李雙龍(天水華天，甘肅天水 741000)

摘要：現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)如何進(jìn)行組裝缺陷檢查，PCBA組裝缺陷產(chǎn)生根源剖析及測(cè)量系統(tǒng)的6Sigma探索。

關(guān)鍵詞：PCBA；6Sigma；自動(dòng)光學(xué)圖象檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

組裝缺陷如何產(chǎn)生?為什么組裝線(xiàn)生產(chǎn)的PCBA一些功能滿(mǎn)足要求，而另一些卻因多處組裝錯(cuò)誤而無(wú)休止地返工和返修?組裝質(zhì)量不同批次為何存在差異?更重要的是，從這些變異我們應(yīng)獲得哪些經(jīng)驗(yàn)，在PCBA組裝中應(yīng)采取什么措施來(lái)排除變異。

上述問(wèn)題便是6 Sigma生產(chǎn)的溯源，Sigma是希臘字母，描述任一過(guò)程參數(shù)的平均值的分布或離散程度，即標(biāo)準(zhǔn)偏差。6 Sigma是運(yùn)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)，通過(guò)對(duì)過(guò)程能力的測(cè)量，確定過(guò)程所處的狀態(tài)，再通過(guò)比較分析，找出影響過(guò)程能力的主要變量，用過(guò)程優(yōu)化方法找出其變化規(guī)律，再對(duì)其予以消除或控制，通過(guò)連續(xù)的測(cè)量—分析—改善—控制循環(huán)，使過(guò)程能力不斷提高并最終達(dá)到或超過(guò)6 Sigma水平。^[1]

2 6 Sigma和PCBA組裝

變異性指對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有潛在負(fù)面影響的任何變異。PCB設(shè)計(jì)要綜合考慮其電學(xué)和機(jī)械性能可靠性，如元器件焊盤(pán)設(shè)計(jì)允差、焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)等。
其次，組裝PCBA用元器件和材料的外形尺寸、質(zhì)量等對(duì)組裝質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生影響。最后，組裝制程自身的變異也會(huì)影響PCBA組裝質(zhì)量。

在PcBA組裝中，變異是“敵人”。將設(shè)計(jì)和材料等變異明顯根源排除后，余下的便是用PCB板、元器件、錫膏等制造PCBA制程自身的變異。

屬性數(shù)據(jù)代表因制程變異產(chǎn)生的不容懷疑的、固定的缺陷，屬性數(shù)據(jù)通常為是／否，好／壞，I／O類(lèi)型的數(shù)據(jù)。變量數(shù)據(jù)記錄制程變異程度，不直接表明為缺陷，為數(shù)字型、測(cè)量型等必須記錄且與屬性數(shù)據(jù)、不容懷疑的缺陷或缺陷產(chǎn)生概率等相聯(lián)系的數(shù)據(jù)。

屬性數(shù)據(jù)檢查是觀(guān)察不可接受變異存在與否的首選辦法，屬性數(shù)據(jù)的特征和頻率與變異產(chǎn)生的根源有關(guān)。缺陷通常在在線(xiàn)測(cè)試(ICT)、功能測(cè)試(FBT)、自動(dòng)光學(xué)圖像分析(AOI)或人工外觀(guān)檢查(MVI)或其它辦法檢查PCBA時(shí)發(fā)現(xiàn)。

PCBA制造過(guò)程中的一些變異是不可避免的、需預(yù)先采取措施防止其發(fā)生，稱(chēng)為“可接受制程變異(APV)”。APV通常是組裝過(guò)程允差或元器件、原材料等存在的可接受的機(jī)械差異。APV產(chǎn)生變量數(shù)據(jù)，但并不變?yōu)樽罱K產(chǎn)品缺陷產(chǎn)生的根源，如因APV而產(chǎn)生不容懷疑的缺陷或固定缺陷，
則必須對(duì)設(shè)計(jì)或制造問(wèn)題進(jìn)行先期完善。

不可接受制程變異(UPV)是指那些未檢測(cè)到、必然導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生或缺陷產(chǎn)生概率極大的變異。今理的制程應(yīng)接受APV，檢測(cè)和剔除UPV。6 Sigma用來(lái)定義將APV與UPV區(qū)分的方法及必要誤差。

為識(shí)別變異并對(duì)變異及其產(chǎn)生缺陷提供連續(xù)測(cè)量，我們必須了解實(shí)際生產(chǎn)PCBA時(shí)變量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的來(lái)源。為了實(shí)施測(cè)量，對(duì)PCBA生產(chǎn)中測(cè)
量變量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的測(cè)量機(jī)理需要了解。屬性數(shù)據(jù)測(cè)試是目前PCBA生產(chǎn)中檢查和測(cè)試的關(guān)鍵，現(xiàn)代PcBA組裝工廠(chǎng)通常配備自動(dòng)光學(xué)圖像分析(AOI)、在線(xiàn)測(cè)試儀(ICT)、功能測(cè)試儀等現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)缺陷進(jìn)行掃描檢測(cè)并將檢測(cè)結(jié)果報(bào)告給操作者。

