户需要，我们都会在最快

徐大沅：在过去10年，中国被称为“世界工厂”并且飞速

时间内到达客户工厂，帮客户解决难题。

发展，至今，中国成为了世界第2经济大国。中国的优点是

不同要求，不断地研发出新的设备；同时，我们也不吝于营 销方面的投资，不断地举办一些设备研讨会和客户答谢活动

我们也秉承“想客户所想，急客户所急”的服务理 念，不断提高我们的服务水平。

优良人才非常多，而随着经济的发展，人力费用的上升是必 然的，我认为在未来的10年内，人均GNP还会继续上升到 15,000美金水平。因此，中国的产业结构也会从低成本生

EM Asia 中文版：三星贴片机的特点是什么？可以为 客户提供哪些与众不同的价值？

产，发展成为以技术力量为基础的制造业及服务业。

徐大沅：三星贴片机除了具备高速贴片机的基本特点外，还

到巅峰水平，很难再高速发展。因此，未来全球制造业的原

具备了业界的最高速度和精度，并且不断通过无人化/自动

动力应该在亚洲，因为亚洲拥有大量的优良人才，并且劳动

化，事前防止不良与监控等功能，最大限度地提升效率，来

力成本也相对便宜很多；其中，如果中国市场的劳动力成本

满足客户的各种需求。

呈不断上涨的趋势，那么，越南和印度等国家将成为强有力

对于全球电子制造业来说，随着发达国家的制造业已达

的备选地。

EM Asia 中文版：SMT已经是相对很成熟的技术了， 您认为作为其核心的贴片机技术将向什么方向发展？

增加，必定会将中国的整体消费拉上来，随之必然也会把中

徐大沅：贴片机技术现在已经很难再有革新性的发展

国的制造业带动起来。那么，我想不久中国就会成为能够与

了。SMT行业一直以来无法实施全自动化生产，但我觉得未

美国持平，并且可以引领全球发展的制造大国。 EM

全球制造业的发展与消费紧密相连，而中国人口的所得

2013年5-6月 | www.emasia-china.com 23

asia

Feature

asia

专题文章

散热管理的理想选择—— 导热垫片 钟起权 — Electrolube中国技术工程师

随

选择新型清洗工艺时，可怜的产品工程师往往

热片材、导热塑料、导热橡胶等。一般来说，我们将使用硅

陷入很窘迫的境地。工程师们都希望能在使用

橡胶材质作为基础框架、填充导热物质的片状导热绝缘硅橡

更少的设备、水、电力和资金的情况下清洗更

胶材料称为导热垫片，也称为导热硅橡胶。

多的电路板，而这是个很难实现的愿望，原因有二：首先， 电子产品小型化和电路板组装的密集化使得清洗很困难；与 此同时，全球的制造商还不得不面临更环保的要求。 随着工业生产和科学技术的发展，人们对材料不断提出 新的要求。在电子电器领域，由于集成技术和组装技术的迅 速发展，电子元件、逻辑电路向轻、薄、小的方向发展，发 热量也随之增加，从而需要高导热的绝缘材料有效地为电子 设备散热，以保证产品的使用寿命和可靠性。

导热垫片的优势 导热垫片作为热界面材料中的一种，相较于其它热界面 材料，它有以下优点： 首先，导热垫片具有可压缩性，柔软且有弹性，对于低 压力下的应用环境有缓冲和防震的作用； 其次，导热垫片均有一定的自粘性，对于不需要高粘性 的应用场合来说，不需要额外在导热垫片表面涂抹粘合剂；

以前常用的冷却方法有：自然冷却、通风或者使用更大

第三，导热垫片的厚度是可选择的，对于不同的间隙，

的机壳。随着发热区域越来越广，产生的热量也越来越大，

可选择不同厚度的导热垫片，也就是说，导热垫片具有更为

迫使电子设备厂商不得不采取更为有效的散热措施。热界面

宽广的应用环境； 第四，区别于导热硅脂、导热灌封胶及导热相变材料

材料也就应运而生。 导热垫片是热界面材料中的一种，广义上讲，是指能起 传导热效果的片状物体，这样的物体可以是金属板、环氧导

等其它热界面材料，导热垫片可以方便地重复使用，对于安 装、测试非常重要； 最后，非常重要的是，导热垫片的导热系数是很稳定 的，不会因为厚度的增减而影响热传导效果，这一点较之导 热硅脂有很大的不同。

