SMT工艺与质量分析研究剖析.doc

SMT工艺与质量分析研究姓名：XXX 学号:10001xxxxx 微电子制造工程（桂林电子科技大学 机电工程学院 广西桂林 541004）摘要：本文借助于在生产线实习期间的观察和学习的SMT贴装设备的结构设计和主要工艺流程。贴装设备的工艺对整个SMT的生产质量起着至关重要的作用。若此处发生缺陷而不能及时或有效的改善则可能导致整个生产工艺的问题甚至企业的重大损失。因此必须对贴装工艺的流程与质量进行深入研究，以提高SMT工艺的生产效率和降低生产成本。论文主要探讨了SMT的贴装设备的结构原理和生产工艺流程、贴装工艺中常见的一系列质量问题的引发因素以及如何从生产工艺和生产管理两个方面有效的改善和优化进行了研究和分析。关键词：贴片设备；工作流程；缺陷；组合检测技术SMT placement process and placement quality analysis(College of mechanical and electrical engineering Guilin University of Electronic Technology Guilin 541004 )Abstract: In this paper, by means of observation of the structural design of the production line during practice and learning SMT placement equipment and the main process. Process mount equipment on the entire SMT production quality plays a vital role. If defects occur here or not timely and effective improvements could result in significant losses of the entire production process and even businesses. Therefore, the process must be carried out in-depth study of the placement process and quality in order to improve production efficiency and SMT technology to reduce production costs.Paper mainly discusses the principles and structure of the production process of SMT placement equipment, triggering factor common placement process and how a series of quality problems from the production process and production management both effective improvement and optimization of research and analysis.Keywords: SMT equipment; work processes; defects; Combination of detection technology1 绪论随着电子信息产业的迅速发展，SMT技术已经成为电子组装技术中不可或缺的一部分。SMT技术是指将表面贴装的电子组件，直接焊接于印刷电路底版的表面上，与传统插装工艺不同,SMT工艺的元件及焊点均在同一表面上。并具有微型化、大规模化、自动化的优点。当今绝大部分现代工业中的电器，电子产品都离不开SMT技术的应用。而贴装工艺更是SMT工序中不可或缺的一道。贴片机的组主要作用是将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置上。位于SMT生产线中印刷机的后面，一般为高速机和泛用机按照生产需求搭配使用。 然而在SMT生产过程中往往会遇到很多问题，包括设备问题和工艺问题，设备问题可以用买入新机器的方法来解决。而工艺问题往往复杂和多样化。在生产过程中，可以通过对贴装设备、贴装前准备、贴装过程的操作进行优化来达到提高质量的要求，工艺的优化不仅能大大的提高生产效率和产品质量，同时降低了成本，创造了更大价值。