贴片机过程能力指数Cpk的验证.docx

貼片機過程能力指數Cpk的驗證
一個測量長期精度和可靠性的新方法
戴弗.贛斯特(美)
爲貼片機作品質接受試驗(QAT, Qaulity Acceptance Test)，其中的挑戰是保證所要測量的參數可以準確代表機器的長期性能。測量必須量化和驗證X軸、Y軸和q 旋轉偏移理想貼裝位置的偏移量。一種用來驗證貼裝精度的方法使用了一種玻璃心子，它和一個“完美的”高引腳數QFP的焊盤鑲印在一起，該QFP是用來機器貼裝的(看引腳圖)。通過貼裝一個理想的元件，這裏是140引腳、0.025”腳距的QFP，攝像機和貼裝芯軸兩者的精度都可被一致地測量到。除了特定的機器性能資料外，內在的可用性、生産能力和可靠性的測量應該在多台機器的累積資料的基礎上提供。在完成預先的幹迴圈和設定步驟之後，包括變換和校準，品質接收規範(QAC, Quality Acceptance Criteria)步驟開始了。
八個階段的步驟
QAC是貼片機必須滿足的準確的性能參數。八個階段的QAC步驟中的第一步是，最初的24小時的幹迴圈，期間機器必須連續無誤地工作。
第二個階段要求元件準確地貼裝在兩個板上，每個板上包括32個140引腳的玻璃心子元件。主板上有6個全局基準點，用作機器貼裝前和視覺測量系統檢驗元件貼裝精度的參照。貼裝板的數量視乎被測試機器的特定頭和攝像機的配置而定，例如，機器有兩個貼片頭和兩個攝像機，那麽必須用總共256個元件(35,840個引腳)貼裝8塊板。這包括了貼片頭和攝像機的所有可能的組合。
用所有四個貼裝芯軸，在所有四個方向：0° , 90° , 180° , 270° 貼裝元件。跟著這個步驟，用測量系統掃描每個板，可得出任何偏移的完整列表。每個140引腳的玻璃心子包含兩個圓形基準點，相對於元件對應角的引腳佈置精度爲± 0.0001”，用於計算X、Y和q 旋轉的偏移。所有32個貼片都通過系統測量，並計算出每個貼片的偏移。這個預定的參數在X和Y方向爲± 0.003”，q 旋轉方向爲± 0.2，機器對每個元件貼裝都必須保持。
爲了通過最初的“慢跑”，貼裝在板面各個位置的32個元件都必須滿足四個測試規範：在運行時，任何貼裝位置都不能超出± 0.003”或± 0.2的規格。另外，X和Y偏移的平均值不能超過± 0.0015”，它們的標準偏移量必須在0.0006”範圍內， q 的標準偏移量必須小於或等於0.047° ，其平均偏移量小於± 0.06° ，Cpk(過程能力指數process capability index) 在所有三個量化區域都大於1.50。這轉換成最小4.5s 或最大允許大約每百萬之3.4個缺陷(dpm, defects per million)。
通常，現在實現的性能係數超過2.0的過程能力指數，或大約每十億之2個缺陷(6s 性能)。這個測量步驟允許製造商測量其生産要求得到怎樣的滿足。
累積完成後，單個的性能資料用來計算板上貼裝的所有元件的平均和標準偏移，再決定Cpk。最終的QAC總結應由測量系統提供，列出目標位置，偏移目標的量，計算出各種腳距的引腳到焊盤的覆蓋面積，單位：千分之一英寸，(圖一)
Name: David Gunster
Pattern: STD Dual
Cal#: 3
Ambient temp: 67.8
Board ID: 2
S/W level: Spec
Time: 16:03:02
Comp: 356
Spindles: All
Date: 08/08/95
Pitch: 10
Diag: off
Mach Type: GSM1
Head Type: HFH
Head Loc: Frt
PEC Information
Global Fiducials: 6 point
Specifications

