李雙龍(天水華天，甘肅天水 741000)

摘要：現代檢測系統如何進行組裝缺陷檢查，PCBA組裝缺陷產生根源剖析及測量系統的6Sigma探索。

關鍵詞：PCBA；6Sigma；自動光學圖象檢測

中圖分類號：TN305．94 文獻標識碼：A

1 前言

組裝缺陷如何產生?為什么組裝線生產的PCBA一些功能滿足要求，而另一些卻因多處組裝錯誤而無休止地返工和返修?組裝質量不同批次為何存在差異?更重要的是，從這些變異我們應獲得哪些經驗，在PCBA組裝中應采取什么措施來排除變異。

上述問題便是6 Sigma生產的溯源，Sigma是希臘字母，描述任一過程參數的平均值的分布或離散程度，即標準偏差。6 Sigma是運用統計技術，通過對過程能力的測量，確定過程所處的狀態(tài)，再通過比較分析，找出影響過程能力的主要變量，用過程優(yōu)化方法找出其變化規(guī)律，再對其予以消除或控制，通過連續(xù)的測量—分析—改善—控制循環(huán)，使過程能力不斷提高并最終達到或超過6 Sigma水平。^[1]

2 6 Sigma和PCBA組裝

變異性指對產品質量有潛在負面影響的任何變異。PCB設計要綜合考慮其電學和機械性能可靠性，如元器件焊盤設計允差、焊盤圖形設計等。
其次，組裝PCBA用元器件和材料的外形尺寸、質量等對組裝質量也會產生影響。最后，組裝制程自身的變異也會影響PCBA組裝質量。

在PcBA組裝中，變異是“敵人”。將設計和材料等變異明顯根源排除后，余下的便是用PCB板、元器件、錫膏等制造PCBA制程自身的變異。

屬性數據代表因制程變異產生的不容懷疑的、固定的缺陷，屬性數據通常為是／否，好／壞，I／O類型的數據。變量數據記錄制程變異程度，不直接表明為缺陷，為數字型、測量型等必須記錄且與屬性數據、不容懷疑的缺陷或缺陷產生概率等相聯系的數據。

屬性數據檢查是觀察不可接受變異存在與否的首選辦法，屬性數據的特征和頻率與變異產生的根源有關。缺陷通常在在線測試(ICT)、功能測試(FBT)、自動光學圖像分析(AOI)或人工外觀檢查(MVI)或其它辦法檢查PCBA時發(fā)現。

PCBA制造過程中的一些變異是不可避免的、需預先采取措施防止其發(fā)生，稱為“可接受制程變異(APV)”。APV通常是組裝過程允差或元器件、原材料等存在的可接受的機械差異。APV產生變量數據，但并不變?yōu)樽罱K產品缺陷產生的根源，如因APV而產生不容懷疑的缺陷或固定缺陷，
則必須對設計或制造問題進行先期完善。

不可接受制程變異(UPV)是指那些未檢測到、必然導致缺陷產生或缺陷產生概率極大的變異。今理的制程應接受APV，檢測和剔除UPV。6 Sigma用來定義將APV與UPV區(qū)分的方法及必要誤差。

為識別變異并對變異及其產生缺陷提供連續(xù)測量，我們必須了解實際生產PCBA時變量數據和屬性數據的來源。為了實施測量，對PCBA生產中測
量變量數據和屬性數據的測量機理需要了解。屬性數據測試是目前PCBA生產中檢查和測試的關鍵，現代PcBA組裝工廠通常配備自動光學圖像分析(AOI)、在線測試儀(ICT)、功能測試儀等現代檢測系統，對缺陷進行掃描檢測并將檢測結果報告給操作者。

3 電子產品組裝中缺陷產生的主要根源

因為所有變異均可能導致缺陷，故變異是生產的“敵人”。我們結合PCBA生產流程，來主要探討SMT生產中缺陷產生根源。

結合錫膏印刷、貼片及回流焊等缺隙產生的主要制程，具休探討如下：

錫膏印刷：

失誤(問題)：錫膏漏印、錫膏短路、錫膏沾污。差異(變異)：錫膏覆蓋面積、錫膏覆蓋高度、錫膏覆蓋體積、錫膏覆蓋圖形。檢驗：錫膏覆蓋量／缺少量、相鄰焊盤檢查、錫膏覆蓋區(qū)域檢查。測量：錫膏覆蓋面積、錫膏覆蓋高度、錫膏覆蓋體積、錫膏覆蓋圖形。

貼片：失誤(問題)：元器件漏裝、元器件方向裝錯、元器件損壞、元器件錯裝。差異咬異)：x-Y-z軸、元器件／焊盤套準、組裝套準。檢驗：
已貼／漏貼元器件、元器件方向標識／標志、元器件封裝形狀。測量：x-Y-z軸、元器件／焊盤對準、組裝對準。

回流熄失誤(問題)：元器件放置特性、元器件直立、墓碑現象、焊錫珠、焊錫短路等。檢驗所有翼形引線焊接、所有J形引線焊接、焊接短路
檢查、檢查分立元件(浮起)、元器件隨機沾污等。

4 自動光學圖像檢測

在組裝過程中要不斷地檢驗半成品的焊膏多少和焊點形狀，電路裸板導線粗細、導線缺陷等情況，在線測試或功能測試一般是測不出來的。目測檢驗失誤多、效率低，而自動光學圖像檢測是所公認的最有效的方法，目前，自動光學圖像檢測(AOI)采用設計規(guī)則檢驗(DRC)和圖形識別兩種方法。

