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过程品质控制:通往零缺陷制造的途径
2003-12-21    Thomas Eskridge       点击: 8628
过程品质控制:通往零缺陷制造的途径

采用AOI的最终目标将决定生产线上哪里放置AOI,并将产生什么过程控制信息。

随着印刷电路装配变得更小和更密,自动光学检查(AOI, automated optical inspection)设备越来越多地用来监视和保证印刷电路板(PCB, printed circuit board)的品质。另外,带有专门目的的有效使用AOI可以产生不同类型和详细程度的过程控制信息。

    有四类实施AOI的检查目标:
  1. 最终品质(End quality)。把注意力主要集中在最终品质的制造商对产品走下生产线时的状态感兴趣。当生产问题非常清楚、产品混合度高、和数量和速度为关键因素的时候,优先采用这个目标。AOI通常将放置在生产线最尾端附进。在这个位置,设备可以产生大范围的过程控制信息。
  2. 过程跟踪(Process tracking)使用检查设备来监视生产过程。典型地,包括详细的缺陷分类和元件贴放偏移信息。当产品可靠性很重要、低混合度的大批量制造、和元件供应稳定时,制造商优先采用这个目标。这经常要求把检查设备移动到几个地方,在线地监视具体的表现。过程控制信息通常比采用最终品质目标少,但是它可以直接地找到特殊的过程问题。支持特殊过程步骤的过程控制信息可能比采用其它目标更定量化。
  3. 在线测试(ICT, in-circuit test)第一次通过率(FPY, first-pass yields)反应过程能力和ICT步骤的任何难点。AOI设备通过发现缺陷板和在第一次ICT之前把缺陷板发送到修理,来改善ICT的通过率。当生产批量很大而需求时间短,要使测试和发运产品成为关键问题的时候,制造商优先采用这个目标。因为AOI是放置在生产线的最后端点附近,所以过程控制信息典型地是定性的。
  4. 特征化(Characterization)。在危险性使用装配的生产中,即,医疗或军事应用中,检查设备必须调整到发现所有可能的异常。其结果是几乎不存在遗漏率,但是它会产生误报,要求较长的检查时间。AOI典型的用于生产线最尾端,检查焊锡点,但可以移去监测特殊过程。对这个目标的关键生产因素是生产类型、现场失效的危险性和允许的监测时间。可产生定性和定量的过程控制信息,看检查设备的位置和设定而定。

在许多应用中,对于任何这些目标,AOI机器设定将没有什么不同。不同之处在于检查机器如何使用。例如,检查机器典型地只标志严重的缺陷,可是,如果特征化作为检查目标,使用者可能浏览到的(或让检查设备报告)只是不够严重的、不足以完全反映产品特征的异常。检查设备必须支持全部这些检查目标,并可从一个移动到另一个。 类似地,过程控制信息可能由于设备的用途而不同。例如,虽然元件贴装信息可以用回流焊后检查来收集和检查,但是这些信息的利用将于回流焊前检查收集的不同。在这个站点,与贴装机器错误的缺陷相关性可能更小。

实施策略(Implementation Strategies)

    机器所放置的位置可以实现或阻碍检查目标,不同的位置可产生相应不同的过程控制信息。AOI放置位置是由下面因素决定的:
  1. 特殊的生产问题。如果生产线有特别的问题,检查设备可增加或移动到这个位置,监测缺陷,尽早发觉重复性的问题。
  2. 实施目标。对于检查设备,没有一个最好的位置来处理所有的生产线缺陷(表一)。如果实施AOI的目标是要改进全面的最终品质,把机器放在过程的前面可能没有放在后面的价值大。机器放在前面的一个论据是为了避免对已有缺陷的产品再增加价值。还有,在过程的早期维修缺陷的成本大大抵于发货前后的维修成本。可是,许多缺陷是在生产的后期出现的,意味着不管前面发现多少缺陷,发货前还是需要全面的视觉检查。

放置位置(Placement Location)

虽然AOI可以放在装配过程的如何部分的后面,但是有三个检查位置是主要的:

锡膏印刷之后(after solder paste deposit)(图一)。如果锡膏印刷过程满足要求,那么ICT发现的缺陷数量可戏剧性的减少1。印刷不良可能同下列问题是有联系的:

  1. 焊盘上焊锡不足。
  2. 焊盘上焊锡过多。
  3. 焊锡对焊盘的重合不良。
  4. 焊盘之间的焊锡桥。

在ICT上,相对这些情况的缺陷概率直接与情况的严重性成比例。轻微的少锡很少导致缺陷,而严重的情况,如根本无锡,几乎总是在ICT造成缺陷。焊锡不足可能是元件丢失或焊点开路的一个原因。尽管如此,决定哪里放置AOI需要认识到元件丢失可能是其它原因下发生的,这些原因必须放在检查计划内。这个位置的检查最直接地支持过程跟踪和特征化。

这个阶段的定量过程控制数据包括,贴放偏移和焊锡量信息,而有关印刷焊锡的定性信息也会产生。

回流焊前(Pre-reflow)(图二)的检查是在元件贴放在板上锡膏内之后和PCB送入回流炉之前完成的。这是一个典型地放置检查机器的位置,因为这里可发现来自锡膏印刷以及机器贴放的大多数缺陷。