是大多数企业不断努力的方向。本论文着重对SMT中贴装工艺重点分析，叙述贴装工艺造成的产品质量问题和原因分析以及如何用一些方法优化贴装工艺提高产品质量，降低成本等。2 贴装工艺原理及设备简介2.1贴装设备基本结构（1）机架 常见的机架有整体铸造式和焊接式。（2）供料器 供料器系统主要由供料器、装载及运送机构组成。（3）贴装头 是贴装机进行贴装和取料动作的主要部分。通过贴装头部分各个结构之间的良好配合，完成拾取和贴装元器件，以及将错误的元件抛到废料收集盒中。（4）PCB定位装置在PCB装载入机器前确定PCB的原点位置与机器一致，从而通过坐标系的变换得到正确的贴装位置。（5）元器件对中装置 通过摄像机视觉定位等方式找出元件的集合尺寸、特征、中心、等数据，以修正控制通过控制系统的数据对元件方向及转角的偏差进行修正。（6）软件及系统一般各工厂均有自己的编程方式。可以自己编写软件或购买专业的离线软件，设备厂家也会自带编程软件。有支持DOS,OS/2，APPLE OS,WINDOWS,WINDOWS NT,UNIX等操作系统的贴片机设备软件。2.2自动贴装原理贴片机的主要任务就是拾取元器件和贴装元器件，通过程序员对所要生产产品的PCB和根据机器的性能指标进行编程从而将正确的元器件贴放到正确的位置。供料器和PCB板是固定的，贴装头供送料器与PCB板之间移动，将元件从送供器中拾取，经过对元件位置与方向的调整，然后贴放于基板上。2.2.1 PCB基准校准原理自动贴装机贴装时，元器件的贴装坐标是以PCB的某一顶角为原点计算。而PCB加工时多少存在一些误差，因此贴装时必须对PCB进行基准校准。基准校准采用基准标志（MARK）和贴装机的光学对中系统进行。2.2.2 视觉对中原理贴装前会给每种元器件照一个标准图像存入图像库中，铁装饰每拾取一个元器件都会进行照下并与该元器件在图像库中的标准图像比较是否正确，如果不正确，则会判断该元器件的型号错误，会根据程序设置的抛弃元器件若干次后报警停机。或者将引脚变形和共面性不合格的器件识别出来并送至程序指定的抛料位置。也可以比较该元器件拾取后的中心坐标、转角与标准图像时候一致，如果偏移。则回自动根据偏移量修正贴装位置。2.3 贴片机工作流程图1 贴装工艺流程图（1）基板定位PCB板经贴装机轨道到达停板位置时，通过相机找到PCB板上两个识别的位置然后计算出贴装的准确位置，保证贴装的准确性以使顺利、稳定、准确停板。（2）元件送料由供料器提供贴装时所需的元件来完成（3）拾取元件贴装头从送料器拾取元件（4）元件定位通过机械或光学方式确定元件的集合中心，由机器计算出贴装位置，确保贴装时元件对应到贴装位置坐标是元件的中心元件位置，以保证准确贴装。（5）贴装贴装头拾取元件后把元件准确、完整的贴放到PCB板上3 贴装质量分析3.1 常见贴装缺陷3.1.1 偏移图2 偏移现象现象：元器件偏离焊盘（横面偏离不超过25%，端面不能偏离），产生原因：（1）高度问题如果PCB再贴片机中得不到适当的支撑，它就会下沉，这样PCB表面高度就会低于贴片机的轴零点，导致元件在PCB略高的位置就释放，导致原件释放不准确。（2）吸嘴问题吸嘴端部磨损、堵塞或粘有异物或贴装吸嘴吸着气压过低导致的贴装吸嘴吸着气压过低。贴装吸嘴上升或旋转运动不平滑，较为迟缓，导致吹气时序与贴装头下降时序不匹配。工作台的平行度及或吸嘴原点检测不良引起的等问题引起偏移。（3）程序问题程序参数设置不良，吸嘴的中心数据、光学识别系统的摄像机的初始数据设值精确度不够。改善途径：（1）检查贴片机的导轨是否有变形，PCB的放置是否平稳正确。（2）定期检查和清理吸嘴，对易磨损的部件进行维护并着重润滑保养。调试工作台和吸嘴的原点检测。（3）校正程序，使数据库参数和识别系统的识别参数一致。并对贴装工序的贴片、印刷结果进行及时检查。 3.1.2 缺件图3 缺件现象现象：元器件在贴片位置丢失。产生原因：（1）气源漏气、堵塞问题橡胶气管老化、破裂，密封件老化、磨损以及吸嘴长时间使用后磨损等问题造成气源回路泄压。或废屑粉尘等造成吸嘴堵塞使得贴片头无法成功拾取元件。（2）厚度设置问题元器件或PCB的厚度设置错误，若元件或PCB较薄，而数据库中设置较厚，那么吸嘴在贴片时，元器件未到达PCB焊盘位置就将其放下，而PCB又在移动中，由于惯性作用会导致飞件（3）PCB板问题如PCB板曲翘度超出设备允许误差。或支撑销元器件编带放置不当，支撑销的摆放不均匀、高度不一致，工作台支撑平台平面度不良等问题使印制板支撑不平整，也会导致飞件。