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SMT之家论文中心 / 表面贴装工艺 / 印刷工艺 / 锡膏检查:形成闭环的过程控制
锡膏检查:形成闭环的过程控制
2003-12-21    唐纳德.波尔(美)       点击: 6708
锡膏检查:形成闭环的过程控制

更小元件(更小焊盘与开孔)的趋势已使得锡膏的印刷越来越重要,并将继续保持如此。随着引脚间距变得越紧密,模板上开空比率也减少。从0.050”的间距变到0.025”,要求锡球尺寸、锡膏流变学和过程控制发生变化。过渡到0.020”间距的引脚和BGA,将进一步提高印刷监测和过程控制的需要,而微型BGA的扩大应用将确保该趋势的继续。

仍然是艺术多于科学

锡膏印刷现在被认为是,表面贴装技术中控制最终焊锡节点品质的关键的过程步骤。但是,尽管技术的进步,印刷仍被认为是“魔术”。(有工程师说锡膏印刷过程中有39个变量,使得很难理解所有这些内在关系*) 所知道的是,最后板的品质的单一最好的预测元素是锡膏的量。保持印刷出不断重复的连续一致的量是一个挑战。

最后测试/检查对比过程监测

曾经有一段时间,产品品质要不通过对板的目视检查,要不通过在线测试来确认,不合格的板返工或报废。可是,返工的高成本和减少周期时间的愿望把减少缺陷的方法带回到其根源:有必要检查锡膏印刷,在其后的工艺步骤增加成本之前。因此,过程监测是用来及时地揭示锡膏参数中的不希望趋势,以便在印坏的锡膏引起通常直到最后测试才发现的锡桥或焊锡不足之前,采取调试步骤。

有许多因素引起过程偏离控制。例如,有时锡膏在模板表面干燥,形成大的材料块,可能堵塞开孔。如果印刷机停止五分钟,下一次印刷可能会少于可接受的量*。印刷周期之间的延时可能引起残留的锡膏或助焊剂干结在开孔的侧壁,减少开口尺寸,反过来减少锡膏的量。通常,当流体力学受到影响时,过程将失去控制。

印刷后检查的成本调整

不管是目视检查,还是在线测试,缺陷通常认为是“坏事”,因为必须修理,板要重新检查和测试。缺陷发现越晚,修理的成本越高。因此,在过程的早期发现缺陷,自然地比在线后返工便宜。如果缺陷在回流前发现,就没有焊接点可靠性的代价。因此,如果离线检查或自动在线监测防止了印刷差的板进一步流入下线,这是一个省钱和提高可靠性的机会。应该这样看,过程中早期发现缺陷不是一个惩罚,而是一个节约的机会。

例如,在ICT发现的缺陷必须经过可能15个步骤,从发现到拿去返工/修理到管理上的审批到工作停止到重测,等等。“十倍原则”是接受的快速公式,用来估计在每个阶段的一个缺陷或失效的成本,戏剧性的展示了在第一阶段发现缺陷可以怎样容易地调整过程控制设备的成本:

印刷失效

$ 0.50

回流焊后

$ 5.00

在线测试(ICT)

$ 50.00

现场失效

$ 500.00

手工比较自动检查

许多用户还依靠手工(目视)检查来作基本的通过/不通过的筛选。使用环形灯光或显微镜,操作员检查样板(或有些情况,全部的板),必要时作改正行动。这是过程监视最廉价的方法,但提供的反馈的复杂程度最低。印刷后的目视检查通过在过程的最成本高效的工序采取改正行动,减少了返工。但人的检查是主观的,测试表明只有80%的可靠性。增加一个手工台面仪器来测量锡膏的高度和计算体积,改进了可重复性,但不可能完全消除人类的不一致性。比较来说,自动机器可实现各个级别的检查,从抽样到100%检查。自动、在线、三维的锡膏检查设备现在可从几个制造商那里买到。每个提供不同级别的速度,性能和价格,但都实现锡膏高度、体积和面积的测量。有些丝印机制造商提供嵌入式锡膏面积的二维面积检查系统;某些抽样检查高度和估算体积。

使用SPC作数据分析

统计过程控制(SPC, Statistical Process Control)是一个过分吹嘘的工具,滥用多过正确使用。陷井之一是收集过多的数据。关键是决定什么数据重要,什么信息是毫无价值的。

