當前中國生產(chǎn)工程師在制造帶有表面貼裝元件的PCB板時(shí)遇到的最大問(wèn)題是如何進(jìn)一步提高生產(chǎn)成品率，同時(shí)還必須保證最短的時(shí)間和最低的成本。本文介紹了一種目前很先進(jìn)的利用AOI來(lái)提高成品率的方法。

　　Francois Vlach

　　亞洲區銷(xiāo)售經(jīng)理

　　MV Technology

　　當前表面貼裝制造商們面臨的一個(gè)主要挑戰是，如何在進(jìn)一步提高優(yōu)秀產(chǎn)品產(chǎn)量的同時(shí)，將時(shí)間、材料和其它工程開(kāi)銷(xiāo)降到最低。為了實(shí)現這樣的目標，就必須要找出生產(chǎn)過(guò)程中的“瓶頸”所在并設法加以克服，目前表面貼裝制造商所面對的主要“瓶頸”是位于組裝最后階段的測試-調整-再測試過(guò)程。減小這一“瓶頸”制約因素的辦法包括：采用統計過(guò)程控制(SPC)、在工藝前期階段進(jìn)行缺陷檢查、在貼裝過(guò)程中盡量避免產(chǎn)生缺陷、以及采用閉環(huán)控制，但這些辦法都可能對工廠(chǎng)總產(chǎn)量產(chǎn)生一些影響。本文介紹的利用在線(xiàn)自動(dòng)光學(xué)檢測系統(AOI)來(lái)對生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行閉環(huán)控制的辦法，可能是克服這一挑戰的關(guān)鍵。

　　問(wèn)題的提出

　　隨著(zhù)PCB板密度增加以及元件尺寸的減小，元件貼裝工藝的性能逐漸到達極限，提高貼裝性能成為在大規模生產(chǎn)中實(shí)現高成品率的關(guān)鍵。造成成品率低的原因比較復雜，其中之一是貼裝不能夠完成得很好，因此為實(shí)現無(wú)缺陷組裝經(jīng)常需要對貼片機的X-Y數據進(jìn)行調整。缺陷可能會(huì )由于各種原因而產(chǎn)生，如果不能迅速糾正，這些缺陷很快就會(huì )給制造商增加很多測試-調整-再測試工作量，從而產(chǎn)生限制工廠(chǎng)產(chǎn)量的“瓶頸”。

　　發(fā)現缺陷是AOI的一個(gè)重要功能，但減少缺陷的產(chǎn)生更加重要。數字分析表明，當元件密度增加時(shí)不管缺陷率是增加還是保持不變，成品率都會(huì )大大降低。因此對貼裝工藝進(jìn)行分析是減少缺陷最基本的一步, 可以用統計分析來(lái)確定生產(chǎn)過(guò)程中會(huì )導致缺陷發(fā)生的一些傾向，但關(guān)鍵還是要能以最短的時(shí)間進(jìn)行糾正，以避免出現影響產(chǎn)能的“瓶頸”現象。

　　工藝分析方法

　　傳統做法

　　多數表面貼裝制造商在設備安裝好以后，很少會(huì )根據生產(chǎn)情況而主動(dòng)對貼裝設備初始設定的機器參數作更改。即使貼裝操作人員實(shí)施了過(guò)程控制，也是那種很慢的離線(xiàn)方式，使用的是最基本的貼裝分析方法，而不是針對不同的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。事實(shí)上用這些方法來(lái)排除瓶頸產(chǎn)生的主要原因非常緩慢，而這類(lèi)瓶頸又與測試-調整-修理的時(shí)間密切相關(guān)。

　　現在的做法

　　貼裝設備供應商們已進(jìn)行了大量卓有成效的工作，同時(shí)業(yè)界組織也對貼裝系統特性作了規范，這些方法都試圖通過(guò)一些與元件貼裝精度、重復性及可靠性等相關(guān)的關(guān)鍵參數建立起一個(gè)標準的性能評估體系。然而目前這些方法主要注重于“第一級”工藝分析，或者只是針對使用標準玻璃封裝和基板貼裝系統的理想性能條件。雖然這些工作對建立機器性能測定標準是完全必要的，但理論性能與實(shí)際生產(chǎn)情況之間卻有一定的差距。

