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在SMD贴装工艺中取得长久稳定性

By Günter Schiebel
　　 本文简明描述MCT工艺和贴装精度基础原理。然后介绍一个专门校正方法，该方法许可贴装精度测试，以帮助满足今天迫切市场需求。
　　当今产品普遍趋势是小型化，同时又要增加性能和降低成本，这不可避免地造成在SMT全部领域中更大工艺开发。比如，高性能贴装系统用户期望供给商有新发展，从而能够大大增加贴装产量，同时又提升贴装精度。就贴装最关键方面：贴装精度而言，用户全部期望所要求设备参数值能够维持几年不变。这些要求值通常作为机器能力测试(MCT, machine capability test)一部分，在供给商自己地方为贴装机器用户进行检验。
MCT工艺
　　贴装系统标准偏差和标称值平均值偏差，是贴装精度两个关键变量，作为MCT一部分进行测量。MCT是以下列步骤进行：首先，将某个最少数量玻璃元件贴装在一块玻璃板上粘性薄膜上。然后使用一部高精度测量机器来测定全部贴装玻璃元件在X，Y和θ上贴装偏差。测量机器然后计算在相关位置轴X，Y和θ上贴装偏移(标称值平均值偏差)。
　　在图一中以图形代表MCT结果得到以下关键贴装精度值：
标准偏差 = 8 µm
贴装偏移 = 6 µm

图一、MCT结果图形表示
　　通常，我们能够估计贴装偏差符合正态高斯分布，许可变换到更宽统计基数，如3或4σ。对于常常使用统计基数，上述指定贴装系统含有32µm精度。
　　将导出精度和所要求公差极限相比较，则可评定机器对于一个特殊要求可适用性。机器能力指数(cmk, machine capability index)已经被证实是最适合这一点。它通常见来评定机器工艺能力(process capability)。
　　一旦上限(USL, upper specification limit)和下限(LSL, lower specification limit)已经定义，cmk可用来计算贴装精度。
　　因为极限值通常是对称，我们能够用简化规格极限SL=USL=-LSL进行计算，图一所表示。
cmk=
规格极限-贴装偏移

3x标准偏差
=
3SL-µ

3σ
　　以下cmk结果是针对图一所提出条件和用户所定义50µm规格极限。
cmk=
SL-µ

3σ
=
(50-6)µm

24µm
=1.83
　　所以，cmk评定贴装位置相对于三倍标准偏差值分散和平均偏差(贴装偏移)。
　　在实际中，我们怎样处理统计变量σ、cmk和百万缺点率(DPM, defects per million)？在今天电子制造中，期望cmk要大于1.33，甚至还大得多。1.33cmk也显示已经达成4σ工艺能力。6σ工艺能力，是今天常常看到一个要求，意味着cmk必需最少为2.66。在电子生产中，DPM使用是有实际理由，因为每一个缺点全部产生成本。统计基数3、4、5、6σ和对应百万缺点率(DPM)之间关系以下：
3σ = 2,700 DPM
4σ = 60 DPM
5σ = 0.6 DPM
6σ = 0.002DPM
　　这里是其使用一个实际例子：在一个要求最大封装密度应用中(如，移动电话)，对于0201元件贴装精度要求可能是75µm。
　　第一个情况：我们依靠供给商所要求75µm/4σ贴装精度。在这种情况中，我们期望在一百万个贴装中，不多于60个将超出±75µm窗口。
　　第二种情况：MCT基于某一规格极限产生1.45cmk。因为1.33cmk正确地定义一个4σ工艺，我们能够估计得到因为贴装偏差产生缺点率低于60 DPM。
贴装偏移优化
　　在SMT生产工艺中，假如怀疑在印刷电路板上整个贴装特征因为外部机械影响而已经在一个特定方向移动太多，那么贴装设备必需重新校正。所以这个贴装偏移必需尽可能地降低。有大量贴装系统表面贴装元件(SMD)电子制造商以类似于MCT方法进行贴装偏移优化，并使用其它测量机器。在相关位置轴X、Y和θ上得到贴装偏移结果手工地输入到贴装系统，用于赔偿目标。
　　下面描述是结合在贴装机器内一个贴装偏移优化方法。
　　这里想法是要在贴装系统上许可运行一个类似测量程序，该程序通常是MCT一部分。目标是，机器找出在X、Y和θ上贴装偏移，然后以一个不再发生偏移方法使用。
　　整个过程是按以下进行：尽可能最大数量(如48)玻璃元件使用双面胶带贴装在玻璃板上。每一个玻璃元件在其外边缘上全部有参考标识。在板上也有参考标识，紧邻元件参考标识(图二)。

图二、找出贴装偏移原理
　　在贴装以后，用PCB相机立即拍出板上和元件上对应参考标识四张连续照片。然后把经过评定程序计算出和用户接收X、Y和θ贴装偏移传送到相关机器数据存放区域。再没有必需使用传统手工位移输入。因为该集成方法使用了相对测量而不是绝对测量，位置精度和贴装系统动态反应不会反过来影响结果质量。只有PCB相机图象分辨率和质量才是关键。所以这个所描述专利方法含有测量机器特征。
　　下面例子显示1.33cmk能够怎样使用集成贴装偏移优化来提升至1.92。
　　假设以下初始条件：
　　SL = 50 µm
　　标准偏差 = 8 µm
　　贴装偏移 = 18 µm
　　原始 cmk:
cmk=
SL-µm

3σ
=
(50-18)µm

24µm
=1.33

图三、贴装偏移优化图形表示
　　将贴装偏移降低到，比如说，4µm图三所表示，那么cmk值将有很大改善。
　　贴装偏移优化以后cmk：
cmk=
SL-µm

3σ
=
(50-4)µm

24µm
=1.92
　　安装在生产线中贴片机能够升级到尽可能最高贴装精度，而不需要复杂、昂贵和通常难买到测量机器。或多或少经过简单按下优化过程按钮，该贴装系统就转换成一部高精度测量机器。