3 電子產(chǎn)品組裝中缺陷產(chǎn)生的主要根源

因?yàn)樗凶儺惥赡軐?dǎo)致缺陷，故變異是生產(chǎn)的“敵人”。我們結(jié)合PCBA生產(chǎn)流程，來(lái)主要探討SMT生產(chǎn)中缺陷產(chǎn)生根源。

結(jié)合錫膏印刷、貼片及回流焊等缺隙產(chǎn)生的主要制程，具休探討如下：

錫膏印刷：

失誤(問(wèn)題)：錫膏漏印、錫膏短路、錫膏沾污。差異(變異)：錫膏覆蓋面積、錫膏覆蓋高度、錫膏覆蓋體積、錫膏覆蓋圖形。檢驗(yàn)：錫膏覆蓋量／缺少量、相鄰焊盤(pán)檢查、錫膏覆蓋區(qū)域檢查。測(cè)量：錫膏覆蓋面積、錫膏覆蓋高度、錫膏覆蓋體積、錫膏覆蓋圖形。

貼片：失誤(問(wèn)題)：元器件漏裝、元器件方向裝錯(cuò)、元器件損壞、元器件錯(cuò)裝。差異咬異)：x-Y-z軸、元器件／焊盤(pán)套準(zhǔn)、組裝套準(zhǔn)。檢驗(yàn)：
已貼／漏貼元器件、元器件方向標(biāo)識(shí)／標(biāo)志、元器件封裝形狀。測(cè)量：x-Y-z軸、元器件／焊盤(pán)對(duì)準(zhǔn)、組裝對(duì)準(zhǔn)。

回流熄失誤(問(wèn)題)：元器件放置特性、元器件直立、墓碑現(xiàn)象、焊錫珠、焊錫短路等。檢驗(yàn)所有翼形引線(xiàn)焊接、所有J形引線(xiàn)焊接、焊接短路
檢查、檢查分立元件(浮起)、元器件隨機(jī)沾污等。

4 自動(dòng)光學(xué)圖像檢測(cè)

在組裝過(guò)程中要不斷地檢驗(yàn)半成品的焊膏多少和焊點(diǎn)形狀，電路裸板導(dǎo)線(xiàn)粗細(xì)、導(dǎo)線(xiàn)缺陷等情況，在線(xiàn)測(cè)試或功能測(cè)試一般是測(cè)不出來(lái)的。目測(cè)檢驗(yàn)失誤多、效率低，而自動(dòng)光學(xué)圖像檢測(cè)是所公認(rèn)的最有效的方法，目前，自動(dòng)光學(xué)圖像檢測(cè)(AOI)采用設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)(DRC)和圖形識(shí)別兩種方法。

設(shè)計(jì)規(guī)則檢驗(yàn)法(DRC)是按照二些給定的規(guī)則，如所有連線(xiàn)應(yīng)以焊點(diǎn)為端點(diǎn)，所有引線(xiàn)寬度不小于0．127mm，所有引線(xiàn)之間的間隔不得小于0．102mm等檢查電路圖形。這種方法可以從算法上保證被檢驗(yàn)電路正確性。

圖形識(shí)別法是將存儲(chǔ)的數(shù)字化圖像與實(shí)際工作比較。檢查時(shí)或者按照檢查一塊完好的印刷電路板或玻璃模型建立起來(lái)的檢查文件進(jìn)行，或者按照計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中編制的檢查程序進(jìn)行。精度取決于分辯率和所用的檢查程序。^[2]

現(xiàn)代自動(dòng)光學(xué)圖像檢測(cè)(AOI)系統(tǒng)在檢測(cè)元器件放置特性時(shí)可保證極細(xì)微的x、Y、θ(轉(zhuǎn)動(dòng))位置偏離變異被測(cè)量并進(jìn)行變異跟蹤，檢查過(guò)程非常靈敏，對(duì)一些應(yīng)剔除的變異如位置、尺寸及圖像等進(jìn)行測(cè)量，而對(duì)一些可接受的制程變異如元件供應(yīng)商改變、標(biāo)稱(chēng)尺寸、標(biāo)志或顏色等予以默認(rèn)(允許)并記錄元件貼裝過(guò)程的位置特性。

5 自動(dòng)光學(xué)圖像檢測(cè)(AOI)系統(tǒng)的R&R研究

測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性(repeatability)指：在相同的測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)、多次測(cè)量所得結(jié)果之間的一致性。

測(cè)量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性(reproducibity)指：在改變了測(cè)量條件下，同一被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果之間的一致性。

對(duì)現(xiàn)代AOI系統(tǒng)，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性相當(dāng)重要。因?yàn)?，用AOI系統(tǒng)識(shí)別關(guān)鍵變異是可能的，但要對(duì)變異的趨勢(shì)得出準(zhǔn)確結(jié)論，則要求AOI系統(tǒng)的測(cè)量重復(fù)性好，以滿(mǎn)足將制程變異從測(cè)量系統(tǒng)自身變異中區(qū)分開(kāi)來(lái)。