导热垫片的适用领域 从传热与辅助散热效果来看，导热垫片与其它导热材 料区别并不大，只是在导热系数的高低上有一定的差异。 它们之间真正的区别在于不同的应用领域，或者说不同的 应用部件。 适合导热垫片的应用领域主要是：高速硬盘驱动 器、PCB板、内存模块、功率电源模块、散热模组、晶体 管、电子管、汽车发动机控制装置、通讯硬件、家用电 器、LCD、大功率LED、移动设备以及军用品上。 上述这些领域之所以使用导热垫片而不是导热硅脂等其 它热界面材料，主要基于以下几点： 1、导热垫片可以重复安装，对生产操作比较有利：即 节约时间又比较省事；而导热硅脂涂抹不方便、且不方便重 复安装操作，比较费时费力。 24 www.emasia-china.com |

2013年5-6月

专题文章

Feature

asia

对于发热量较低的电子元器件，如照明设备、记忆存储 模块及其它低导热要求的电源模块等，导热系数为1.0W/mK 以下的导热垫片是比较合适的选择。 对发热较多的电子元器件，我们推荐使用导热系数为 2.0W/mK左右的导热垫片，如高速大存储驱动、计算机散热 模组、汽车发动机控制单元及LCD背光模组等。 对发热非常多的电子元器件，我们推荐使用导热系数 为3.0W/mK及以上的导热垫片，如大型功率转换设备、大 功率电源设备、GPU、CPU、硬度驱动及其它高导热需求 的模块。 对于具体应用的导热垫片要多大的导热系数，使用者 也可以根据下面的公式计算，进行大致的判断。如，根据 发热电子元器件单位时间内发热的数量以及电子元器件能 承受的热量，从而推断出单位时间内必须转移多少热量， 再由电子元器件的面积及其与散热器之间的距离，即可大 致判断导热系数为多少的导热垫片比较适合。 导热系数计算公式（测试标准为修正版ASTM D2326， 2、这些电子产品内部的电子元器件比较集中，因而会

hot disk计算公式）：

使得各个电子元器件之间高低不一，使用导热垫片一般一片 就可以覆盖全部发热源。 3、这类电子元器件与散热器件的距离一般都较大，而 导热硅脂在厚度增大时热阻也会急剧增大，对热传导非常不 利，导热垫片则不会因为厚度的变化而影响热传导效果。 4、电子元器件一般面积比较大，导热硅脂很难做到涂 抹均匀，对发热源的热量传导不利；而使用导热垫片完全不

其中，λ为导热系数（W/mK）；P 0为电力，也即功率 （W）；r为热传感半径（m）；

； 为热扩散

率（mm /s）；t 为测试时间（s）；D（τ）为 τ 函数；ΔT（τ） 2

为热传感器增加的温度（K）。

用考虑这个问题，因为导热垫片尺寸已固定，且有较好的压 缩性，对这些电子元器件散热更有利。 5、导热垫片性能稳定，在高温时不会渗油，而导热硅 脂一般在高温时会有硅油渗出，表面积存灰尘，从而影响电 子元器件的使用寿命。 相对来说，导热垫片对于CPU及GPU的应用不太

导热垫片的选择 在导热垫片的选择和使用上，还有一些小窍门： 1、先确认发热电子元器件和散热器件的尺寸规格，以 表面大者为基准选择导热垫片；这样可以增加接触面，能更 加有效地进行热传导。

