監(jiān)測表面貼裝元件的貼裝
發(fā)布時間：2019-08-01 10:47:48來源：
監(jiān)測表面貼裝元件的貼裝
在PCB上增加電路密度的愿望繼續(xù)是表面貼裝裝配線技術(shù)發(fā)展水平進(jìn)步的主要推動力之一。這個進(jìn)步包括0201片狀包裝、密間距QFP、高輸入/輸出BGA、CSP和倒裝芯片(flip chip)的使用。這些元件的使用給裝配工藝過程提出了很嚴(yán)厲的要求。特別是，要達(dá)到所希望的效率與可靠性很大程度上取決于元件貼裝工藝過程。越來越多的表面貼裝線正在使用自動的、在線式、貼裝后的檢查工具，來監(jiān)測貼裝過程的狀態(tài)。貼裝后的檢查可以發(fā)現(xiàn)諸如元件丟失、極性交換和元件位置超出所規(guī)定誤差等缺陷。除了查找缺陷之外，貼裝后的檢查工具也可以檢查影響精度、質(zhì)量和裝配過程效率的工藝更改情況。如果可以通過監(jiān)測元件貼裝精度來發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)更改工藝情況，那么馬上可以采取改正行動，以使其對效率的影響比較小。這個能力要求分析測量數(shù)據(jù)的診斷工具的應(yīng)用，診斷的使用要求對貼裝過程中錯誤的可能根源的全面了解。
模板印刷工藝
貼裝錯誤的一個可能根源是模板印刷過程。特別是，錫膏塊的高度、面積或體積可能影響貼裝精度，由于貼裝期間引腳落到錫膏里面時的元件橫向運(yùn)動。為了檢驗(yàn)這個推測，通過位于喬治亞工學(xué)院(Georgia Tech, Atlanta, GA)電路板裝配研究中心(CBAR, Center for Board Assembly Research, Sidebar)的表面貼裝/倒裝芯片裝配線，處理了大量的板。在運(yùn)行期間，改變模板印刷機(jī)的刮板壓力、印刷速度、脫離(snap-off)間隔和脫離速度以得到錫膏塊的高度、面積和體積的一個范圍值。使用商業(yè)上可購買到的檢查工具，我們測量了印刷后錫膏塊的高度、面積和體積，以及貼裝后元件的X和Y的偏差。
圖一和圖二顯示了X和Y偏差圖，它們是0402元件和0.4mm間距的LQFP元件的錫膏塊高度、面積與體積的函數(shù)。如果在偏移與錫膏參數(shù)之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，圖一與圖二中的圖表將揭示這個關(guān)系。但是，從圖表上看到，該圖由一簇簇的點(diǎn)所組成，沒有顯示明顯的關(guān)系。對于0402元件，圖形顯示X與Y的偏移隨著高度的增加而有些分散，但是數(shù)值的分散是由于較大高度值的數(shù)據(jù)點(diǎn)占多數(shù)。從測得的數(shù)據(jù)計(jì)算的互相關(guān)值很低，進(jìn)一步證實(shí)了貼裝精度與錫膏塊高度、面積和體積之間沒有重要的關(guān)系。
在雙面膠帶上貼裝
該試驗(yàn)沒有包括由于錫膏塊與焊盤位置之間的偏離或由于奇形怪狀的或非矩形的錫膏塊所造成的對貼裝精度的可能影響。為了消除涉及錫膏塊的任何因素，我們作了另一個試驗(yàn)，印刷之后用雙面膠帶覆蓋一半的板面。基準(zhǔn)點(diǎn)(fiducial)留下沒有覆蓋。然后元件貼裝在膠帶上，這樣錫膏就不會影響貼裝精度。將膠帶貼在印有錫膏的板上對我們貼裝后的檢查工具的適當(dāng)運(yùn)作是必須的。板的另一半是以正常的方式處理的，元件貼裝在錫膏內(nèi)。
試樣結(jié)果在圖三和圖四中提供，其顯示出X偏移的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，是對正常板和雙面膠帶板的元件類型的一個函數(shù)。注意，標(biāo)準(zhǔn)偏差對于雙面膠的板較小，除兩個元件之外，X偏移的平均值對雙面膠的板較小。
這些結(jié)果顯示，將元件貼放在錫膏內(nèi)對貼裝精度有一些影響，但是從圖三和圖四中的圖形看到，該影響是很小的。因此，該結(jié)果與第一個試驗(yàn)是一致的。模板印刷工藝對貼裝精度沒有重要影響。這個說法不是意味著模板印刷工藝的品質(zhì)對結(jié)果沒有影響，特別是，印刷后錫膏塊的量是決定回流后焊接點(diǎn)品質(zhì)的主要因素。
其它錯誤根源
貼裝錯誤可能是由于貼裝設(shè)備的問題，包括：元件吸取、元件到正確位置的移動、和元件貼裝。
在元件吸取中，送料器(feeder)的設(shè)定錯誤可能造成位置偏移，將影響到貼裝精度。雖然貼裝機(jī)器可能使用視覺系統(tǒng)來檢查吸取后的元件位置，但錯誤還可能由于成像系統(tǒng)的有限解析度或成像過程中的缺陷而發(fā)生。元件到正確位置的移動要求機(jī)器正確地校準(zhǔn)，并且拱架系統(tǒng)(gantry system)不產(chǎn)生偏移錯誤。元件的正確定位也要求貼裝吸嘴(nozzle) 的正常運(yùn)作。元件吸取、移動或貼裝的問題可以通過分析元件偏移錯誤來檢查。
貼裝錯誤分析
三個參數(shù)在分析貼裝偏移錯誤中是有益的：
一塊板上一系列元件的偏移平均值
一塊板上一系列元件偏移的標(biāo)準(zhǔn)偏差
一塊板上一系列元件中偏移超出界限的次數(shù)
一個相對大的平均值表示諸如失去校準(zhǔn)的工藝過程中存在一個偏差。標(biāo)準(zhǔn)偏差提供貼裝精度可變化程度的一個測量參數(shù)。超出某界限的偏移數(shù)量提供有關(guān)偏移值分布“拖尾”的信息。
