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PCB挑战测试与检查
2003-12-21    Bob Rice III, Richard Garnick and Iqbal Syed       点击: 8147
PCB挑战测试与检查

  本文介绍,一个电子制造服务(EMS)提供商怎样评估与实施自动光学检查(AOI)。

  印刷电路板(PCB, Printed Circuit Board)制造商不断地面临测试与检查的挑战。电路板密度的增加挑战着传统的针床(bed-of-nails)在线测试(ICT, in-circuit test)以及操作员的视觉检查。改变电路板的尺寸大小提出更多的挑战,因为它使手工检查更加困难。为了对这些发展作出反应,越来越多的制造商开始评估自动光学检查(AOI, automated optical inspection)作为一个解决方案。

  AOI策略
  在大批量和高复杂性的制造环境中,装配线上每个操作员工位的占地面积都代表着一个特殊的价值。对此,电子制造服务(EMS)提供商*希望检查技术可以防止“漏网之鱼”走出工厂,提高产品品质。因此,该公司将AOI作为一个工具,来帮助装配线生产出持续的高品质电路板。
  通过使用AOI作为减少缺陷的工具,在装配工艺过程的早期查找和消除错误,该公司预期得到几项利益:

  • 早期发现缺陷将避免将坏板送到随后的装配阶段
  • AOI将减少修理成本
  • 将避免报废不可修理的电路板
表一、AOI 在装配线上检查什么
检查顶面回流焊接元件
检查波峰焊接前通孔元件
检查波峰焊接之后的通孔及SMT元件
检查压入配合之前的连接器引脚
检查压入配合之后的连接器引脚

  在装配线中使用AOI
  表一解释了AOI在该装配线上检查什么。对该制造商,AOI系统及其传送带是制成一体的,因此通过检查的板可连续地通过装配线。可是,如果发现失效的板,它被传送到第二条传送带,返回到操作员工位进行修理。在该制造商那里,AOI提供全面的缺陷覆盖,同时满足每块板2 - 2.5分钟的装配线速度。
  特别有帮助的是,该系统可以在施加全部装配压力之前发现高密度压力配合连接器的不对准的引脚。由于连接器容易不对准,在部分压入之后、完全压入之前,AOI检查这些1000个引脚单元,看其引脚尖是否到了通孔内。如果这时发现折弯的或不见的引脚,还可以进行修理。在最后压入之后的第二次检查确认装配的完整性。这里,AOI用作缺陷预防与检查工具。
  在该制造商的情况中,AOI系统补充ICT与功能测试。通过在电气测试之前扫描电路板,AOI从装配过程发现缺陷,提高电气处理或功能测试阶段的合格率(例如,焊接品质问题,不可测试的元件,元件位置错误),减少工厂的“漏网之鱼”。
  连接器压入是最后的装配步骤。如果连接器引针在压入期间弯曲,装配就全部损失。通过防止该类缺陷的发生,AOI系统降低报废成本。

  AOI与人工检查比较
  在 AOI 之前,由人工操作员来完成电路板的检查。该过程涉及许多操作员在装配线的工位上,使用显微镜和电路板覆盖图来找出丢失的元件、错误的贴放位置和焊接缺陷。检查板是通过四分区的程序,即,每个工位负责检查板的四分之一。虽然检查小板相对容易,但是随着板的尺寸增加到18"x20",成千个元件在上面,这项工作很快变成繁重的体力负担。因为检查最重要的因素是准确性与可靠性,所以甚至在最好的环境中,手工检查都有其局限性。
  对这个EMS提供商,人工检查的进一步挑战就是时间。每一个检查工位必须产生连续的板流,满足装配线的“节奏”,以保持持续性。如果一个工位被耽误,它将影响整个装配线。并且对较大的板,检查时间增加到视觉品质评估简直无法保持生产线速度的地部。最后,需要雇佣更多的操作员来处理较大的板造成额外的人工成本和人力资源问题。

  AOI与X光检查比较
  该公司使用X光检查来完成诸如球栅阵列(BGA)检查的任务,作为ICT的补充。可是,考虑到自动检查方案,X光被排除了,因为它不能满足电路板尺寸、厚度、重量和周期时间的要求。需要的是一台可以在压入之前检查通孔中元件引脚的机器。

评估与选择一个AOI解决方案

  对系统的检查要求包括,以装配线速度100%的视觉缺陷覆盖、快速编程时间、低错误标记率、快速转换、可靠运行、以及准确的、可重复的和连续的结果。但是公司也有一些影响AOI评估与选择的特殊需求。

