當(dāng)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。
當(dāng)前表面貼裝制造商們面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)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、材料和其它工程開銷降到最低。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，就必須要找出生產(chǎn)過程中的“瓶頸”所在并設(shè)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(diào)整-再測試過程。減小這一“瓶頸”制約因素的辦法包括：采用統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)、在工藝前期階段進(jìn)行缺陷檢查、在貼裝過程中盡量避免產(chǎn)生缺陷、以及采用閉環(huán)控制，但這些辦法都可能對工廠總產(chǎn)量產(chǎn)生一些影響。本文介紹的利用在線自動(dòng)光學(xué)檢測系統(tǒng)(AOI)來對生產(chǎn)線進(jìn)行閉環(huán)控制的辦法，可能是克服這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。
問題的提出

隨著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(dá)極限，提高貼裝性能成為在大規(guī)模生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)高成品率的關(guān)鍵。造成成品率低的原因比較復(fù)雜，其中之一是貼裝不能夠完成得很好，因此為實(shí)現(xiàn)無缺陷組裝經(jīng)常需要對貼片機(jī)的X-Y數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)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(diào)整-再測試工作量，從而產(chǎn)生限制工廠產(chǎn)量的“瓶頸”。
發(fā)現(xiàn)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(shù)字分析表明，當(dāng)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(tǒng)計(jì)分析來確定生產(chǎn)過程中會(huì)導(dǎo)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(xiàn)影響產(chǎn)能的“瓶頸”現(xiàn)象。
傳統(tǒng)做法
多數(shù)表面貼裝制造商在設(shè)備安裝好以后，很少會(huì)根據(jù)生產(chǎn)情況而主動(dòng)對貼裝設(shè)備初始設(shè)定的機(jī)器參數(shù)作更改。即使貼裝操作人員實(shí)施了過程控制，也是那種很慢的離線方式，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)過程。事實(shí)上用這些方法來排除瓶頸產(chǎn)生的主要原因非常緩慢，而這類瓶頸又與測試-調(diào)整-修理的時(shí)間密切相關(guān)。
現(xiàn)在的做法
貼裝設(shè)備供應(yīng)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(tǒng)特性作了規(guī)范，這些方法都試圖通過一些與元件貼裝精度、重復(fù)性及可靠性等相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)建立起一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)玻璃封裝和基板貼裝系統(tǒng)的理想性能條件。雖然這些工作對建立機(jī)器性能測定標(biāo)準(zhǔn)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程進(jìn)行閉環(huán)控制，都必須要考慮到與貼放過程有關(guān)的缺陷同時(shí)還和貼裝元件(尺寸、形狀及不同外形)、PCB板(線路圖案、阻焊層對位、基準(zhǔn)點(diǎn)狀況及板子翹曲程度)以及貼裝設(shè)備本身(X-Y-θ的定位誤差)等都有關(guān)。
同時(shí)，在線AOI測試系統(tǒng)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(tǒng)計(jì)技術(shù)方法如ANOVA(變量分析)來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(tǒng)發(fā)揮作用，那么與因?yàn)橘N裝系統(tǒng)、元件及PCB帶來的變化相比，AOI系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差應(yīng)盡可能最小。
把用理想標(biāo)準(zhǔn)得到的理論機(jī)器性能與實(shí)際機(jī)器性能結(jié)合起來也有一定的困難，因?yàn)閷?shí)際性能與現(xiàn)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(shè)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(fù)性高的數(shù)據(jù)，那么它就可以作為分析系統(tǒng)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(tǒng)涉及的問題
在閉環(huán)系統(tǒng)中用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的AOI設(shè)備的性能非常重要，如果一個(gè)AOI系統(tǒng)不能迅速提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)，則其糾正效果就可能適得其反。評估一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的AOI時(shí)需要考慮的主要因素有：數(shù)據(jù)采集的可靠性、精度、可重復(fù)性、速度以及使用的簡易性。
