【干货】深度解析如何检验SMT贴片机的贴装精度(CPK)，你值得拥有！

                                                                                                   





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为贴片机作品质接受试验(QAT, Qaulity Acceptance Test)，其中的挑战是保证所要测量的参数可以准确代表机器的长期性能。测量必须量化和验证X轴、Y轴和Q旋转偏移理想贴装位置的偏移量。一种用来验证贴装精度的方法使用了一种玻璃心子，它和一个“完美的”高引脚数QFP的焊盘镶印在一起，该QFP是用来机器贴装的(看引脚图)。通过贴装一个理想的元件，这里是140引脚、0.025”脚距的QFP，摄像机和贴装芯轴两者的精度都可被一致地测量到。除了特定的机器性能数据外，内在的可用性、生产能力和可靠性的测量应该在多台机器的累积数据的基础上提供。在完成预先的干循环和设定步骤之后，包括变换和校准，品质接收规范(QAC, Quality Acceptance Criteria)步骤开始了。
精度的测定在贴片机出厂检验和机器在最终使用者的现场安装后都会发生，但由于受测试条件的限制，测试的方法略有不同。
　　（1）贴片机出厂前的检验和精度验证
　　在贴片机的生产厂里，负责质量和可靠性的部门会在贴片机组装完成后、机器出厂前对贴片机进行一系列的检验和验收，来保证贴片机能够达到机器规格中的质量标准。一般出厂检验分为4个阶段：
　　1）元件试贴
　　在所有的组装工作包括软件的组装（Assembly）和机器的校正（Calibration）完成后，机器会先进行元件的试贴。负责机器检验的人员会现将试贴用的程序加载到机器中，将试贴用的送料器和元器件安装到机器上，然后运行机器试贴元件以验证机器的各个功能。试贴的产品包括一些无源元件和有源元件，如0402，0603，0805，1206，S0T23，S0T89，PLC20，S024，QFP100和BGA225等（如图1所示），可以测试机器的所有功能。
　　2）空转运行
　　机器运行空转模式（Dry Cycle），可以用与元件试贴时相同的程序。空转运行至少需要40 h以上，不能发生间断，以确保机器机械和电气部件的稳定。
　　3）元件贴装的修正
　　机器在校正时只是检查并修正机器的硬件，如各贴装轴、下视相机、上视相机之间的相对位置和各相机的放大倍数以及焦距和灯光的明暗等，而对元件的多次贴装实际位置和设定位置之间的综合平均值还存在一定的偏差。元件贴装的修正（Trim）可以补正贴装头各贴装轴贴装的综合偏差，使机器的贴装精度和能力进一步的提高，从而达到表面元件贴装性能的长期稳定。

图1 测试线路板
　　元件贴装的修正一般方法是将一些标准元件按照每个贴装轴在4个贴装方向（0°，90°，180°和270°）上各贴装两个元件，然后通过机器的下视相机或者坐标检测机器（CMM）来对各个贴装元件的位置进行检测，通过计算得出各个贴装轴各个方向上的综合偏差，再补偿到贴装轴的参数中。
　　为了使线路板和元件的影响因素降低到最小，一般都采用玻璃基板来作为线路板。该玻璃基板的长宽为400 mm×200 mm，4边和背面用金属加固以防破损，在玻璃基板的上刻印着一些固定的圆点作为校正和参考基准点（如图2所示）。

图2 贴装修正玻璃基板
　　当用在多功能贴片机的贴装修正时，元件采用相当于QFP100（Pitch＝O.5 mm）的玻璃标准片，玻璃标准片上的四周各有一个基准点作为贴装位置的识别（如图3所示）。玻璃基板将会预先贴上双面胶带。如果贴装头有7只贴装轴，每个贴装轴在4个方向上各贴装两个元件，那么总共贴装56个元件（如图4所示）。


图3 QFP100玻璃标谁元件

图4 贴装修正QFP100元件分布
　　当用在高速贴片机的贴装修正时，元件采用外形较好的0201预先贴上双面胶带。如果贴装头有30只贴装轴，每个贴装轴在件，那么总共贴装240个元件（如图5所示）。

图5 贴装修正0201元件分布
　　当标准元件贴装完毕后，运行贴装检验程序，并指定贴片机的配置和标准元件的型号。机器的下视相机将先识别玻璃基板上的6个基准点来确定玻璃基板的位置，然后再识别每一个玻璃标准片上对角的两个基准点或0201元件的对角。通过计算每个标准元件上两个点的位置，可以得到这个标准元件的贴装位置X和y方向的偏差和角度的偏差，如图6所示。

