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利用AOI提高生產成品率

攻略神州視覺2015年01月23日次瀏覽

  當前中國生產工程師在制造帶有表面貼裝元件的PCB板時遇到的最大問題是如何進一步提高生產成品率,同時還必須保證最短的時間和最低的成本。本文介紹了一種目前很先進的利用AOI來提高成品率的方法。

  Francois Vlach

  亞洲區銷售經理

  MV Technology

  當前表面貼裝制造商們面臨的一個主要挑戰是,如何在進一步提高優秀產品產量的同時,將時間、材料和其它工程開銷降到最低。為了實現這樣的目標,就必須要找出生產過程中的“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-再測試過程。減小這一“瓶頸”制約因素的辦法包括:采用統計過程控制(SPC)、在工藝前期階段進行缺陷檢查、在貼裝過程中盡量避免產生缺陷、以及采用閉環控制,但這些辦法都可能對工廠總產量產生一些影響。本文介紹的利用在線自動光學檢測系統(AOI)來對生產線進行閉環控制的辦法,可能是克服這一挑戰的關鍵。

  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極限,提高貼裝性能成為在大規模生產中實現高成品率的關鍵。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,因此為實現無缺陷組裝經常需要對貼片機的X-Y數據進行調整。缺陷可能會由于各種原因而產生,如果不能迅速糾正,這些缺陷很快就會給制造商增加很多測試-調整-再測試工作量,從而產生限制工廠產量的“瓶頸”。

  發現缺陷是AOI的一個重要功能,但減少缺陷的產生更加重要。數字分析表明,當元件密度增加時不管缺陷率是增加還是保持不變,成品率都會大大降低。因此對貼裝工藝進行分析是減少缺陷最基本的一步, 可以用統計分析來確定生產過程中會導致缺陷發生的一些傾向,但關鍵還是要能以最短的時間進行糾正,以避免出現影響產能的“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,很少會根據生產情況而主動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際生產過程。事實上用這些方法來排除瓶頸產生的主要原因非常緩慢,而這類瓶頸又與測試-調整-修理的時間密切相關。

  現在的做法

  貼裝設備供應商們已進行了大量卓有成效的工作,同時業界組織也對貼裝系統特性作了規范,這些方法都試圖通過一些與元件貼裝精度、重復性及可靠性等相關的關鍵參數建立起一個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,但理論性能與實際生產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行閉環控制,都必須要考慮到與貼放過程有關的缺陷同時還和貼裝元件(尺寸、形狀及不同外形)、PCB板(線路圖案、阻焊層對位、基準點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。

  同時,在線AOI測試系統檢查產生的誤差必須與工藝其他部分造成的差異進行比較,可以用一些統計技術方法如ANOVA(變量分析)來對各工藝變量之間的相互影響進行評估。如果希望實時SPC系統發揮作用,那么與因為貼裝系統、元件及PCB帶來的變化相比,AOI系統產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際機器性能結合起來也有一定的困難,因為實際性能與現代表面貼裝制造本身使用的材料和條件有關。一個AOI設備如果能夠從實際生產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/元件組合工藝進行分析、評估以及最終的控制。

  AOI系統涉及的問題

  在閉環系統中用于進行數據采集的AOI設備的性能非常重要,如果一個AOI系統不能迅速提供高質量數據,則其糾正效果就可能適得其反。評估一個閉環系統的AOI時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系統把合格點認作是缺陷的情況。實際生產中AOI系統的FAR應比較低以避免真正的缺陷進入到組裝過程。最近新的AOI技術如彩色影像(如圖)和自適應技術如多級分類法(MVC)等都可以在含高密度0402、0201及0.4mm間距元件的產品上降低FAR和FFR。

  精度定義為測量平均值與真實值之間的差異,它對于確保AOI系統能夠對生產過程進行準確修正非常重要。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行評估。

  另一個確定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被測元件允許公差的10%,例如在某個貼放要求為X-Y方向±100μm的0402元件上,AOI系統的重復性不應超過要求的10%或者說±10μm。這個指標也可用精度/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,因為PCB要進行100%全檢以確保沒有缺陷被遺漏。另一個重要的考慮因素是易于編程操作,因為AOI系統編程時間過長或不好使用必然會對生產造成影響。

  閉環控制

  雖然制造商使用了大量內部傳感器監控貼片機的使用情況,但卻沒有辦法監測到貼裝過程結束之后的結果,以確定出缺陷是貼裝出錯造成的還是控制不良造成的。問題的復雜性還在于表面貼裝生產線通常由多個貼片機組成,而且是不同的品牌,因此目前的企業多采用開環方式進行元件貼裝,所以缺陷通常在回流焊之后或更晚的測試階段才會被發現。

  存在的障礙

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

  前饋階段  閉環控制過程在此階段從各貼片設備采集數據,包括元件類型、位置數據、供料器號、吸嘴、貼裝頭、機器、攝像頭、視覺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用的,或者在某些系統中由于吸嘴動態配置而無法確定,所以閉環過程多采用通用數據接口然后由供應商提供專門的數據轉換。顯然閉環貼裝系統可以有助于得到有用的信息,而閉環系統中使用的貼裝設備應能提供全套相關數據,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)和變動數據(X-Y-θ位置偏差)反饋到閉環系統,變動的數據可用來更新系統數據庫,并且將AOI變量與每個設備貼裝的元件聯系起來。

  修正階段

  在此階段閉環系統對測到的數據進行分析,計算平均值、標準偏差和Cp/Cpk,并算出與測量結果相關的校正措施。對于完全閉環式控制系統,偏差糾正數據會自動送入貼片設備,用戶也可以在該階段規定機器執行的動作。這類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行修正,如果出現較大的問題例如缺件、極性錯誤或錯件時還可以中止生產。如果貼裝設備能接受遠程控制,則閉環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量,并減少在缺陷上所消耗的時間, AOI系統可以用來收集實時數據以驅動一個閉環貼片系統。閉環貼裝是實現缺陷校正自動化的第一步,這種系統能夠識別出工藝變化,并自動進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,該系統還可以實現高成品率下的大批量生產。

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