适合，因为这类部件通常周围空间很小，导热垫片的热

2、选择合适厚度的导热垫片，根据热源与散热器之间

阻虽然能达到工艺要求，但厚度却很难做到足够薄（如

的距离选择合适的厚度。如果是单一的发热器件，建议使用

0.1mm、0.05mm等）。

薄型的导热垫片，这样可以获得更低的热阻，提升热传导效 果；如果是多个发热器件集中在一起，建议使用厚型的导热

导热垫片的应用

垫片，这样可以用一片导热垫片覆盖多个发热器件，即使各

导热垫片的使用非常简单，直接将导热垫片置于发热电

部件高度不一。另外，厚型的导热垫片热容量更大，如果热

子元器件与散热器之间即可。当然，为了更充分的发挥导热

源出现瞬间大量生热情况，厚型导热垫片可以有效地吸收这

垫片的作用，最好在散热器 — 导热垫片 — 发热电子元器件

部分意外产生的大量热量，从而保护元器件。

之间加以适当适量的压力，以使导热垫片与发热电子元器件

3、导热垫片具有可压缩能力，在选择导热垫片时，可

及散热器接触更紧密，这样能适当地降低界面接触热阻，从

适当选择稍厚一些，这样在导热垫片安装好之后，能适当降

而更有利于热量的传导，让发热电子元器件上的温度保持在

低导热垫片与发热电子元器件及散热器件之间的接触热阻，

合适的范围，增加电子元器件的使用寿命。

提升热传导效果。EM 2013年5-6月 | www.emasia-china.com

25

asia

Viewpoint

观点

开放式运动控制系统在电子制造 设备中的应用与发展 龙绪明、黄昊、崔晓璐、贺海浪、罗爱玲、刘明晓—西南交通大学 国产电子制造设备的发展

流，从开环到闭环，从模拟到数字，直到基于PC的控制网

二十多年的电子制造设备国产化之路经历了3个发展时

络(开放式)系统和基于网络的运动控制的发展过程。运动控

期：技术引进改造期、民营企业的兴起期和国产SMT设备品

制系统一般是由硬件和控制软件组成的。一个典型的运动控

牌发展期。

制系统的硬件主要由电机、传动机构、拖动对象、功率驱动

目前，我国己打破主要SMT设备全部依赖进口的局面。

器、传感器和运动控制器构成，如图1所示。

2003年以来，国产SMT设备品牌突飞猛进的 发展，其中国产焊接设备占领了国内近三分之二的 市场份额，并有批量出口，其中市场竞争中有良好 表现的民营企业有：日东、劲拓、科隆威、和西、 常荣、安达和多多等。 2005年东莞神州视觉公司率先推出了国内第 一台AOI，现已占有50%的国内市场份额。2005 年新宝华电子设备公司与华南理工大学合作，已 经成功研制出TP111型视觉贴片机，尽管距市场要

图1：电子制造设备中的运动控制系统

求仍有一定距离。2006年东莞凯格精机推出的全自动印刷

电子制造设备中的运动控制系统的类型如表2所示。随

机。2007深圳福斯托公司研发成功能型RD-50205返修系

着PC技术的飞速发展，基于PC的计算机运动控制系统在电

统。2008年日联科技有限公司推出的高解析度AXI透视检测

子制造设备中得到了广泛应用，而且基于PC的控制系统还

设备。同时，一批企业在除贴片机外的各种SMT装备设备制

可以充分利用PC操作系统提供的丰富的系统资源。目前，

造相继获得成功，这些民族品牌主要指标与国外品牌接近而

结合高性能的运动控制卡，可以构造可靠、扩展能力强、功

性能价格比优于国外同类产品，已经占领一部分国内市场并

能强大、开放式的运动控制系统。

开始出口。表1为国产SMT设备品牌。

表2：电子制造设备中的运动控制系统的类型

表1：国产SMT设备品牌 设备 波峰焊 名称 回流焊 印刷机 AOI AXI

点胶 涂覆 挿件机

设备名称 运动控制 图像处理 系统控制与通信

SPI 返修站

国产 日东、 凯格、 神州、 安达、 复蝶、 卓茂、 品牌 安达、 德森、 振华兴 日联 腾盛 新泽谷 思泰克 福 斯 劲拓、 日东 托

科隆威、 和西、 常荣 市场 占有 率

70%

50%

80% 25% 30%

30%

20% 40%

印刷机 贴片机 回流焊 点胶机 挿件机 波峰焊 AOI AXI SPI 返修站

系统管理 与人-机

DSP运动控制卡 DSP图像处理卡

工控机，RS485

PC

DSP运动控制卡 DSP图像处理卡

工控机，现场总线

PC

单片机，PLC

-

DSP运动控制卡 DSP图像处理卡 专用控制板 PLC

图像处理卡

PC

工控机，RS485

PC

工控机，RS485

PC

PC，RS485

PC

DSP运动控制卡 DSP图像处理卡

PC，RS485

PC

DSP运动控制卡 DSP图像处理卡

PC，RS485

PC

DSP运动控制卡 DSP图像处理卡

PC，RS485

PC

PC，RS485

PC

专用控制板

-

PC，RS485

图像处理卡

PC+运动控制器

电子制造设备中的运动控制系统 电子制造设备中的运动控制系统的类型 电子制造设备中运动控制系统的发展经历了从直流到交 26 www.emasia-china.com | 2013年5-6月

“PC+运动控制器”的开放式结构是运动控制系统的发 展方向。基于PC的开放式运动控制系统的功能图如图2所示。 在这种结构内，个人计算机(PC)的主要功能是优化指令