UIC Tolerance
% Voverage
X, Y + - 0.0030
75% @
Theta + - 0.20
LW= Pitch* .5

PW=LW*1.25
Span = 1.5
Correction Matrix

0.999986
0.000592
-1.49735

-0.00055
0.999952
22.76718
Board #2 Data
UIC P/F
EST. % COV
VW
PL
SP
XNM
YNM
TNM
XDEV
YDEV
TDEV
X Y T MLTE
20
25
30
1
1
1
4
1
0
0
-0.0001
0.003
0.0001
100
100
100
2
5
2
6
1
0
0.0004
-0.0001
0.0357
0.0009
100
100
100
3
9
3
7
1
0
0
0.0002
0.0009
0.0002
100
100
100
4
13
4
9
1
0
0.0003
0.0000
0.0011
0.0003
100
100
100
5
3
1
4
4
180
-0.0002
-0.0003
0.0168
0.0005
100
100
100
6
7
2
6
4
180
0.0004
-0.0007
0.0666
0.0016
97
100
100
7
11
3
7
4
180
0.0001
-0.0002
0.013
0.0004
100
100
100
8
15
4
9
4
180
0.0001
-0.0002
0.0169
0.0004
100
100
100
9
2
1
4
2
90
-0.0003
0.0005
0.0562
0.0012
100
100
100
10
6
2
6
2
90
-0.0002
-0.0002
0.0709
0.0011
100
100
100
11
10
3
7
2
90
0.0001
0.0000
0.001
0.0001
100
100
100
12
14
4
9
2
90
-0.0001
0.0001
0.0061
0.0002
100
100
100
13
4
1
4
6
270
0.0001
-0.0005
0.0316
0.0009
100
100
100
14
8
2
6
6
270
0.0005
-0.0005
0.0521
0.0012
100
100
100
15
12
3
7
6
270
0.0001
-0.0001
-0.0031
0.0001
100
100
100
16
16
4
9
6
270
0.0002
-0.0001
-0.0167
0.0004
100
100
100
17
17
4
14
2
0
-0.0002
0.0001
0.0301
0.0006
100
100
100
18
18
3
1
2
0
-0.0001
0.0001
-0.0195
0.0004
100
100
100
19
19
2
1
4
0
0
-0.0001
0.0432
0.0007
100
100
100
20
20
1
14
4
0
-0.0003
-0.0001
0.014
0.0005
100
100
100
21
21
4
2
1
90
-0.0003
-0.0001
0.0243
0.0006
100
100
100
22
22
3
2
2
90
-0.0003
-0.0003
0.0214
0.0006
100
100
100
23
23
2
2
4
90
-0.0003
-0.0004
0.0637
0.0012
100
100
100
24
24
1
2
6
90
-0.0003
-0.0005
0.0116
0.0007
100
100
100
25
25
4
11
1
180
0.0002
0.0000
-0.0164
0.0004
100
100
100
26
26
3
11
2
180
0
-0.0001
0.0317
0.0005
100
100
100
27
27
2
11
4
180
-0.0002
-0.0003
0.0139
0.0005
100
100
100
28
28
1
11
6
180
-0.0003
-0.0005
0.0283
0.0009
100
100
100
29
29
4
12
1
270
0
0.0000
0.0225
0.0003
100
100
100
30
30
3
12
2
270
-0.0005
0.0000
0.011
0.0006
100
100
100
31
31
2
12
4
270
0.0001
-0.0004
0.0473
0.001
100
100
100
32
32
1
12
6
270
0
-0.0003
0.0207
0.0006
100
100
100
Summary Board #2
Parameter
N
Mean
STD DEV
MIN
MAX
CPK
X
32
-0.00003
0.00025
-0.00048
0.00053
4.00477
Y
32
-0.00016

