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我国SMT装备制造业发展现状及面临的瓶颈分析 5/30/2014 9:48:00 AM
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电子工业设备展厅
电路板生产设备, 分板机, 贴片机, 波峰焊, 回流焊, ...
——NEPCON CHINA 2014展会调研报告

作者:工信部国际经济技术合作中心电子信息研究所 张强

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(2014NEPCON中国电子展)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

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

高密度化的贴装精度。

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。

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3 不同部品的最高贴装精度(um)

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。

表4 电子组装设备面临的挑战

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。

三、SMT设备的国产化进程

自1985年开始引进SMT生产线批量生产彩电调谐器以来,中国电子制造业应用SMT技术已近30年。据不完全统计,目前我国SMT生产线大约5万条,贴片机总保有量超过10万台,自动贴片机市场已占全球40%,成为全球最大、最重要的SMT市场。

焊接、检测和印刷设备已经接近国际先进水平。

2005年以来,国内SMT设备企业在印刷机、焊接、检测等SMT设备方面已基本实现国产化,并凭借市场价格优势占据70%~80%的国内市场份额。

锡膏印刷机方面,国内最早由日东研制成功。近年众多民营企业参与研制,已有多个品种问世,达到世界中上等水平。2006年东莞凯格精密机械公司推出全自动印刷机,很快成为国内第一品牌。

焊接设备方面,国内研发与制造起步很早,无铅焊接设备已达到国际先进水平,成为我国表面贴装设备市场中最具竞争力的产品。目前,低端市场都由国产品牌占领,高端市场仍为国外品牌所垄断(在稳定性方面,与国外先进水平存在一定差距。比如,某国外回流炉厂商横向温差仅为0.5度,而国内最高水平高达2度)。

AOI设备方面,2010年之前国内AOI市场几乎由国外20多种品牌设备垄断,东莞神州视觉率先研发成功国内第一款AOI设备Aleader系列,至今已累计销售4000多台,年销售达到600~700台的水平。

X-Ray检测设备方面,国内起步较晚,日联科技自2006年进入该领域以来,已于2008年实现核心部件的自主研发,达到世界领先水平。目前,公司产品年出货量达到400多台。

贴片机仍100%依赖进口,其中六成以上来自日本。

贴片机是SMT生产线最为关键、技术和稳定性要求最高的设备。十多年来,中国企业仍处于摸索阶段和样机试制阶段,一直未推出通过中试的成熟产品,几乎100%依靠进口(除小型的LED贴片机);在华国外企业将核心贴片机的生产放在国外,在华工厂主要负责周边设备生产及贴片机维护、调试等服务。


图2 2001~2013年中国自动贴片机进口情况

2013年,国内自动贴片机进口金额达到13.01亿美元,进口来源国主要为日本,占比达到65.2%;从韩国、德国、新加坡、美国、荷兰进口占比分别为17.9%、6.1%、3.7%、1.3%、0.8%。


图3 2013年中国进口自动贴片机国别和地区分布

四、贴片机国产化的难点与瓶颈

贴片机应用领域广,技术含量高,并能带动精密机械制造、高精密传感、高性能马达制造、图像处理、X-Y伺服控制系统、软件等相关基础产业。从上世纪90年代初开始,国内先后有原电子部二所、715厂二所、43所、4506厂、熊猫电子、风华高科、上海现代、上海微电子、羊城科技等数十家企事业单位尝试过贴片机的国产化工作,但至今未有一款国产贴片机进入市场。

比如,1994年,上海无线电专用设备厂又与日本合资组装过贴片机,后因日方变更而终止;2002年上海微电子装备公司与上海交大合作制成一台贴片机样机,未有商品化的后续消息;近年,华南理工大学与肇庆新宝华电子有限公司也对贴片机进行合作开发。

通过调研,NEPCON展会上SMT设备专家,主要原因归纳起来有以下几点:

一是贴片机结构复杂、技术含量高,国内基础工业积累不足。

贴片机是机电光等多学科一体化的高技术精密设备,仅元器件就有1到2万个,国外贴片机企业一般采购其中的70%,另外30%进行公司定制,而恰恰是这30%元器件国内企业由于缺乏基础技术人才,无法进行生产。