在这位置产生的定量的过程控制信息,提供射片机和密间距元件贴装设备校准的信息。这个信息可用来修改元件贴放或表明贴片机需要校准。这个位置的检查支持所有AOI实施目标。

回流焊后(Post-reflow)(图三)检查是SMT工艺过程的最后步骤,在发货前完成的ICT、功能测试和系统测试之前。这是AOI最流行的选择,因为这个位置可发现全部的装配错误。回流焊后检查提供高度的安全性,因为它识别由锡膏印刷、元件贴装和回流过程引起的错误。这个位置的检查支持所有AOI实施目标。

虽然在这点可产生定量的信息,但可能困难于将错误与确定性的原因关联起来。尽管如此,所产生的定性的信息可提供全过程状态的最准确的指示器,因为在这个位置,SMT过程已经完成。

如果说每个位置对识别某个特殊缺陷都可能理想主义的话,实施AOI的挑战就是将检查设备放到一个可以尽早识别和改正最多缺陷的位置。

过程控制信息(Process Control Information)

AOI设备产生两种类型的过程控制信息。 定量的信息,如元件偏移的测量,可用于监测贴片设备的状态。其后的逻辑是贴装精度是全部的生产过程品质的一个好的指示器。 定性信息可通过直接报告缺陷信息来决定全部装配过程的品质。该信息可用于决定制造过程的系统缺陷。分析信息的步骤如下。

选择一个控制图作为主监视图。这个图经常在检查机器或返工站显示。操作员观察图表来决定是否过程超出公差。对监测元件贴装的回流焊前的检查站,图表典型地是一个元件偏移的离散图。当绘出的点超出预设的极限,操作员可以纠正缺陷,可能的话调整贴片机。对回流焊后的应用,主监视图将或是一个Pareto图,或是一个FPY图。图四显示一个典型的FPY品质控制图。该图比较来自从AOI设备和PCA返工工位的操作员所产生的FPY数据。因为FPY是全面过程线性能的良好指示器,所以该图一般作为一个关键的过程监视工具。在任何时候,操作员可以选择一个点来作进一步的调查,并且可产生一个更详细的缺陷分类图。

图五是一个总结Pareto图分类的缺陷的报告。象这样的过程控制图典型地是当FPY图出现某种异常的时候提出的。该图告诉过程工程师什么类型的缺陷正在出现。在本例中,最重要的缺陷是锡桥,它占了缺陷的42%。线性图显示与Pareto条形图有联系的缺陷的累积百分率。它表明最多的三种缺陷占产品上发生的错误的75%。如果这些缺陷被消除,那么可得到重大的过程改进。再进一步深究这数据,可以决定焊锡短路的位置。

图六显示焊锡短路缺陷发生在哪里。通过逐个位置的检查特殊缺陷的发生,过程工程师可更好地决定缺陷的根源。在本例中,最多缺陷的位置造成锡桥总数量的15%。由于这个至关重要,缺陷的根源将要求进一步的调查。

定性品质控制图给操作员和过程工程师改进寻找缺陷根源和突出系统缺陷的工具。

AOI的未来(Future of AOI)

AOI工业正努力迈向零缺陷制造的最终目标,当然现在还未达到。现在的情况是一系列的统计数量告诉过程工程师什么已经发生,但是还不能告诉操作员什么将会发生。类似地,推测缺陷根源是借助于AOI系统产生的控制图类型,但系统很少可以自己决定根源。元件贴装/元件偏移检查循环只不过刚刚开始接近一个点,这个点就是回流焊前检查机可以直接对贴片机发出偏移改正信号,修改其贴装程序。

对过程品质控制而言,AOI的未来将涉及智能软件系统,该系统将统计数据、与品质数据有关的信息和来自其它生产设备的变量翻译出来,预测发生前的缺陷,在行进中找出过程缺陷的可能根源。进一步增加系统能力,将使自动改正行动成为可能。

结论

四个主要的检查目标适合于所有类型的制造商。生产线上哪里放置AOI决定于最终目标是什么。位置也影响检查设备产生的过程控制体系的品质。这个必须纳入考虑范围,以确实满足AOI实施的目标。

检查目标随着过程的改变和成熟而发生变化。AOI设备必须灵活以适应变化。重要的是设备方便移动到生产线上的不同位置,可以准确地识别和分类缺陷。同样,不同的时期将有必要采用不同的过程统计。AOI产生的描述性的统计数据在什么时候适合于寻找过程变化,对这一点的认识是通往零缺陷制造道路上的下一站。

    REFERENCES
  1. D. Burr, "Printing Guidelines for BGA and CSP Assemblies," Proceedings of SMI '98, p. 417-24.
  2. W. Sauer, H. Wohlrabe and T. Zerna, "Process Capability Coefficient and Placing Accuracy as Benchmarking Values of SMT Placement Systems," Proceedings of SMI '98, p. 489-99.
  3. N. Lee, "Optimizing Reflow Profile Via Defect Mechanisms Analysis," Proceedings of SMI O98, p. 435-44.

THOMAS ESKRIDGE may be contacted at Intelligent Reasoning Systems Inc., 100 Michaelangelo Way, Building E900, Austin, TX 78728.

责任编辑: skylee
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