利用工艺控制手段防止缺陷

绝大部分电子设备组装线都会产生一些缺陷或错误。例如，焊料印刷机可能堆积了过量的焊料造成污染，也可能因焊料过少而不敷使用，元件取放机可能没有把元件放在适当的位置或方向不对。这些错误都降低了pcb组装的一次通过率，有时候这些缺陷在短期内就表现出来，不过大部分情况下都是过了一段时间才发生（图1）。

　　为了捕获这些缺陷，许多厂商使用自动光学检测（aoi）设备来定位问题，并由工人在组装线的末端进行修复。当厂商能够接受返修和现场故障的成本时，这个策略看起来不错，但是对于那些正在利润空间很小的市场上竞争的pcb厂商来说，这些成本是不可接受的。

　　pcb厂商更聪明的做法是使用aoi来帮助生产线经理获得定量的检测信息，他们可以利用这些信息来调整生产工艺，从而在第一时间减少缺陷。具备更低缺陷率的pcb一次通过生产可降低成本，节约时间，并可减少需要雇佣的返修人员。通过使用一个aoi系统来进行过程监控，厂商可以实现：

　　●在启动一条新生产线的时候发现将逐渐显现出来的质量问题；
　　●在现有生产线上保持高质量的生产；
　　●缩短进行改变所需的调整时间。

　　例如，经理可以使用aoi系统从100万个pcb中获取并分析数据，这些pcb是在5个月内组装的，缺陷已成十倍下降了。aoi数据可使管理人员在生产变化造成缺陷之前就实时地进行调整。这些轻微的过程纠正可以持续保持缺陷数量在一个较低的水平。

　　aoi也可以帮助生产线经理顺利地组装新型pcb，以便第一次就可以进行正确的组装。我们已经从一些经理处得知，通过获取和分析检测信息，他们顺利生产一种新型pcb的时间减少了50%。

　　发现偏移

　　为了揭示产生缺陷的根本原因并采取正确的行动，一个生产线经理必须判断缺陷的发生是随机的还是由于生产系统的问题造成的。使用aoi系统，经理可以收集定量的光学检测数据，这些数据可阐明问题的模式，发现问题的起源。

　　许多工程师都了解那些决定“接受/不接受”的光学检测质量数据，但是他们可能没有理解对变化数据的需求，这些数据来源于对焊料量、元件放置等相关信息的定量测量。为了提供有用的结果，aoi系统提供的可变数据的可重复性和精确度必须比诸如取放机这样的组装设备高出一个数量级。举例来说，一个安装了用于检测0402尺寸的表贴器件放置偏移的放置后aoi系统，必须具备100μm的精度和±1μm的可重复性。这个比例表示量具重复性和再现性（gr&r）为10%。

　　在过去的7年里，我们使用landrex technologies的optima 7200 aoi系统检测过许多公司的pcb组装工艺，分析了放置后工艺。这个分析包含了各种类型的pcb，例如应用于蜂窝电话、pc和服务器的pcb。optima 7200作为一个放置后检测系统可提供诸如元件丢失、元件错误和标签错误的质量数据。该系统也可精确测量元件的位置，提供变化数据。通过在几个不同层次对这些数据进行认真的分析，可以快速提高一次通过的pcb产能。

　　但是直到最近，许多组装pcb的公司仍然没有开始收集这类数据。数据的收集和分析需要花费时间、耐心和金钱。通常情况下，生产线经理和aoi专家花费了大量的时间来努力保持生产线的启动和运转，却几乎没有时间来收集用于后续系统分析的数据。新型的aoi系统可以提供高精度的测量，有助于生产线经理将精确的检测信息转化成更低的缺陷率和更高的利润。

　　我们的工作证明，在pcb的生产过程中使用光学检测可以减少缺陷。下面的五个例子描述了pcb厂商使用aoi来提高产能的几种途径：

　　●机器级分析。即使对aoi数据的简单分析也会发现“宏观”的缺陷模式。案例研究发现，一个生产线经理检测了3台不同的取放机组装的100万块pcb。在分析了近几个月的基于质量数据的组装缺陷后，经理发现一台贴片机造成了71%的缺陷（图2）。当生产人员调整了这台机器减少缺陷了以后，一次通过的产能提升了。在这个案例中，aoi系统跟踪了特定的缺陷类型及其起因。

　　●元件级分析。有时，pcb组装产能下降的根本原因仅仅与一小部分元件有关。在两周时间内，我们分析了一系列pcb的aoi数据。质量数据显示pcb上元件放置位置正确与错误的关系。排列图（图3）显示，有3个元件——bga封装的micro8、0805c-ct钽电容和sot晶体管emt3-x——造成了绝大部分的缺陷。当生产线经理调整了生产设备对3个元件进行了正确放置之后，pcb组装的缺陷率下降了80%。

　　●同一块板上的元件级分析。在检测中，我们收集了同一个元件位置的变化数据，生成了图3中的排列。对这些数据的分析发现了这些元件的预期位置和aoi系统实际检测到的位置之间的关系。在这个案例中，我们回顾了一种类型的pcb上所有元件的放置信息。分布图（图4）显示了预定位置和实际位置之间的差异（分布图显示，pcb的参考编号而不是封装类型）。

图表上的每一个红点表示pcb上的一个元件，每一个矩形标识表示一个特殊的元件类型。内部和外部的小圆圈分别表示4mil和8mil的生产工艺限制。从图中可以看到五种元件类型——h11、u2、j5、u4和c33——产生了绝大部分的缺陷。这些元件中的一个或多个在生产设备上实际的放置位置和预定位置之间的误差超过了8mil。

　　如果更加仔细地观察这些数据，你就会发现标号为j3、u6、u5和h115的元件在pcb组装过程中不怎么产生缺陷，因为它们的放置误差都在8mil的生产工艺控制限制以内。但是，元件放置设备将它们放在了超过预定位置4mil的位置。如果不采取任何纠正措施，这些元件的放置可能会逐渐偏移而超出8mil的限制，而导致组装缺陷。

　　图4中也显示，元件放置设备放置的大部分元件都偏离了中心。如果经理不纠正这些中心定位问题，它们很快就可能因为元件放置的偏移更加偏离中心“目标”位置，而导致生产出更多有缺陷的pcb。虽然这个图没有显示，在对几个相同的pcb的数据进行分析后，呈现出相同的变化数据“信号”，这揭示了一个系统级的生产问题。