根據(jù)對(duì)檢測(cè)能力指數(shù)的要求，標(biāo)準(zhǔn)器選擇通常遵循三分之一原則，即標(biāo)準(zhǔn)器同被檢計(jì)量器具準(zhǔn)確度比值應(yīng)保持1／3比例。在機(jī)械行業(yè)零件檢驗(yàn)中，測(cè)量極限誤差同公差的比值稱(chēng)為精度系數(shù)，通常應(yīng)保持在1／3～1／10范圍內(nèi)^[3]。對(duì)AOI系統(tǒng)的測(cè)量不確定度(RaR)的詳細(xì)計(jì)算，在此將不羅列?，F(xiàn)代AOI系統(tǒng)在置信因子為3時(shí)，測(cè)量不確定度優(yōu)于±0.4mils，此意味著測(cè)量值的99．73％落在上、下規(guī)格界限內(nèi)。

在實(shí)際6 Sigma PCBA生產(chǎn)中，AOI系統(tǒng)要求的測(cè)量不確定度是多少呢?通常認(rèn)為目前最小的SMD元件為0201尺寸，如果要求檢測(cè)到偏離焊盤(pán)50％，則要求的最小測(cè)量值為0．127mm，利用上述的1／10原則，則要求AOI測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量不確定度在置信因子為3時(shí)，小于0．0127mm。對(duì)目前最小的QFP封裝IC，其尺寸為0.4064mm×0.2032mm，同樣以偏離焊盤(pán)50％為檢測(cè)要求，即置信因子為3時(shí)，則要求AoI測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量不確定度小于0．01016mm。

上述提及的6 Sigma PCBA檢測(cè)即指以規(guī)格值為中心偏離±3 Sigma的變異均被認(rèn)為"iE?；蚩山邮堋弊儺?。

6 測(cè)量貼片(拾取-放置)能力

在貼片制程檢查時(shí)，為確保6 Sigam重復(fù)性，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如何選取?下面以貼片制程能力為放置重復(fù)性為±0．0508mm(置信因子為3)，間距為0．508mm的QFP0402元件，以偏離焊盤(pán)50％為檢測(cè)要求的貼片制程檢查為例：

首先，制定平均值，確定在3 Sigma置信因子時(shí)，貼片放置重復(fù)性為±o．0508mm的制程統(tǒng)計(jì)量的測(cè)量結(jié)果分布。以及隨時(shí)間、溫度及維護(hù)周期等，平均值的分布漂移。此規(guī)格為設(shè)備的固有特性部分，其產(chǎn)生根源相當(dāng)重要。

如果此為設(shè)備特性，則用戶(hù)需要重新考慮它們。該特性是否代表己交付的，貼片制程的拾-放綜合特性，包括SMD元件尺寸、PCB板供應(yīng)商、
PCB板變形等變異，需要將其分解為實(shí)際的己交付設(shè)備特性或在不同的時(shí)間及溫度條件下，試驗(yàn)一系列產(chǎn)品，計(jì)算試驗(yàn)樣品不同批次的分布漂移。

其次，我們必須認(rèn)識(shí)到，偏離焊盤(pán)50％檢測(cè)要求是貼片制程中拾—放檢查應(yīng)用的絕對(duì)極限，許多產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)坊繃0規(guī)定30％或更低作為絕對(duì)容差。

第三，應(yīng)計(jì)算最小元件偏離焊盤(pán)50％的偏離量，對(duì)0402QFP元件，偏離焊盤(pán)50％即代表0．127mm的偏離量，因此進(jìn)行AOI檢查時(shí)，AOI測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量不確定度應(yīng)小于0．0127mm。

最后，可計(jì)算出，在置信因子為3時(shí)，對(duì)±2mils的制程分布，以偏離焊盤(pán)50％為檢測(cè)要求，代表放置檢測(cè)極限為7 Sigma(假設(shè)平均值分布保持穩(wěn)定)。

7 結(jié)論

6 Sigma PCBA生產(chǎn)將是我們追求的目標(biāo)，將6 Sigma與現(xiàn)代自動(dòng)光學(xué)圖象檢測(cè)設(shè)備相結(jié)合，PCBA總組裝錯(cuò)誤明顯減少己被證實(shí)。且在元件貼片放置工序，可提供精密的、重復(fù)性好的位置測(cè)量，以證實(shí)其6 Sigam性能。

為保證6 Sigam性能，自動(dòng)光學(xué)圖象檢測(cè)極為關(guān)鍵?，F(xiàn)代第三代的自動(dòng)光學(xué)圖象檢測(cè)系統(tǒng)，其重復(fù)性、性能和速度可滿(mǎn)足現(xiàn)代PCBA組裝要求。
同時(shí)對(duì)生產(chǎn)者提供組裝過(guò)程的關(guān)鍵測(cè)量，將檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與貼片制程相結(jié)合，提供全面的閉環(huán)控制，保證PcBA生產(chǎn)質(zhì)量。