關于SMT工藝與質量檢測的分析

1、關于SMT工藝與質量檢測的分析姓名：XXX 學號:10001xxxxx 微電子制造工程（桂林電子科技大學 機電工程學院 廣西桂林 541004）摘 要：貼裝設備的工藝對整個SMT的生產質量起著至關重要的作用。若此處發(fā)生缺陷而不能及時或有效的改善則可能導致整個生產工藝的問題甚至企業(yè)的重大損失。因此必須對貼裝工藝的流程與質量進行深入研究，以提高SMT工藝的生產效率和降低生產成本。關鍵詞：SMT，貼裝，質量檢測，X射線檢測，分析SMT mount technology and mount quality detection and analysis (College of mechanical an

2、d electrical engineering Guilin University of Electronic Technology Guilin 541004 )Abstract ：Mount device technology for the SMT production quality plays a crucial role in. If this happens defects and can not timely or effective improvement may lead to the entire production process problems and even

3、 a serious loss for the enterprise. So it is necessary to mount the process and quality of in-depth research, SMT to improve production efficiency and reduce production cost.Keywords ：SMT, mount, quality testing, X-ray inspection,analysis.1. 概述 隨著電子信息產業(yè)的迅速發(fā)展，SMT技術已經成為電子組裝技術中不可或缺的一部分。SMT技術是指將表面貼裝的電子組

4、件，直接焊接于印刷電路底版的表面上，與傳統(tǒng)插裝工藝不同,SMT工藝的元件及焊點均在同一表面上。并具有微型化、大規(guī)?；⒆詣踊膬?yōu)點。當今絕大部分現(xiàn)代工業(yè)中的電器，電子產品都離不開SMT技術的應用。而貼裝工藝更是SMT工序中不可或缺的一道。貼片機的組主要作用是將表面組裝元器件準確安裝到PCB的固定位置上。位于SMT生產線中印刷機的后面，一般為高速機和泛用機按照生產需求搭配使用。 然而在SMT生產過程中往往會遇到很多問題，包括設備問題和工藝問題，設備問題可以用買入新機器的方法來解決。而工藝問題往往復雜和多樣化。在生產過程中，可以通過對貼裝設備、貼裝前準備、貼裝過程的操作進行優(yōu)化來達到提高質量的要求

5、，工藝的優(yōu)化不僅能大大的提高生產效率和產品質量，同時降低了成本，創(chuàng)造了更大價值。是大多數企業(yè)不斷努力的方向。貼片質量的優(yōu)劣一直困擾著貼片機的使用者, 影響貼片質量的因素有很多, 諸如貼片機自身硬件軟件條件、貼片對象的質量、貼片環(huán)境的合適程度、貼片技術的嫻熟程度、貼片機操作人的人為因素等等。本文從元器件選擇、貼片機結構與性能兩個角度闡述了其如何影響貼片質量。以元器件尺寸、端頭電極與引線電極、平整度、料帶等方面細述如何選擇最合適的元器件以提高貼片質量, 并以吸嘴為例細述了如何選擇與設置貼片機吸嘴和貼片壓力來提高貼片質量。對影響貼片質量的貼片位置控制也作了一定的論述。本論文著重對SMT中貼裝工藝重點

6、分析，敘述貼裝工藝造成的產品質量問題和原因分析以及如何用一些方法優(yōu)化貼裝工藝提高產品質量，降低成本等。2貼裝工藝原理及設備簡介 貼片機作為SMT 生產線的主體設備之一, 主要工作是拾和放( pick a d place) , 但因拾取速度要求很快, 一般要求每小時至少數萬乃至十數萬個點; 拾取物體要求很小,一般要求小至十分之一毫米單位; 拾取精度要求很高,一般要求精確到幾十微米; 拾取成功率要求很高,現(xiàn)階段4R, 5R 是標準, 將來或許要求6R 甚至零缺陷 , 放置時同樣要求快、精、直通率高, 基于上述原因, 控制貼片的設備即貼片機發(fā)生了很大的變化, 速度高達每小時十萬片以上, 精度高達40

7、Lm 以下, 貼片能力可以小至SI 制0201 元器件、0. 3mm間距器件, 直通率可以實現(xiàn)6R 已經成為事實。正因為上述原因, 控制貼片質量尋求高精準的貼片工藝就迫在眉睫了, 本文從元器件選擇、貼片設備、環(huán)境及其他方面闡述如何控制貼片質量。2.1貼裝設備基本結構（1）機架 常見的機架有整體鑄造式和焊接式。（2）供料器 供料器系統(tǒng)主要由供料器、裝載及運送機構組成。（3）貼裝頭 是貼裝機進行貼裝和取料動作的主要部分。通過貼裝頭部分各個結構之間的良好配合，完成拾取和貼裝元器件，以及將錯誤的元件拋到廢料收集盒中。（4）PCB定位裝置在PCB裝載入機器前確定PCB的原點位置與機器一致，從而通過坐標系