限制数据量的一个方法是,只检查每个板的关键位置,而不是所有板的100%检查。一个经验法则是,监测板的左、右、中间、以及关键的BGA和密脚位置。这个技术抓住了低锡膏量,或当压力、速度或下停位置设定不正确时的最常见的问题。

实行过程控制

越来越多的进取的装配管理员和工程师不仅对监测其过程,而且对实行过程控制把它推向下一个级别感兴趣。这要求对两个概念的知识和理解:试验的设计和统计过程控制。实施真正的过程控制要求三个步骤(参阅《过程控制)

  1. 在现有的过程上收集数据,建立基准和决定规范
  2. 使用SPC技术分析数据,决定为达到连续的无缺陷过程的关键参数和规格。
  3. 监测过程,按照建立的规格连续地测量它,在坏品出现之前更正任何异常情况。

前面两个步骤涉及设计试验,来决定所有可控制参数的可接受范围。例如,可用试验来找到锡膏堆积的优化参数,以决定为某个特殊应用使用的模板类型,或建立什么样的锡膏体积连续地生产出可接受的回流焊接点。可设计类似的试验来决定优化的擦拭频率、印刷速度或刮板压力。

把过程控制作为工具使用来达到连续的改进,要求训练和奉献。工艺工程师连续地分析数据来评估哪些缺陷是重复的、有共同原因的,哪些是以前的、特殊原因的。通常消除有共同原因的缺陷是最困难的挑战。

闭环过程控制

理想的系统将在过程失控前,自动地改正任何印刷问题,其结果是实时的、闭环系统,能够运行印刷机、检查锡膏印刷、分析结果和按要求改正过程所有这些都没有操作员的干预。例如,一个模板印刷机制造商正在和几个检查系统供应商一起工作,来建立一个硬件/软件包,它将提供三个不同级别的印刷过程控制。第一级别是内部检查开环过程,印刷机使用内部2-D面积检查来扑捉锡膏图象,其后,测量数据放入一个SPC包,作实时监测。然后,SPC数据从印刷机传入个人计算机,这里专家软件分析数据、提供有关过程和机器性能的建议给操作员或技术员,他们然后作出推荐的改进行动。控制的第二级别是内部检查、闭环过程,专家系统决定作什么改变并发出遥感命令给印刷机,印刷机自动响应作出调整。第三个级别使用外部的锡膏检查系统,典型的带有3-D能力,测量锡膏高度,面积和体积。因为3-D系统是外部的,通常在线安装,它有更多时间用于检查过程,可以在下一块板印刷的同时进行。

从外部检查系统收集的大量数据通过SPC软件包来处理和分析。由于其使用3-D的能力,趋势很快被认同。这种实时分析帮助预测和在产生停生产线的缺陷趋势之前,让印刷机作出调整。

息灯、勿动手装配

任何生产管理者的梦想都是全自动的生产线,能够自我监测的、作任何必须的调整来连续地维持可接受的最终产品质量。为了达到这个集成的水平,所有生产设备都必须能够和其它系统通信,自我诊断出现的异常。然后,问题由一个专家系统分析,决定采取什么行动来维持规格内性能,然后一直保持下去。

一群制造商和设备供应商已在为有效的工厂自动而合作建立一个通信协议标准接口叫做SECS/GEM(SEMI Equipment Communication Standard and Generic Equipment Model)。SECS/GEM可以实现无操作员的情况下在工厂车间内自动设备的遥感操作和控制。可以卸载程序、执行调节指令和返回性能数据 – 所有都从遥感位置。虽然现在可以买到,但这技术还没 广泛使用。

免动手印刷控制的概念还在发展中,它将要求一个专家系统,包括一系列改正行动规则,来处理实际所有的可能情况。象IBM的下棋超级计算机,要求程序员在给计算机编程之前,懂得这个游戏的所有方面,一个专家系统只能建立在工艺工程师的知识和经验的基础上。

Donald Burr, CyberOptics Corp.

参考书:

  • Richard Clothier, from a solder paste printing seminar given at NEPCON west ’97.
  • Mark Ferguson, “Ensuring high-yield BGA Assembly,”
责任编辑: skylee
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