設計規(guī)則檢驗法(DRC)是按照二些給定的規(guī)則，如所有連線應以焊點為端點，所有引線寬度不小于0．127mm，所有引線之間的間隔不得小于0．102mm等檢查電路圖形。這種方法可以從算法上保證被檢驗電路正確性。

圖形識別法是將存儲的數字化圖像與實際工作比較。檢查時或者按照檢查一塊完好的印刷電路板或玻璃模型建立起來的檢查文件進行，或者按照計算機輔助設計中編制的檢查程序進行。精度取決于分辯率和所用的檢查程序。^[2]

現代自動光學圖像檢測(AOI)系統在檢測元器件放置特性時可保證極細微的x、Y、θ(轉動)位置偏離變異被測量并進行變異跟蹤，檢查過程非常靈敏，對一些應剔除的變異如位置、尺寸及圖像等進行測量，而對一些可接受的制程變異如元件供應商改變、標稱尺寸、標志或顏色等予以默認(允許)并記錄元件貼裝過程的位置特性。

5 自動光學圖像檢測(AOI)系統的R&R研究

測量結果的重復性(repeatability)指：在相同的測量條件下，對同一被測量進行連續(xù)、多次測量所得結果之間的一致性。

測量結果的復現性(reproducibity)指：在改變了測量條件下，同一被測量的測量結果之間的一致性。

對現代AOI系統，測量結果的重復性相當重要。因為，用AOI系統識別關鍵變異是可能的，但要對變異的趨勢得出準確結論，則要求AOI系統的測量重復性好，以滿足將制程變異從測量系統自身變異中區(qū)分開來。

根據對檢測能力指數的要求，標準器選擇通常遵循三分之一原則，即標準器同被檢計量器具準確度比值應保持1／3比例。在機械行業(yè)零件檢驗中，測量極限誤差同公差的比值稱為精度系數，通常應保持在1／3～1／10范圍內^[3]。對AOI系統的測量不確定度(RaR)的詳細計算，在此將不羅列?，F代AOI系統在置信因子為3時，測量不確定度優(yōu)于±0.4mils，此意味著測量值的99．73％落在上、下規(guī)格界限內。

在實際6 Sigma PCBA生產中，AOI系統要求的測量不確定度是多少呢?通常認為目前最小的SMD元件為0201尺寸，如果要求檢測到偏離焊盤50％，則要求的最小測量值為0．127mm，利用上述的1／10原則，則要求AOI測量系統的測量不確定度在置信因子為3時，小于0．0127mm。對目前最小的QFP封裝IC，其尺寸為0.4064mm×0.2032mm，同樣以偏離焊盤50％為檢測要求，即置信因子為3時，則要求AoI測量系統的測量不確定度小于0．01016mm。

上述提及的6 Sigma PCBA檢測即指以規(guī)格值為中心偏離±3 Sigma的變異均被認為"iE?；蚩山邮堋弊儺悺?/P>

6 測量貼片(拾取-放置)能力

在貼片制程檢查時，為確保6 Sigam重復性，檢測標準如何選取?下面以貼片制程能力為放置重復性為±0．0508mm(置信因子為3)，間距為0．508mm的QFP0402元件，以偏離焊盤50％為檢測要求的貼片制程檢查為例：

首先，制定平均值，確定在3 Sigma置信因子時，貼片放置重復性為±o．0508mm的制程統計量的測量結果分布。以及隨時間、溫度及維護周期等，平均值的分布漂移。此規(guī)格為設備的固有特性部分，其產生根源相當重要。

如果此為設備特性，則用戶需要重新考慮它們。該特性是否代表己交付的，貼片制程的拾-放綜合特性，包括SMD元件尺寸、PCB板供應商、
PCB板變形等變異，需要將其分解為實際的己交付設備特性或在不同的時間及溫度條件下，試驗一系列產品，計算試驗樣品不同批次的分布漂移。

其次，我們必須認識到，偏離焊盤50％檢測要求是貼片制程中拾—放檢查應用的絕對極限，許多產品實際生產坊繃0規(guī)定30％或更低作為絕對容差。

第三，應計算最小元件偏離焊盤50％的偏離量，對0402QFP元件，偏離焊盤50％即代表0．127mm的偏離量，因此進行AOI檢查時，AOI測量系統測量不確定度應小于0．0127mm。

最后，可計算出，在置信因子為3時，對±2mils的制程分布，以偏離焊盤50％為檢測要求，代表放置檢測極限為7 Sigma(假設平均值分布保持穩(wěn)定)。

7 結論

6 Sigma PCBA生產將是我們追求的目標，將6 Sigma與現代自動光學圖象檢測設備相結合，PCBA總組裝錯誤明顯減少己被證實。且在元件貼片放置工序，可提供精密的、重復性好的位置測量，以證實其6 Sigam性能。

為保證6 Sigam性能，自動光學圖象檢測極為關鍵。現代第三代的自動光學圖象檢測系統，其重復性、性能和速度可滿足現代PCBA組裝要求。
同時對生產者提供組裝過程的關鍵測量，將檢測統計結果與貼片制程相結合，提供全面的閉環(huán)控制，保證PcBA生產質量。