8、的變換得到正確的貼裝位置。（5）元器件對中裝置 通過攝像機視覺定位等方式找出元件的集合尺寸、特征、中心、等數據，以修正控制通過控制系統(tǒng)的數據對元件方向及轉角的偏差進行修正。（6）軟件及系統(tǒng)一般各工廠均有自己的編程方式?？梢宰约壕帉戃浖蛸徺I專業(yè)的離線軟件，設備廠家也會自帶編程軟件。有支持DOS,OS/2，APPLE OS,WINDOWS,WINDOWS NT,UNIX等操作系統(tǒng)的貼片機設備軟件。2.2自動貼裝原理貼片機的主要任務就是拾取元器件和貼裝元器件，通過程序員對所要生產產品的PCB和根據機器的性能指標進行編程從而將正確的元器件貼放到正確的位置。供料器和PCB板是固定的，貼裝頭供送料器與P

9、CB板之間移動，將元件從送供器中拾取，經過對元件位置與方向的調整，然后貼放于基板上。2.2.1 PCB基準校準原理自動貼裝機貼裝時，元器件的貼裝坐標是以PCB的某一頂角為原點計算。而PCB加工時多少存在一些誤差，因此貼裝時必須對PCB進行基準校準。基準校準采用基準標志（MARK）和貼裝機的光學對中系統(tǒng)進行。2.2.2 視覺對中原理貼裝前會給每種元器件照一個標準圖像存入圖像庫中，鐵裝飾每拾取一個元器件都會進行照下并與該元器件在圖像庫中的標準圖像比較是否正確，如果不正確，則會判斷該元器件的型號錯誤，會根據程序設置的拋棄元器件若干次后報警停機?；蛘邔⒁_變形和共面性不合格的器件識別出來并送至程序指定

10、的拋料位置。也可以比較該元器件拾取后的中心坐標、轉角與標準圖像時候一致，如果偏移。則回自動根據偏移量修正貼裝位置。2.3 貼片機工作流程 圖1 貼裝工藝流程圖（1）基板定位PCB板經貼裝機軌道到達停板位置時，通過相機找到PCB板上兩個識別的位置然后計算出貼裝的準確位置，保證貼裝的準確性以使順利、穩(wěn)定、準確停板。（2）元件送料由供料器提供貼裝時所需的元件來完成（3）拾取元件貼裝頭從送料器拾取元件（4）元件定位通過機械或光學方式確定元件的集合中心，由機器計算出貼裝位置，確保貼裝時元件對應到貼裝位置坐標是元件的中心元件位置，以保證準確貼裝。（5）貼裝貼裝頭拾取元件后把元件準確、完整的貼放到PCB板上

11、3 貼裝質量分析影響貼片質量的關鍵因素：貼片力、貼片的速度加速度、貼片機的貼片精度、元器件、焊膏與PCB。元器件越小，貼片的精度要求就越高。很小的旋轉誤差或平移誤差就會使元器件貼偏甚至完全偏離焊盤。對于細間距元件，極小的旋轉誤差將可能使元件完全偏離而導致橋連。3.1 常見貼裝缺陷貼片缺陷：元器件漏貼，元器件貼錯，元器件極性貼反，沒滿足最小電氣間隙，元器件貼偏。3.1.1 偏移圖2 偏移現(xiàn)象現(xiàn)象：元器件偏離焊盤（橫面偏離不超過25%，端面不能偏離），產生原因：（1）高度問題如果PCB再貼片機中得不到適當的支撐，它就會下沉，這樣PCB表面高度就會低于貼片機的軸零點，導致元件在PCB略高的位置就釋放

12、，導致原件釋放不準確。（2）吸嘴問題吸嘴端部磨損、堵塞或粘有異物或貼裝吸嘴吸著氣壓過低導致的貼裝吸嘴吸著氣壓過低。貼裝吸嘴上升或旋轉運動不平滑，較為遲緩，導致吹氣時序與貼裝頭下降時序不匹配。工作臺的平行度及或吸嘴原點檢測不良引起的等問題引起偏移。（3）程序問題程序參數設置不良，吸嘴的中心數據、光學識別系統(tǒng)的攝像機的初始數據設值精確度不夠。改善途徑：（1）檢查貼片機的導軌是否有變形，PCB的放置是否平穩(wěn)正確。（2）定期檢查和清理吸嘴，對易磨損的部件進行維護并著重潤滑保養(yǎng)。調試工作臺和吸嘴的原點檢測。（3）校正程序，使數據庫參數和識別系統(tǒng)的識別參數一致。并對貼裝工序的貼片、印刷結果進行及時檢查。3

13、.1.2 缺件圖3 缺件現(xiàn)象現(xiàn)象：元器件在貼片位置丟失。產生原因：（1）氣源漏氣、堵塞問題橡膠氣管老化、破裂，密封件老化、磨損以及吸嘴長時間使用后磨損等問題造成氣源回路泄壓?；驈U屑粉塵等造成吸嘴堵塞使得貼片頭無法成功拾取元件。（2）厚度設置問題元器件或PCB的厚度設置錯誤，若元件或PCB較薄，而數據庫中設置較厚，那么吸嘴在貼片時，元器件未到達PCB焊盤位置就將其放下，而PCB又在移動中，由于慣性作用會導致飛件（3）PCB板問題如PCB板曲翹度超出設備允許誤差?；蛑武N元器件編帶放置不當，支撐銷的擺放不均勻、高度不一致，工作臺支撐平臺平面度不良等問題使印制板支撐不平整，也會導致飛件。改善途徑：（

