6 Sigma PCBA組裝的AOI探索

李雙龍(天水華天，甘肅天水 741000)

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

關(guān)鍵詞：PCBA；6Sigma；自動光學(xué)圖象檢測

中圖分類號：TN305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

組裝缺陷如何產(chǎn)生?為什么組裝線生產(chǎn)的PCBA一些功能滿足要求，而另一些卻因多處組裝錯誤而無休止地返工和返修?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，在PCBA組裝中應(yīng)采取什么措施來排除變異。

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

2 6 Sigma和PCBA組裝

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

在PcBA組裝中，變異是“敵人”。將設(shè)計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)。缺陷通常在在線測試(ICT)、功能測試(FBT)、自動光學(xué)圖像分析(AOI)或人工外觀檢查(MVI)或其它辦法檢查PCBA時發(fā)現(xiàn)。

PCBA制造過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，稱為“可接受制程變異(APV)”。APV通常是組裝過程允差或元器件、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，
則必須對設(shè)計或制造問題進(jìn)行先期完善。

不可接受制程變異(UPV)是指那些未檢測到、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，檢測和剔除UPV。6 Sigma用來定義將APV與UPV區(qū)分的方法及必要誤差。

為識別變異并對變異及其產(chǎn)生缺陷提供連續(xù)測量，我們必須了解實際生產(chǎn)PCBA時變量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的來源。為了實施測量，對PCBA生產(chǎn)中測
量變量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的測量機(jī)理需要了解。屬性數(shù)據(jù)測試是目前PCBA生產(chǎn)中檢查和測試的關(guān)鍵，現(xiàn)代PcBA組裝工廠通常配備自動光學(xué)圖像分析(AOI)、在線測試儀(ICT)、功能測試儀等現(xiàn)代檢測系統(tǒng)，對缺陷進(jìn)行掃描檢測并將檢測結(jié)果報告給操作者。

3 電子產(chǎn)品組裝中缺陷產(chǎn)生的主要根源

因為所有變異均可能導(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：錫膏覆蓋量／缺少量、相鄰焊盤檢查、錫膏覆蓋區(qū)域檢查。測量：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(問題)：元器件漏裝、元器件方向裝錯、元器件損壞、元器件錯裝。差異咬異)：x-Y-z軸、元器件／焊盤套準(zhǔn)、組裝套準(zhǔn)。檢驗：
已貼／漏貼元器件、元器件方向標(biāo)識／標(biāo)志、元器件封裝形狀。測量：x-Y-z軸、元器件／焊盤對準(zhǔn)、組裝對準(zhǔn)。

回流熄失誤(問題)：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。檢驗所有翼形引線焊接、所有J形引線焊接、焊接短路
檢查、檢查分立元件(浮起)、元器件隨機(jī)沾污等。

4 自動光學(xué)圖像檢測

在組裝過程中要不斷地檢驗半成品的焊膏多少和焊點形狀，電路裸板導(dǎo)線粗細(xì)、導(dǎo)線缺陷等情況，在線測試或功能測試一般是測不出來的。目測檢驗失誤多、效率低，而自動光學(xué)圖像檢測是所公認(rèn)的最有效的方法，目前，自動光學(xué)圖像檢測(AOI)采用設(shè)計規(guī)則檢驗(DRC)和圖形識別兩種方法。

設(shè)計規(guī)則檢驗法(DRC)是按照二些給定的規(guī)則，如所有連線應(yīng)以焊點為端點，所有引線寬度不小于0．127mm，所有引線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電路正確性。

圖形識別法是將存儲的數(shù)字化圖像與實際工作比較。檢查時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的檢查文件進(jìn)行，或者按照計算機(jī)輔助設(shè)計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)代自動光學(xué)圖像檢測(AOI)系統(tǒng)在檢測元器件放置特性時可保證極細(xì)微的x、Y、θ(轉(zhuǎn)動)位置偏離變異被測量并進(jìn)行變異跟蹤，檢查過程非常靈敏，對一些應(yīng)剔除的變異如位置、尺寸及圖像等進(jìn)行測量，而對一些可接受的制程變異如元件供應(yīng)商改變、標(biāo)稱尺寸、標(biāo)志或顏色等予以默認(rèn)(允許)并記錄元件貼裝過程的位置特性。

5 自動光學(xué)圖像檢測(AOI)系統(tǒng)的R&R研究

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

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

對現(xiàn)代AOI系統(tǒng)，測量結(jié)果的重復(fù)性相當(dāng)重要。因為，用AOI系統(tǒng)識別關(guān)鍵變異是可能的，但要對變異的趨勢得出準(zhǔn)確結(jié)論，則要求AOI系統(tǒng)的測量重復(fù)性好，以滿足將制程變異從測量系統(tǒng)自身變異中區(qū)分開來。

根據(jù)對檢測能力指數(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)零件檢驗中，測量極限誤差同公差的比值稱為精度系數(shù)，通常應(yīng)保持在1／3～1／10范圍內(nèi)^[3]。對AOI系統(tǒng)的測量不確定度(RaR)的詳細(xì)計算，在此將不羅列。現(xiàn)代AOI系統(tǒng)在置信因子為3時，測量不確定度優(yōu)于±0.4mils，此意味著測量值的99．73％落在上、下規(guī)格界限內(nèi)。

在實際6 Sigma PCBA生產(chǎn)中，AOI系統(tǒng)要求的測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，如果要求檢測到偏離焊盤50％，則要求的最小測量值為0．127mm，利用上述的1／10原則，則要求AOI測量系統(tǒng)的測量不確定度在置信因子為3時，小于0．0127mm。對目前最小的QFP封裝IC，其尺寸為0.4064mm×0.2032mm，同樣以偏離焊盤50％為檢測要求，即置信因子為3時，則要求AoI測量系統(tǒng)的測量不確定度小于0．01016mm。

上述提及的6 Sigma PCBA檢測即指以規(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 測量貼片(拾取-放置)能力

在貼片制程檢查時，為確保6 Sigam重復(fù)性，檢測標(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50％為檢測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，貼片放置重復(fù)性為±o．0508mm的制程統(tǒng)計量的測量結(jié)果分布。以及隨時間、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，需要將其分解為實際的己交付設(shè)備特性或在不同的時間及溫度條件下，試驗一系列產(chǎn)品，計算試驗樣品不同批次的分布漂移。

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

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

最后，可計算出，在置信因子為3時，對±2mils的制程分布，以偏離焊盤50％為檢測要求，代表放置檢測極限為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)代自動光學(xué)圖象檢測設(shè)備相結(jié)合，PCBA總組裝錯誤明顯減少己被證實。且在元件貼片放置工序，可提供精密的、重復(fù)性好的位置測量，以證實其6 Sigam性能。

為保證6 Sigam性能，自動光學(xué)圖象檢測極為關(guān)鍵。現(xiàn)代第三代的自動光學(xué)圖象檢測系統(tǒng)，其重復(fù)性、性能和速度可滿足現(xiàn)代PCBA組裝要求。
同時對生產(chǎn)者提供組裝過程的關(guān)鍵測量，將檢測統(tǒng)計結(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。