改善途径：（1）定期检查吸嘴是否洁净。加大对吸嘴的取件情况监控的力度，查出导致气源问题的损坏部件并及时更换，以保证良好的状态。 （2）厚度设置问题将厚度数据库参数更改至合适的设置。更换合适的编带。（3）PCB板问题检查前段工序的PCB板是否符合质量要求，重新放置重新放置PCB和编带。检查工作平台是否达到生产要求并作出合理的调整和改善。3.1.3 抛料现象：生产过程中吸到料之后不贴而是放到料盒或其它地方。或者没有到料就执行动作。出现原因：（1）吸嘴问题由吸嘴变形、堵塞、破损等问题有可能引起气压不足、漏气、取料不起或不正、识别无法通过等诸多问题。（2）识别系统问题识别系统视觉的不良。光学摄像系统的光源在使用一段时间后，光照强度会逐渐下降，同时也会造成灰度值的减小，当光源强度和灰度值达不到要求时，图像就会无法识别。或镭射头处有杂物干扰识别。也有识别系统已损坏的可能（3）程序设定问题编辑的程序与元件参数的设置是否符合。取料必须在料的中心位置，若取料高度不正确，或取料偏移、取料不正等问题会导致识别系统和对应的数据参数不符造成无法被识别系统识别而当做无效料抛弃。，或所编辑程序中的元件参数设置与来料实物亮度或尺寸等参数设置不符会造成无法通过识别而抛弃元件（4）供料器问题供料器由于长时间的使用或操作工操作不当，会造成供料器驱动部分的磨损或结构变形。棘爪会不断磨损，若棘爪磨损严重会造成棘爪不能驱动卷带盘塑料带正常剥离，使得吸嘴不能正常完成取件工作。若供料器位置变形、供料器进料不良（如供料器棘齿轮损坏，料带孔没有卡在供料器的棘齿轮上，供料器下方有异物，弹簧老化，或电气不良），下放有异物（5）来料问题来料或元件引脚不规则、不合格等问题也会造成无法识别而抛料。改善途径：（1）做好吸嘴的取件情况的监控。对堵塞或取件不良的吸嘴应及时清洗或更换，以保证良好的状态。在安装吸嘴时，必须保证正确、牢固的安装。（2）定期清洁擦拭识别系统的镜头、玻璃片以及反光板上的灰尘与器件污物以保持干净无杂物沾污和防止因灰尘或器件影响光源强度。定期进行校正检测，如重新示校和调整光圈焦距。当光源光强度弱到无法识别器件时，只能更换光源。（3）安装共料器时应正确、牢固地安装到供料部平台上。在安装编带前应仔细检查供料器的棘爪轮是否已磨损并进行修复，若不能修复应及时更换。做好对供料器的清洁、清洗、加油润滑等日常的维护与保养。（4）对来料进行严格的筛选和检测，以防使用错误的物料。（5）必须正确设置摄像机的有关初始数据。若有误需修改程序及取料位置等元件参数。3.2 贴装质量提高方法3.2.1 贴装前准备根据产品工艺文件的贴装明细表领取PCB和元器件并认真核对，元器件本身的尺寸、形状、颜色是否一致。开机前做好安全检查，压缩起空气源气压是否达到设备要求，检查并确保导轨、贴装头、吸嘴库托盘架周围或移动范围内是否有杂物。必须按照设备安全技术操作规范开机。3.2.2 首件贴装后进行严格检查检查各位号上的元器件规格、方向、极性、是否与工艺文件相符；元件、引脚、有无损坏或变形；元器件的贴装位置偏离焊盘是否超出允许范围。通常按照单位定制的企业标准来判定。3.2.3 首件试贴结果的检验和调整若PCB上的元器件贴装位置有偏移，硬通过修正PCB MARK点的坐标值来校准，把PCB MARK点的坐标向元器件偏移方向移动，移动量与元器件贴装位置偏移量相等。也可通过摄像机重新照出正确的坐标。若拾取失败，说明拾取高度不合适，元件厚度设置不正确，拾取坐标错误，检查后按实际值调整修正。检查吸嘴是否堵塞、不干净，或端面磨损、有裂纹，应及时清洗或更换吸嘴。吸嘴太大可能造成漏气，吸嘴太小会造成吸力不够等，根据元器件尺寸和重量选择合适的吸嘴型号。检查气路是否漏气，及时增加或疏通气压。检查图像处理是否正确，如不正确，则可能频繁弃片，应重新拍摄图像。4 贴装生产管理4.1 贴片机维护管理在生产过程中及前后，必须确认贴片机的工作性能，以需要随时监控贴片机的主性能指标、操作软件、机械和气源的状况是否正常并进行日常的维护和及时的维修。4.1.1贴片机主要性能指标（1）指示灯、按键、操作模块外观完成，操作、显示正常；（2）计算机系统工作正常。（3）输入输出系统工作正常。4.1.2机械部件（1）各传动导轨、丝杠运转平稳协调，无杂音、漏油等异常现象。（2）各传送皮带、链条、连接销杆完整，检查是否有老化、损坏现象。4.1.3气源系统（1）压缩空气的干燥过滤装置齐全完好（2）驱动汽缸。、电磁阀及配管、连接件无杂物堵塞，无松动或破损漏气。驱动汽缸及电磁阀工作正常，无杂音异常。