观点

Viewpoint

形式，属于上层控制，其软件是通用的，而电机是主要的执

总共128根轴。一台PC机上可以同时插入4块PMAC卡，也

行部件，具体完成运动控制。运动控制器就是根据上层计算

就是说一台PC机可以最多控制32根运动轴，不但可以通过

机给出的指令，结合具体的伺服系统类型，将其指令转化为

串行口或总线与PC机连接并进行通信，接受其控制，而且

伺服电机的运动的。所以，运动控制器是计算机与电机的连

还可以作为单独的控制器使用。

asia

接桥梁。 运动控制器类型较多，可分为“箱式”、“卡式”和

运动控制技术的发展趋势

“片式”三个层次，但它们的功能基本相似，就是从主机接

进入20世纪80年代后，随着微电子技术的快速发展，

收控制指令，从位置传感器接收他置信息，向伺服电动机功

电路的集成度越来越高，对运动控制系统产生了很重要的影

率驱动电路输出运动指令。

响，运动控制系统的控制方式迅速向微机控制方向发展。

国内外有很多公司开发出了功能多样的开放式运动控 制器，最著名的有美国的Delta

从性能上看，运动控制系统向高精度、高效率、高性

Tau、Galil、DMC，日本的

能、智能化的力向发展；从功能上看，运动控制系统向小型

MAZAK和NOVA，台湾凌华、研华，国内的固高、摩信等。

化、轻型化、多功能方向发展；从层次上看，运动控制系统

专用运动控制芯片是在一个芯片内集成了数字式运动控

向系统化、集成化方向发展。

制器的全部功能。开放式运动控制器的使用，可把主机的轨 迹插补与伺服闭环控制分离开来，减少了主机计算负担，所

开放式

有控制参数都可以由程序设定，系统硬件设计简单。

传统的运动控制系统经过几十年的市场竞争，其技术被 少数几家专业制造商所垄断。随着现代科学技术的进步，传 统的运动控制系统由于其自身的特性限制，如封闭式结构、 控制软件的兼容性差、容错性和可靠性不高、缺少网络功能 等，已不能满足现代工业和社会发展的要求。 为此，美国在1981年制订了下一代控制器NGC(Next Generation Workstation／Machine Controller)的研究计划， 目的就是要建立一种开放式的控制系统标准，使不同的设计 人员可依据规范开发具有互换性和互操作性的控制器部件， 打破少数制造商的技术垄断，加快控制系统的发展步伐。

图2：基于PC运动控制板卡的功能图

例如，PMAC是美国Delat

此后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动， Tua公司推出的基于DSP的

其中影响较大的有美国的开放式模块化结构控制器OMAC

可编程多轴运动控制器，是世界上功能最强的运动控制器之

(Open Modular ArchitectureController)、欧洲的自动控制

一，具有响应速度快、精度高、开发周期短、编程和操作简

结构的开放式系统OSACA (Open System Architecture for

单等特点。PMAC采用了基于PC的开放式结构，PMAC的结

Co ntrolwithin Automation)和日本的控制器结构开放系统

构原理图如图3所示。

环境OSEC (Open Syen System Environmentfor Controller

PMAC运动控制器通过特殊设计的门阵列ICs(作为

Architecture)等计划。

DSP-GATE)实现了CPU与轴的通信，每个ICs能够控制4个

美、德等发达国家的公司一直致力于研究开放式运动

模拟输出通道、4个作为输出的编码器和4个模拟驱动输入，

控制器，并已开始在机器人控制、半导体加工、电子装配系

最多可以有8块PMAC板完全同步地联系到一起使用，控制

统、飞行模拟器等新兴行业得到应用，在传统的机床控制领 域所占的市场份额也不断扩大。

基于工业PC的运动控制系统将成为主流 20世纪90年代以来，由于PC-based的工业计算机（简 称工业PC）的发展，以工业PC、I/O装置、监控装置、控制 网络组成的PC-based的自动化系统得到了迅速普及，成为 实现低成本工业自动化的重要途径。 从世界范围来看，工业PC主要包含两种类型：IPC工控 机和CompactPCI工控机以及它们的变形机，如AT96总线工 控机等。工业PC不可能与低价的微型PLC竞争，这也是PLC 图3：PMAC的结构原理图

市场增长最快的一部分。从发展趋势看，控制系统的将来很 可能存在于工业PC和PLC之间，这些融合的迹象已经出现。 2013年5-6月 | www.emasia-china.com