　　還需考慮的因素

　　不管采用哪種方法對貼裝過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)控制，都必須要考慮到與貼放過(guò)程有關(guān)的缺陷同時(shí)還和貼裝元件(尺寸、形狀及不同外形)、PCB板(線(xiàn)路圖案、阻焊層對位、基準點(diǎn)狀況及板子翹曲程度)以及貼裝設備本身(X-Y-θ的定位誤差)等都有關(guān)。

　　同時(shí)，在線(xiàn)AOI測試系統檢查產(chǎn)生的誤差必須與工藝其他部分造成的差異進(jìn)行比較，可以用一些統計技術(shù)方法如ANOVA(變量分析)來(lái)對各工藝變量之間的相互影響進(jìn)行評估。如果希望實(shí)時(shí)SPC系統發(fā)揮作用，那么與因為貼裝系統、元件及PCB帶來(lái)的變化相比，AOI系統產(chǎn)生的誤差應盡可能最小。

　　把用理想標準得到的理論機器性能與實(shí)際機器性能結合起來(lái)也有一定的困難，因為實(shí)際性能與現代表面貼裝制造本身使用的材料和條件有關(guān)。一個(gè)AOI設備如果能夠從實(shí)際生產(chǎn)的板子上以很高的速度采集到精確且重復性高的數據，那么它就可以作為分析系統的主要部分，對貼裝/PCB/元件組合工藝進(jìn)行分析、評估以及最終的控制。

　　AOI系統涉及的問(wèn)題

　　在閉環(huán)系統中用于進(jìn)行數據采集的AOI設備的性能非常重要，如果一個(gè)AOI系統不能迅速提供高質(zhì)量數據，則其糾正效果就可能適得其反。評估一個(gè)閉環(huán)系統的AOI時(shí)需要考慮的主要因素有：數據采集的可靠性、精度、可重復性、速度以及使用的簡(jiǎn)易性。

　　系統可靠性將決定AOI探測元件及正確識別元件數據的效果，如缺件、極性錯誤或元件錯誤等。評估可靠性的標準有缺陷誤判率(FAR)和合格誤判率(FFR)兩種，前者表示真正的缺陷(如缺件)被AOI系統遺漏的情況，而后者則反映AOI系統把合格點(diǎn)認作是缺陷的情況。實(shí)際生產(chǎn)中AOI系統的FAR應比較低以避免真正的缺陷進(jìn)入到組裝過(guò)程。最近新的AOI技術(shù)如彩色影像(如圖)和自適應技術(shù)如多級分類(lèi)法(MVC)等都可以在含高密度0402、0201及0.4mm間距元件的產(chǎn)品上降低FAR和FFR。

　　精度定義為測量平均值與真實(shí)值之間的差異，它對于確保AOI系統能夠對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行準確修正非常重要。精度受許多因素影響，可用專(zhuān)門(mén)制作的上面模仿有各種不同形狀元件的板子對其進(jìn)行評估。

　　另一個(gè)確定AOI系統性能的重要指標是可重復性(GR&R)，GR&R衡量的是AOI系統在不同狀況下測試的一致性。理想情況下AOI設備測量結果不應超過(guò)被測元件允許公差的10%，例如在某個(gè)貼放要求為X-Y方向±100μm的0402元件上，AOI系統的重復性不應超過(guò)要求的10%或者說(shuō)±10μm。這個(gè)指標也可用精度/公差(P/T)比來(lái)表示，從理論上講10%或更低的P/T比較理想，但在某些限定條件下也可以到30%。

　　此外速度也很重要，因為PCB要進(jìn)行100%全檢以確保沒(méi)有缺陷被遺漏。另一個(gè)重要的考慮因素是易于編程操作，因為AOI系統編程時(shí)間過(guò)長(cháng)或不好使用必然會(huì )對生產(chǎn)造成影響。