系統(tǒng)可靠性將決定AOI探測元件及正確識別元件數(shù)據(jù)的效果，如缺件、極性錯(cuò)誤或元件錯(cuò)誤等。評估可靠性的標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)遺漏的情況，而后者則反映AOI系統(tǒng)把合格點(diǎn)認(rèn)作是缺陷的情況。實(shí)際生產(chǎn)中AOI系統(tǒng)的FAR應(yīng)比較低以避免真正的缺陷進(jìn)入到組裝過程。最近新的AOI技術(shù)如彩色影像(如圖)和自適應(yīng)技術(shù)如多級分類法(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(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)過程進(jìn)行準(zhǔn)確修正非常重要。精度受許多因素影響，可用專門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(tǒng)性能的重要指標(biāo)是可重復(fù)性(GR&R)，GR&R衡量的是AOI系統(tǒng)在不同狀況下測試的一致性。理想情況下AOI設(shè)備測量結(jié)果不應(yīng)超過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(tǒng)的重復(fù)性不應(yīng)超過要求的10%或者說±10μm。這個(gè)指標(biāo)也可用精度/公差(P/T)比來表示，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?yàn)镻CB要進(jìn)行100%全檢以確保沒有缺陷被遺漏。另一個(gè)重要的考慮因素是易于編程操作，因?yàn)锳OI系統(tǒng)編程時(shí)間過長或不好使用必然會(huì)對生產(chǎn)造成影響。
閉環(huán)控制
雖然制造商使用了大量內(nèi)部傳感器監(jiān)控貼片機(jī)的使用情況，但卻沒有辦法監(jiān)測到貼裝過程結(jié)束之后的結(jié)果，以確定出缺陷是貼裝出錯(cuò)造成的還是控制不良造成的。問題的復(fù)雜性還在于表面貼裝生產(chǎn)線通常由多個(gè)貼片機(jī)組成，而且是不同的品牌，因此目前的企業(yè)多采用開環(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(xiàn)。
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(tǒng)采集到的元件數(shù)據(jù)與貼片機(jī)運(yùn)行情況聯(lián)系起來(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(jī)器);2)如何對貼片機(jī)操作進(jìn)行修改以糾正測量時(shí)發(fā)現(xiàn)的誤差。貼裝閉環(huán)控制可分三個(gè)步驟：1)貼裝系統(tǒng)提供待組裝板關(guān)鍵數(shù)據(jù)的前饋階段;2)AOI系統(tǒng)對板子進(jìn)行測量之后的反饋階段;3)閉環(huán)過程對分析結(jié)果的修正階段。
前饋階段
閉環(huán)控制過程在此階段從各貼片設(shè)備采集數(shù)據(jù)，包括元件類型、位置數(shù)據(jù)、供料器號、吸嘴、貼裝頭、機(jī)器、攝像頭、視覺對位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可能都是專用的，或者在某些系統(tǒng)中由于吸嘴動(dòng)態(tài)配置而無法確定，所以閉環(huán)過程多采用通用數(shù)據(jù)接口然后由供應(yīng)商提供專門的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。顯然閉環(huán)貼裝系統(tǒng)可以有助于得到有用的信息，而閉環(huán)系統(tǒng)中使用的貼裝設(shè)備應(yīng)能提供全套相關(guān)數(shù)據(jù)，包括吸嘴、貼裝頭、機(jī)器和供料器情況等。
反饋階段AOI系統(tǒng)將把所有特征數(shù)據(jù)(如缺件、極性錯(cuò)誤和錯(cuò)件等)和變動(dòng)數(shù)據(jù)(X-Y-θ位置偏差)反饋到閉環(huán)系統(tǒng)，變動(dòng)的數(shù)據(jù)可用來更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并且將AOI變量與每個(gè)設(shè)備貼裝的元件聯(lián)系起來。
修正階段
在此階段閉環(huán)系統(tǒng)對測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和Cp/Cpk，并算出與測量結(jié)果相關(guān)的校正措施。對于完全閉環(huán)式控制系統(tǒng)，偏差糾正數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)送入貼片設(shè)備，用戶也可以在該階段規(guī)定機(jī)器執(zhí)行的動(dòng)作。這類糾正數(shù)據(jù)通常是根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的趨勢而不是針對某一次貼裝做出的，這種統(tǒng)計(jì)趨勢可不斷地進(jìn)行修正，如果出現(xiàn)較大的問題例如缺件、極性錯(cuò)誤或錯(cuò)件時(shí)還可以中止生產(chǎn)。如果貼裝設(shè)備能接受遠(yuǎn)程控制，則閉環(huán)系統(tǒng)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(jié)論
為了擴(kuò)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(tǒng)可以用來收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以驅(qū)動(dòng)一個(gè)閉環(huán)貼片系統(tǒng)。閉環(huán)貼裝是實(shí)現(xiàn)缺陷校正自動(dòng)化的第一步，這種系統(tǒng)能夠識別出工藝變化，并自動(dòng)進(jìn)行自我糾正以適應(yīng)新的貼片系統(tǒng)。另外，由于大大消除了因缺陷(測試-調(diào)整-再測試)而引起的“瓶頸”現(xiàn)象，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)高成品率下的大批量生產(chǎn)。