  回流焊后及之外
  寻找一个单一的AOI系统,来跨越回流焊接和波峰焊接、手工插件、和最终检查等阶段。回流焊后检查表包括检查丢失的、方向错误的和多余的元件;元件歪斜;竖立的元件;翘起的引脚;锡桥;少锡或多锡;锡球;表面缺陷;通孔元件引脚;和金手指污染。
  所选择的系统**包括如下特性:
  移动相机与移动板。评估过程特别集中在相机移动的AOI机器。公司认为,相机固定和板架移动的机器可能在检查期间将歪斜的元件“踢开”。为了减少这个危险,只对板静止和相机移动的AOI机器进行评估。这样的安排允许整个机器的占地面积较小。例如,为了处理24"宽的板,接纳板在固定相机下移动的机器要求48"的最小宽度加上处理和移动的机构所需的额外空间。比较之下,移动相机的机器不要求太大的宽度,这样允许缩小机器宽度,使整体占地面积更小。
  板的特性。决策过程中板的尺寸与高度是关键因素 - 订购大、重、高价品的电路板是常见的。板的尺寸(与托架)可达 24 x 24" ,重量 11 lb。元件高度可达2.5";包装尺寸为0603以上。AOI设备也需要在压入配合的前后,接纳高密度的1000个引脚输入/输出(I/O)的连接器。
  供应商伙伴关系。最后一个标准是找到一个考虑成为伙伴关系的供应商。公司希望很高的承约水平与支持,作为评估AOI供应商的关键因素。主要原因就是要进入产品的发展周期,和保证其要求得以满足。

  AOI解决方案
  这个AOI评估使得该EMS提供商选择到一个满足其所有标准和要求的系统。所选择的系统具有如下设计性能:
  结构性灯光为每个清晰的检查提供专用的照明,即,通过角度、方向和强度来调节灯光。结构灯光检查轮廓镜面表面,如新的焊点,揭示真正的焊接点轮廓。
  该制造商的系统使用多达400个单独控制的发光二极管(LED)安装在一个精密的阵列中,全部聚焦在视觉区。照明头的LED可为每一个相机的检查类型,编程提供光的最佳结构、角度、方向和强度。不象单个的氙闪光管或荧光灯,成百的LED提供可靠的焊接点检查所需要的照明灵活性,同时控制光源保证可重复的缺陷检查。照明使用多个视区以接纳不同尺寸的元件。
  相机。高速视频相机与内置电路板弯曲补偿,检查电路板的目标区域。一个相机定位于直接下看,而其它相机都有角度。随着优化的检查软件运算法则运用到看到的区域,相机检查元件或焊锡点表面。角度相机是检查许多缺陷所必须的、对那些遮挡垂直相机的焊接点检查区域是不可少的,如 J 型引脚焊点、锡桥和开路。还有,如果没有角度相机,一般不可能可靠地检查到抬起的QFP引脚。
  机械系统。精密的线性马达提供长期的机械可靠性与可重复性。图形子系统在X/Y轴上移动,而板保持静止。这消除了板与图形的振动和稳定时间。
  图形分析运算法则。使用经过证明的运算法则进行深入的分析,并不牺牲产量。一个窗口或“瞬态图”把特殊的检查标准应用到窗口内的区域,以结构照明突出缺陷,并简化所要求的分析。表二显示窗口分类(运算法则类型)和它们怎样用于检查。
  图形抓拍与分析体系结构允许在一次单一的高速掠过板面中得到每个视区10个图象。在这次掠过中得到每个元件的多个图象,消除了再次扫描的需要。一个高速、直接到内存的子系统将图象直接输入内存,允许计算机进行详细的图形分析,而对机器产量无影响。AOI将所有扫描图形保存在内存中,允许扫描期间的同步分析,加速整个机器的运转。
  扫描与图形分析是与元件密度或焊接点数无关的,这允许对不同板类型的一致的机器输出。AOI系统通过分立的智能外围控制器控制马达、光和相机,支持高速、一致的图形数据处理。外围控制器精确地同步系统运行,保证准确的定位和可重复性。
  软件。所选择的AOI系统使用基于 Windows NT 的软件来编制程序,优化和确认。确认检查程序的覆盖范围的性能曲线提供在发放到生产之前的缺陷覆盖与程序的稳定性。建立已知边界消除不必要的程序调整和导致错误标记的控制因素。每个包装类型的标准和用户化库模块缩短了包含特有元件在内的新检查程序的开发。
  最后,统计过程检测软件通过测量多块板的缺陷分布数量实现过程的稳定性,通过检测检查合格与失效的结果来显示过程的趋势。修理工位的软件向操作员显示电路板特定的失效数据,以及收集操作员的修理数据、行动和说明。

** Teradyne Optima 7300.

 

表二、AOI图形分析运算法则
窗口类型
运算法则类型
检查中的角色
存在/不存在
变量或平均
缺陷:如果元件有(或没有)
通过:如果灯的水平高过界限
相反逻辑
变量或平均
与存在/不存在窗口相反,
即:如果水平低于界限,通过
锡桥
连续性*
检查焊锡短路,
如果光标横穿窗口,失效
空洞
连续性*
检查焊锡间隙与偏斜
与锡桥窗口相反
查找
相关性
检查之前找到元件位置,
也为SPC贴装数据测量元件位置
* 垂直或水平

* Benchmark Electronics, Huntsville, Ala.

Rob Rice III, is production engineering manager and Richard Garnick, is staff process engineer at Benchmark Electronics, 4807 Bradford Drive, Huntsville, AL 35895; (256) 722-6899; E-mail: rob.rice@bench.com and richard.garnick@bench.com. Iqbal Syed, is a product manager at Teradyne Inc., Assembly test Div., 2625 Shadelands Dr., Walnut Creek, CA 94598; (925) 932-6900; E-mail: iqbal.syed@teradyne.com.

责任编辑: skylee
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