4.2 通过质量管理提高贴装质量除了生产设备和生产工艺的优化，依靠靠科学的管理方法提高生产管理和品质控制、人员和物料等的管理以实现优质、高效、低耗的生产。利用基础管理使性能优良的设备创造更大的利润和价值，是企业追求的目标。4.2.1 质量流程管理与贴装质量生产中难免常遇到工艺缺陷。有可能是设计不合理、来料不规格不符、设备故障或操作员失误等诸多因素。来料引起的质量问题一般是来料的选择、采购和储存不规范，说明企业技术员和设计人员缺乏良好的对材料工艺性好坏判断能力，这些误判也许是技术员的知识不足或粗心大意。采购时应对物料进行严格筛选和检测，保证元件的规格正确、功能正常、外观引脚等部位良好无破损。设备故障则可能是因为操作员及时的发现问题及进行日常的设备检测。应提高人力资源管理的质量，如建立定期的员工培训制度，提高员工素质。员工是企业生产与发展的根本所在。因此必须注重员工队伍的技能培训与思想观念的培训，学习如何熟练、正确地操作设备，正确安装、使用供料器，定时维护、保养设备、才能有效地保证产品质量，降低物耗，避免发生重复性问题，提高生产效率。选择正确的编程方式。生产部门的负责人可以通过采用不同的变成方式来应对不同的生产方案。必须考虑解决方案对生产效率、生产线使用的安排、PCB价格、工艺控制、缺陷率水平、供应商管理、设备成本以及存货管理会带来何种影响。4.2.2 质量过程管理与贴装质量质量问题除了和设计、工艺、材料有关，也和过程控制有关。这关系到工艺工程师对生产过程进行的准备、执行和检测，还有操作员是否按照规范的方式来操作设备。应建立对设备的定期维护保养计划。实行预防性能故障及维护与检修，从而减少设备因临时故障面停机的时间和造成的损失。设立健全的设备运行和维修档案，分析和记录设备故障发生的现象、过程、原因。及设备更换的周期和导致因素，并研究更完善的处理方式以此降低生产成本。也可以借助一些综合性软件或可执行的制造规程来进行优化和改进。把产品跟踪、性能分析、质量分析及可追溯性落实确认，并贯穿于成个工艺流程，完善整个提高生产质量的解决方案。4.3.3 组合检测技术要成功的利用测试和检验做为过程控制的方法，制造商首先必须认识到测试和检验是产品成功的重要保证。每种检测技术都有各自的检测域，而且检测域有一定的交集，没有一种检测手段是万能的。在实际 SMT 产品质量检测中，应根据不同应用情况、检测技术的优缺点和发现缺陷的能力，进行合理选择与有机组合，通过互补性测试覆盖全部产品范围，这样才能把产品缺陷降最低程度。为此在了解工艺、检测设备、外购元件质量、产品要求、成和用户需求的基础上，目前开发出的 QMS(质量和测试模拟系统)，可以将各种测试加以比较，以决定用户策略。 例如有 7 个 BGA 封装， 9 个细间距 QFP， 1505 个芯片， 总焊点 10731 个， 1714个元件。实践中总结出来的几种检测策略为： (1)人工AOIICTFT； (2)人工AXIICTFT；(3)AOIAXIICTFT。QMS 使用的是第二种方案。此外，需要用环境应力筛选/屏蔽(ESS)或热冲击测试来进行制造过程可靠性评估。综上所述，在保证产品质量的过程中，检测技术的组合策略最好与分析和建模工具FMEA(失效模型效果分析)、成品率预测建模工具一起使用，这样才能做得更完美，可保证产品质量，又能充分利用资源，减少测试和调试。图4 AOI后的工艺流程5.总 结随着电子技术的发展，对SMT制造工艺的要求也不断提高，电子设备和贴装技术是互相推动着新的发展的关系。但SMT的工艺缺陷不仅会降低产品质量，降低生产效率，提高生产成本，甚至可能造成不必要的损失。因此，研究如何提高SMT制造工艺的质量具有重要意义。首先需要深入调查了解造成其缺陷的原因，这些缺陷大多是可避免或弥补的，其次应该从工艺流程上进行优化，这需要技术员和工程师的深入分析和妥善解决。然后可以从设备、环境方面改进，如在计算好盈利的情况下考虑更换或增添先进的新设备，从而提高生产工艺效率和质量，以及营造适合设备运行的车间环境。最后要从管理上入手，通过培训及监管提高员工素质和能力，从而减少人为造成生产失误的概率。参考文献1 贾忠中，SMT工艺质量控制M. 电子工业出版社，2007.2 张文典，实用表面组装技术M. 电子工业出版社，2006.3 李朝林，徐少明，SMT制程M. 天津大学出版社，2009.4 周德俭，吴兆华，表面组装工艺技术M. 国防工业出版社，2009.5 王行乾. 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