二是贴片机研制费用高、投资风险大,民营企业无法保证持续的资金投入。

目前,贴片机生产并未得到政府的足够重视。以往国有企业开发贴片机,通常是政府拨专款立项攻关,企业搞出样机组织鉴定,然后项目随之结束,缺乏持续创新的动力。

民营企业创新活力强,是目前研制贴片机的主要力量(国内从事SMT设备制造的厂家有几百家,几乎都是民营企业),但规模小、实力有限,缺乏生产样机后进一步研制与提升的资金投入。

同时,国内企业一旦新品研制成功,国外企业便立马降价打压国内企业,导致国内企业研发资金链断裂,无法在性能日新月异的贴片机市场竞争中存活。

三是SMT产业标准体系不完善。

标准体系是整合供应链的关键。SMT技术、新材料和新工艺的快速变化,以及成本和环保的双重压力,迫使产品规格标准频繁变化,对SMT标准制定提出新的要求。长期以来,我国SMT产业过度依赖国外IPC标准,未根据中国SMT产业实际情况制定完备的标准体系。国内虽然制定了GB19247、GB3131、QJ165等标准,但存在标准繁杂、不成体系等问题。

此外,国内SMT积极发起制定的国际标准也得不到强有力的支持和保护。比如,IPC-9853第一个由中国SMT企业发起,历时4年制定的IPC标准,但在2013年7月被IPC撤销,并未作任何说明和解释,伤害了中国SMT企业的竞争力。

四是SMT高端技能人才缺乏。

SMT设备涉及机械、电子、光学、材料、化工、计算机、自动控制等多学科。目前,国内仅有少数高校将重点放在工艺设备开发或微组装/封装领域,与SMT配套的学科、专业和教学体系建设刚起步,很难满足SMT行业发展需求,同时行业对电子制造技术研发和人才培养的牵动也不足,制约了SMT制造竞争力的提升。

五、SMT设备的国产化路径

经过十多年的探索,贴片机基础技术在国内已经成熟,随着SMT技术在计算机、网络通信、消费电子以及汽车电子等的广泛应用,实施贴片机国产化战略时机已经成熟。

一是引进与培育相结合,通过产业投资基金等方式,鼓励国内企业并购国外二流贴片机企业。

采用三星贴片机产业发展模式,通过产业投资基金等多方式并购国外二流贴片机企业,在此基础上实施自主创新战略,集中力量研发贴片机视觉技术、运动控制、软件等关键技术。定位中低速、高精度、高灵活性贴片机市场,在当前经济环境不景气的背景下,通过并购、入股等方式收购具备技术优势但市场销售不佳的厂商(比如荷兰安比昂等),综合集成现有技术基础,降低研发成本,大大缩短产业化进程。
二是集中国家优势力量,联合成立专项研发团队,并加强技术研发与市场对接。

贴片机生产涉及多学科领域,单个企业很难完成,必须考虑上下游各环节协作、联合发展。建议政府以机电自动化程度高的大型国企为主体,组织国内分散研发力量,联合成立专门研发机构,同时配套专项基金并积极引导社会资金进入,多渠道保证持续研发能力。同时,技术研发与市场对接同步进行、相互促进,加快产业化进程。

三是优化市场环境,加快制定中国SMT产业标准体系。

一方面,应积极参与IPC最新SMT相关标准的制定,对已有的中国SMT产业标准,应从国家层面加强维权力度。另一方面,应顺应中国SMT市场产品、技术发展趋势,积极引导制定国内电子制造组装工艺质量技术标准,沟通分享国内SMT企业成功规范,推动其发展成为新的行业标准。

四是成立国家级SMT研发基地,加强人才培养和国际合作力度。

国家应结合产业发展战略和区域发展优势,围绕SMT相关技术和工艺基础较好的研究院所、高校、企业,设立以SMT为核心的电子制造技能实训基地,培养大批技能型SMT人才。同时,加强国际交流合作,积极参与国际学术交流会、课题研讨会。

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