在貼裝過程中一個問題的存在可以隨著板在生產(chǎn)線上的移動，通過分析這些參數(shù)來發(fā)覺。另外，一個問題的根源可以通過分析板上特定元件組合的這些參數(shù)來確認(rèn)。例如，一個送料器的問題可以通過計(jì)算和分析來自不同送料器位置的元件組合的這些參數(shù)來發(fā)覺。一個貼裝吸嘴的問題可以通過計(jì)算和分析由不同吸嘴貼裝的元件組合的這些參數(shù)來發(fā)覺。這些參數(shù)作為吸嘴標(biāo)號的函數(shù)，對其計(jì)算可以結(jié)合吸嘴貼裝真空壓力，以提高對問題的覺察。
吸嘴故障發(fā)覺
對于第二次試驗(yàn)中的板，我們計(jì)算了對用不同吸嘴貼放的、元件組合的、X偏移值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖五繪出了X偏移的標(biāo)準(zhǔn)偏差圖，X偏移作為對一塊板的吸嘴編號函數(shù)。從圖中看到，在10號吸嘴上發(fā)生一個顯著的峰值，并在12號吸嘴上發(fā)生一個較小的峰值。10號吸嘴的峰值是在試驗(yàn)中一些其它板凳作圖上觀察到的。為了證實(shí)10號吸嘴上存在的一個問題，我們繪出了吸嘴貼裝真空壓力圖，它具有負(fù)值，是吸嘴編號的函數(shù)(圖六)。注意，10號吸嘴上的真空具有比較小的負(fù)值。這個值與通過10號吸嘴貼裝元件的偏移的標(biāo)準(zhǔn)偏差增加是一致的。因?yàn)橘N裝真空壓力較小，我們可預(yù)料偏移可變性的增加。結(jié)合圖五與圖六的信息，我們得到10號吸嘴不是比較佳運(yùn)作的結(jié)論。
這個問題是使用錯誤的吸嘴吸取圓柱形的0805元件所導(dǎo)致的故意的錯誤結(jié)果。使用的吸嘴是設(shè)計(jì)用于矩形形狀的元件，因此，由于不配合形狀而發(fā)生很小的真空泄漏。吸嘴不匹配的影響和在實(shí)際中發(fā)生的吸嘴部分阻塞的影響是類似的。因此，對偏移錯誤和貼裝真空壓力的監(jiān)測與分析，應(yīng)該可以找出吸嘴的問題。
穩(wěn)健的檢查
在上面所談到的監(jiān)測參數(shù)的過程中，一個關(guān)鍵問題是，基于這些參數(shù)的值，決定是否工藝過程正發(fā)生變化而需要調(diào)整。如果參數(shù)的繪圖是在每個板的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，并且顯示在工廠車間內(nèi)，那么一個有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備操作員可能能夠通過觀察顯示的信息正確地決定一個問題。可是，查找一個問題存在與發(fā)展的一個自動過程將是更有效的。現(xiàn)存的技術(shù)，如統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC, statistical process control)，可應(yīng)用于參數(shù)值的收集，產(chǎn)生對問題存在性的“有/沒有”之類的決定。可是這種技術(shù)可能還不足夠穩(wěn)健，對具有高度自然變化性的工藝過程，如電子裝配，產(chǎn)生正確的決定。
近年來，人們作出許多努力來開發(fā)基于來自人工智能(AI, artificial intelligence)和Bayesian概率理論的概念上的“軟決策(soft-decision)”方法。在軟決策方法中，計(jì)算一個問題或缺陷存在的概率(probability)或似然性(plausibility)，而不是有/沒有類型的決定。一個軟決策方法可以提供在很嘈雜的環(huán)境中得到正確結(jié)論的更穩(wěn)健性。在喬治亞工學(xué)院的研究已經(jīng)集中在用于電子制造的缺陷查找的軟決策方法的開發(fā)上。
GEM界面的使用
在喬治亞工學(xué)院的裝配線上的設(shè)備是通過一個GEM(generic equipment model)界面連接與一部主機(jī)上。使用一個商業(yè)的基于GEM的軟件包來收集裝配線運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)。該軟件包大大地簡化了數(shù)據(jù)收集，并為可能的數(shù)據(jù)處理寫出簡單的應(yīng)用模塊。作為處理系統(tǒng)構(gòu)架的一部分，我們寫出了一個應(yīng)用程序，使得每一個板可看作一個隨其在裝配線上移動積累數(shù)據(jù)的物體。使用這個設(shè)定，來自裝配線上不同設(shè)備項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，可以比較或關(guān)聯(lián)，以得出有關(guān)裝配線狀態(tài)的結(jié)果。
結(jié)論
對更高的PCB電路密度的持續(xù)的推動，給裝配過程控制提出了甚至更加嚴(yán)厲的要求。即使有新一代設(shè)備改進(jìn)的性能，裝配線狀態(tài)總是需要監(jiān)測的，部分是由于操作設(shè)備的人為錯誤。這個監(jiān)測將顯示是否需要調(diào)整來維持品質(zhì)。一個主要的挑戰(zhàn)是開發(fā)一個自動的方案，來處理大量的測量數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生對運(yùn)行狀態(tài)的正確決定 - 在一個嘈雜的環(huán)境里穩(wěn)健地實(shí)施。本文所提及的參數(shù)的自動處理可對生產(chǎn)線運(yùn)作提供一個有用的工具。