　　閉環(huán)控制

　　雖然制造商使用了大量?jì)炔總鞲衅鞅O控貼片機的使用情況，但卻沒(méi)有辦法監測到貼裝過(guò)程結束之后的結果，以確定出缺陷是貼裝出錯造成的還是控制不良造成的。問(wèn)題的復雜性還在于表面貼裝生產(chǎn)線(xiàn)通常由多個(gè)貼片機組成，而且是不同的品牌，因此目前的企業(yè)多采用開(kāi)環(huán)方式進(jìn)行元件貼裝，所以缺陷通常在回流焊之后或更晚的測試階段才會(huì )被發(fā)現。

　　存在的障礙

　　對貼裝工藝進(jìn)行真正閉環(huán)控制的兩個(gè)最大的障礙是：1)如何將AOI系統采集到的元件數據與貼片機運行情況聯(lián)系起來(lái)(即確定每個(gè)元件貼裝時(shí)用的是哪一個(gè)吸嘴、貼裝頭或機器);2)如何對貼片機操作進(jìn)行修改以糾正測量時(shí)發(fā)現的誤差。貼裝閉環(huán)控制可分三個(gè)步驟：1)貼裝系統提供待組裝板關(guān)鍵數據的前饋階段;2)AOI系統對板子進(jìn)行測量之后的反饋階段;3)閉環(huán)過(guò)程對分析結果的修正階段。

　　前饋階段　　閉環(huán)控制過(guò)程在此階段從各貼片設備采集數據，包括元件類(lèi)型、位置數據、供料器號、吸嘴、貼裝頭、機器、攝像頭、視覺(jué)對位數據及通用信息(如板子型號及系列號)等。由于前饋階段所需的全部數據可能都是專(zhuān)用的，或者在某些系統中由于吸嘴動(dòng)態(tài)配置而無(wú)法確定，所以閉環(huán)過(guò)程多采用通用數據接口然后由供應商提供專(zhuān)門(mén)的數據轉換。顯然閉環(huán)貼裝系統可以有助于得到有用的信息，而閉環(huán)系統中使用的貼裝設備應能提供全套相關(guān)數據，包括吸嘴、貼裝頭、機器和供料器情況等。

　　反饋階段AOI系統將把所有特征數據(如缺件、極性錯誤和錯件等)和變動(dòng)數據(X-Y-θ位置偏差)反饋到閉環(huán)系統，變動(dòng)的數據可用來(lái)更新系統數據庫，并且將AOI變量與每個(gè)設備貼裝的元件聯(lián)系起來(lái)。

　　修正階段

　　在此階段閉環(huán)系統對測到的數據進(jìn)行分析，計算平均值、標準偏差和Cp/Cpk，并算出與測量結果相關(guān)的校正措施。對于完全閉環(huán)式控制系統，偏差糾正數據會(huì )自動(dòng)送入貼片設備，用戶(hù)也可以在該階段規定機器執行的動(dòng)作。這類(lèi)糾正數據通常是根據統計出的趨勢而不是針對某一次貼裝做出的，這種統計趨勢可不斷地進(jìn)行修正，如果出現較大的問(wèn)題例如缺件、極性錯誤或錯件時(shí)還可以中止生產(chǎn)。如果貼裝設備能接受遠程控制，則閉環(huán)系統將可作為貼裝工藝中的一種伺服控制器而使效果更加明顯。

　　結論

　　為了擴大表面貼裝產(chǎn)量，并減少在缺陷上所消耗的時(shí)間， AOI系統可以用來(lái)收集實(shí)時(shí)數據以驅動(dòng)一個(gè)閉環(huán)貼片系統。閉環(huán)貼裝是實(shí)現缺陷校正自動(dòng)化的第一步，這種系統能夠識別出工藝變化，并自動(dòng)進(jìn)行自我糾正以適應新的貼片系統。另外，由于大大消除了因缺陷(測試-調整-再測試)而引起的“瓶頸”現象，該系統還可以實(shí)現高成品率下的大批量生產(chǎn)。