-0.00071
0.0005
3.79266
Theta
32
0.02188

-0.01949
0.07086
2.49679
Summary run #101
Parameter
N
Mean
STD DEV
MIN
MAX
CPK
X
64
-0.00003
0.00023
-0.00048
0.00053
4.32489
Y
64
-0.00004
0.00026
-0.00071
0.0006
3.84329
Theta
64
0.02191
0.02174
-0.01949
0.07086
2.7301
Total Boards in Run: 2
圖一: Final run QAC suymmary
機器屬性運行
在機器通過這些測試後，3000個元件的機器屬性運行開始了，貼裝全部規格的標準SMD，包括：0603，0805，1206片狀，SOT23，SOIC08，PLCC44和QFP100。是生産準備運行，沒有通過/失效的標準，它允許任何送料器或其他機械部分的重置。跟蹤到的缺陷可能包括上面朝下的元件、側立或豎立的元件，偏移的元件和任何焊盤覆蓋面積小於75%的元件。
評估過程的下一步是另一個12小時的不停止幹迴圈。
接下來是第二個玻璃心子元件運行，要求一塊32個玻璃元件的板，攝像機和貼片頭，和第二階段相同的過程。(貼片板的數量由頭和相機的組合總數決定。) 再一次，爲第一個玻璃元件所建立的要求必須得到滿足，以使機器繼續QAC。
完成預定的QAC步驟後，機器必須經歷3000個元件貼裝的最後運行，只允許僅僅一個錯誤。如果不止一個貼裝錯誤，根源必須找到，並更正。在這個階段，機器的內在可用性不能低於98%。
最後的12小時幹迴圈運行，不允許任何失效。最後一個貼裝系列，要求用140引腳的QFP玻璃心元件、攝像機和貼片頭來貼裝兩塊板，用測量系統掃描所有貼裝位置，記錄資料，作出圖表。
過程能力指數
板的設計幾何形狀和要求的品質等級，決定一個給定應用中的裝配設備的性能(精度和可重復性)要求。例如，考慮以下情況，元件引腳貼放在板的焊盤上(圖二)：基於其幾何形狀，貼裝過程(只在X方向)的參數限定是焊盤上準確中心定位的引腳的 ± {Wp – Wl)/2 + C (C 的單位是0.001”)。即，當焊盤上引腳貼放位置超出+X(規定上限)或-X(規定下限)方向上的規定限值，則板被不接受。

圖二, Lead-to-pad coverage and deviation permitted
一旦決定了板的最壞情況的規定限值，設備供應者提供的統計資料可以放入下式中：
Cpk = minimum of {(USL – m ) / 3 s , (m - LSL) / 3 s }
這裏，m 和s 分別是平均和標準偏差，通過設備在許多程式驅動的試驗中得到。這些資料和一個詳細的試驗方法說明一起提供，通過該試驗方法收集資料，以保證機器性能滿足所規定的性能要求。Cpk的結果數值是和標準偏差值成比例的，這個標準偏差值落在分佈平均值和最近的規定上和下限之間。Cpk是重要的，因爲它傳達了給定貼裝精度上的規定的缺陷率(圖三)。

圖三, The distribution of deviation from normal X, Y and Theta.
支援服務
給客戶提供支援服務，對設備製造商是必須的，同樣提供保持通訊線開放的責任感，以得到機器的準確的、可理解的資訊。爲了滿足知情的需求，應該在發貨時提供完整的機器性能說明文件，應該包括含有所有在QAC測試期間收集的機器規格資料的表格，以及解釋術語和收集資訊類型的文件。
爲了幫助顧客明白QAC過程和提供解答有關設備的技術問題的聯繫地址，文件中也必須包括直接參與QAC評估的人名及簽字。
除這些資訊之外，操作、中斷、失效和總計修理時間加上總計貼片數量、貼片錯誤數量、內在可用性、內在生産量和在各PPM水平下的貼片性能、完整的技術術語解釋和統計關係的定義等也在機器性能文件包中。
最後，提供設備長期處理性能的良好前景，以及設備製造商維持內部製造程序控制的能力，最新70台機器的歷史資料也應提供。這個資訊可以用以計算失效之間的、中斷之間的、停機之間的平均時間，作爲一個延續的平均。70台機器的資料可使總計貼片數從10,000+增加到500,000+，産生相關的累積效益。事實上，這些爲機器性能和設備製造商的內部測量過程提供了一個長期的跟蹤過程。
結論
和PCB裝配關聯的要求變得越來越強烈。由於過程的複雜性增加，和元件類型的範圍變廣，貼片機性能必須在所有方面越來越精密。以可理解的方式收集和提供機器性能資料是夥伴合作過程的關鍵部分。測量本身只能解答問題的某方面；適當地解釋和應用結果可達到完全的理解。