图6 玻璃标准元件的偏差计算
　　对于同一个贴装轴，在同一个方向上所贴的两个标准元件偏差的平均值就是这个贴装轴在这个方向上的偏差。在所有的标准元件的位置检验完后，软件将会自动计算，将各贴装轴的偏差补偿到贴装轴的参数当中。

累积完成后，单个的性能资料用来计算板上贴装的所有元件的平均和标准偏移，再决定Cpk。最终的QAC总结应由测量系统提供，列出目标位置，偏移目标的量，计算出各种脚距的引脚到焊盘的覆盖面积，单位：千分之一英寸，(图七)





在机器通过这些测试后，3000个元件的机器属性运行开始了，贴装全部规格的标准SMD，包括：0603，0805，1206片状，SOT23，SOIC08，PLCC44和QFP100。是生产准备运行，没有通过/失效的标准，它允许任何送料器或其它机械部分的重置。跟踪到的缺陷可能包括上面朝下的元件、侧立或竖立的元件，偏移的元件和任何焊盘覆盖面积小于75%的元件。评估过程的下一步是另一个12小时的不停止干循环。接下来是第二个玻璃心子元件运行，要求一块32个玻璃元件的板，摄像机和贴片头，和第二阶段相同的过程。(贴片板的数量由头和相机的组合总数决定。) 再一次，为第一个玻璃元件所建立的要求必须得到满足，以使机器继续QAC。完成预定的QAC步骤后，机器必须经历3000个元件贴装的最后运行，只允许仅仅一个错误。如果不止一个贴装错误，根源必须找到，并更正。在这个阶段，机器的内在可用性不能低于98%。最后的12小时干循环运行，不允许任何失效。最后一个贴装系列，要求用140引脚的QFP玻璃心元件、摄像机和贴片头来贴装两块板，用测量系统扫描所有贴装位置，记录数据，作出图表。过程能力指数板的设计几何形状和要求的品质等级，决定一个给定应用中的装配设备的性能(精度和可重复性)要求。例如，考虑以下情况，元件引脚贴放在板的焊盘上：基于其几何形状，贴装过程(只在X方向)的参数限定是焊盘上准确中心定位的引脚的 ± {Wp – Wl)/2 + C (C 的单位是0.001”)。即，当焊盘上引脚贴放位置超出+X(规定上限)或-X(规定下限)方向上的规定限值，则板被不接受。
一旦决定了板的最坏情况的规定限值，设备供应者提供的统计数据可以放入下式中：Cpk = minimum of {(USL – m ) / 3 s , (m – LSL) / 3 s }这里，m 和s 分别是平均和标准偏差，通过设备在许多程序驱动的试验中得到。这些数据和一个详细的试验方法说明一起提供，通过该试验方法收集数据，以保证机器性能满足所规定的性能要求。Cpk的结果数值是和标准偏差值成比例的，这个标准偏差值落在分布平均值和最近的规定上和下限之间。Cpk是重要的，因为它传达了给定贴装精度上的规定的缺陷率
支持服务给客户提供支持服务，对设备制造商是必须的，同样提供保持通讯线开放的责任感，以得到机器的准确的、可理解的信息。为了满足知情的需求，应该在发货时提供完整的机器性能说明文件，应该包括含有所有在QAC测试期间收集的机器规格数据的表格，以及解释术语和收集信息类型的文件。为了帮助顾客明白QAC过程和提供解答有关设备的技术问题的联系地址，文件中也必须包括直接参与QAC评估的人名及签字。除这些信息之外，操作、中断、失效和总计修理时间加上总计贴片数量、贴片错误数量、内在可用性、内在生产量和在各PPM水平下的贴片性能、完整的技术术语解释和统计关系的定义等也在机器性能文件包中。最后，提供设备长期处理性能的良好前景，以及设备制造商维持内部制造过程控制的能力，最新70台机器的历史数据也应提供。这个信息可以用以计算失效之间的、中断之间的、停机之间的平均时间，作为一个延续的平均。70台机器的数据可使总计贴片数从10,000+增加到500,000+，产生相关的累积效益。事实上，这些为机器性能和设备制造商的内部测量过程提供了一个长期的跟踪过程。
结论和PCB装配关联的要求变得越来越强烈。由于过程的复杂性增加，和元件类型的范围变广，贴片机性能必须在所有方面越来越精密。以可理解的方式收集和提供机器性能数据是伙伴合作过程的关键部分。测量本身只能解答问题的某方面；适当地解释和应用结果可达到完全的理解。



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