27

asia

Viewpoint

观点

PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展

电力电子器件的发展使得主回路的拓扑结构更加灵活，

长期以来，PLC始终处于运动控制系统的主战场，为各

电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代

种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS

以后，速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和

和工业PC形成了三足鼎立之势。

IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术

国 内 P L C 市 场 仍 以 国 外 产 品 为 主 ， 如

的使用也佼新型的电动机控制方法能够得到实现，其中，脉

Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的产

宽调制方法(PWM和SVPWM)、变频技术在直流调速和交流

品。微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主

调速系统中得到了广泛应用。这些因素综合起来共同推进了

要方向。在基于PLC自动化的早期，PLC体积大而且价格昂

电机运动控制系统的交流化。

贵，但在最近几年，微型PLC（小于32I/O）已经出现，价

直线电机驱动系统是一种特殊的进给传动方式，直线电

格只有几百欧元。随着软PLC（Soft PLC）控制组态软件的

机具有：动态响应快、定位精度高、直线移动速度快、加减

进一步完善和发展，安装有软PLC组态软件和PC-based控

速度大、运行噪声低、传动效率同等优点，因而具有广泛的

制的市场份额将逐步得到增长。

应用前景。直线电机不仅广泛应用于工业、交通运输业和军

目前，越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口，

事上，而且也逐渐进入到人们的日常生活中，例如，磁悬浮

可以相信，PLC将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是

列车就是直线电机在交通运输的典型应用；在军事上，人们

基于工业PC的控制系统。

利用直线电机开发了各种电磁炮，并试图将直线电机用于导 弹、火箭的发射；在工业领域，直线电机被用生产输送线，

运动控制器迅速发展

各种运动的机械设备、数控机床进给驱动及各种自动化仪器

电力电子技术和微电了技术的进步，为运动控制系统

设备。

的数字化奠定了基础。采用微处理器、FPGA/PLD、通用计 发展。在软件上采用新的控制理论，提高运算速度和控制精

运动控制系统正在向现场总线（FCS）、网络化 和无线化方向发展

度，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂

运动控制系统的网络化是指采用网络化技术将驱功部

控制规律的运动控制系统中成为现实，易与上层系统连接进

分、运动部分和主计算机通过网络连接，构成—个整体的系

行数据传输诊断，加强保护和监视功能；使系统智能化。

统解决方案，通过网络高速传输数据，进行整体—元化管

算机、DSP控制器等现代手段构成的运动控制器得到了迅速

理、控制和维护。基于网络技术的开放式结构智能运动控制

控制软件正向先进控制方向发展

系统，将逐步取代传统的运动控制系统，并成为运动控制技

自20世纪80年代初期诞生至今，工业控制软件已有20

术的发展主流。在现代工业自动化技术中，运动控制技术代

年的发展历史。工业控制软件作为一种应用软件，是随着 PC机的兴起而不断发展的。工业控制软件主要包括人机界 面软件（HMI）、基于PC的控制软件和生产管理软件等。 目前，我国已开发出一批具有自主知识产权的实时监控 软件平台、先进控制软件、过程优化控制软件等成套应用软 件，工程化、产品化有了一定突破，打破了国外同类应用软 件的垄断格局。

表着最广泛的用途并承担着最复杂的任务。 运动控制系统将发展到现场总线FCS（Fieldbus Control System）。基于现场总线的FCS又是全分散、全数字化、全 开放和可互操作的新一代生产现场总线，给传统的工业自动 化控制系统体系结构带来革命性的变化。 在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难 使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无线局域网技术

先进控制APC(Advanced Control)目前还没有严格而统一

得到了发展和应用。无线局域网（Wireless LAN）技术可以

的定义。一般将基于数学模型而又必须用计算机来实现的控

非常便捷地以无线方式连接网络设备，人们可随时、随地、

制算法，统称为先进控制策略，如：自适应控制、预测控制、

随意地访问网络资源，是现代数据通信系统发展的重要方

鲁棒控制、智能控制(专家系统、模糊控制、神经网络)等。

向。无线网通信协议通常采用IEEE802.3和802.11。802.3用

在未来，工业控制软件将继续向标准化、网络化、智能 化和开放性发展方向。

于点对点方式，802.11用于一点对多点方式。无线局域网可 以在普通局域网基础上通过无线Hub、无线接入站(AP)、无 线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现，以无线网卡使

驱动的交流化和直线化

用最为普遍。em

伺服电机、同步电机(特别是永磁同步电机)、永磁无刷

参考资料:

直流电机的电机理论、设计及制造工艺的进步，为运动控制 的交流化提供了物质基础，先进控制策略的研究为复杂的交 流电机控制起到了有力的理论保障和指导作用。

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13ptc200-273-5TD-观众cn-完稿-01.pdf 1 13-6-7 下午4:21

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同期举办

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参展事宜，请 络 王永婷 先生 86 21 2231 7016 tim.wang@reedexpo.com.cn 参观事宜，请 络 高玥 小姐 86 10 5763 1818 linda.gao@reedexpo.com.cn