14、1）定期檢查吸嘴是否潔凈。加大對吸嘴的取件情況監(jiān)控的力度，查出導致氣源問題的損壞部件并及時更換，以保證良好的狀態(tài)。 （2）厚度設置問題將厚度數據庫參數更改至合適的設置。更換合適的編帶。（3）PCB板問題檢查前段工序的PCB板是否符合質量要求，重新放置重新放置PCB和編帶。檢查工作平臺是否達到生產要求并作出合理的調整和改善。3.1.3 拋料現(xiàn)象：生產過程中吸到料之后不貼而是放到料盒或其它地方。或者沒有到料就執(zhí)行動作。出現(xiàn)原因：（1）吸嘴問題由吸嘴變形、堵塞、破損等問題有可能引起氣壓不足、漏氣、取料不起或不正、識別無法通過等諸多問題。（2）識別系統(tǒng)問題識別系統(tǒng)視覺的不良。光學攝像系統(tǒng)的光源在使用一

15、段時間后，光照強度會逐漸下降，同時也會造成灰度值的減小，當光源強度和灰度值達不到要求時，圖像就會無法識別?；蜩D射頭處有雜物干擾識別。也有識別系統(tǒng)已損壞的可能（3）程序設定問題編輯的程序與元件參數的設置是否符合。取料必須在料的中心位置，若取料高度不正確，或取料偏移、取料不正等問題會導致識別系統(tǒng)和對應的數據參數不符造成無法被識別系統(tǒng)識別而當做無效料拋棄。，或所編輯程序中的元件參數設置與來料實物亮度或尺寸等參數設置不符會造成無法通過識別而拋棄元件（4）供料器問題供料器由于長時間的使用或操作工操作不當，會造成供料器驅動部分的磨損或結構變形。棘爪會不斷磨損，若棘爪磨損嚴重會造成棘爪不能驅動卷帶盤塑料帶正

16、常剝離，使得吸嘴不能正常完成取件工作。若供料器位置變形、供料器進料不良（如供料器棘齒輪損壞，料帶孔沒有卡在供料器的棘齒輪上，供料器下方有異物，彈簧老化，或電氣不良），下放有異物（5）來料問題來料或元件引腳不規(guī)則、不合格等問題也會造成無法識別而拋料。改善途徑：（1）做好吸嘴的取件情況的監(jiān)控。對堵塞或取件不良的吸嘴應及時清洗或更換，以保證良好的狀態(tài)。在安裝吸嘴時，必須保證正確、牢固的安裝。（2）定期清潔擦拭識別系統(tǒng)的鏡頭、玻璃片以及反光板上的灰塵與器件污物以保持干凈無雜物沾污和防止因灰塵或器件影響光源強度。定期進行校正檢測，如重新示校和調整光圈焦距。當光源光強度弱到無法識別器件時，只能更換光源。（

17、3）安裝共料器時應正確、牢固地安裝到供料部平臺上。在安裝編帶前應仔細檢查供料器的棘爪輪是否已磨損并進行修復，若不能修復應及時更換。做好對供料器的清潔、清洗、加油潤滑等日常的維護與保養(yǎng)。（4）對來料進行嚴格的篩選和檢測，以防使用錯誤的物料。（5）必須正確設置攝像機的有關初始數據。若有誤需修改程序及取料位置等元件參數。3.2 貼裝質量提高方法3.2.1 貼裝前準備根據產品工藝文件的貼裝明細表領取PCB和元器件并認真核對，元器件本身的尺寸、形狀、顏色是否一致。開機前做好安全檢查，壓縮起空氣源氣壓是否達到設備要求，檢查并確保導軌、貼裝頭、吸嘴庫托盤架周圍或移動范圍內是否有雜物。必須按照設備安全技術操作

18、規(guī)范開機。3.2.2 首件貼裝后進行嚴格檢查檢查各位號上的元器件規(guī)格、方向、極性、是否與工藝文件相符；元件、引腳、有無損壞或變形；元器件的貼裝位置偏離焊盤是否超出允許范圍。通常按照單位定制的企業(yè)標準來判定。3.2.3 首件試貼結果的檢驗和調整若PCB上的元器件貼裝位置有偏移，硬通過修正PCB MARK點的坐標值來校準，把PCB MARK點的坐標向元器件偏移方向移動，移動量與元器件貼裝位置偏移量相等。也可通過攝像機重新照出正確的坐標。若拾取失敗，說明拾取高度不合適，元件厚度設置不正確，拾取坐標錯誤，檢查后按實際值調整修正。檢查吸嘴是否堵塞、不干凈，或端面磨損、有裂紋，應及時清洗或更換吸嘴。吸嘴太

19、大可能造成漏氣，吸嘴太小會造成吸力不夠等，根據元器件尺寸和重量選擇合適的吸嘴型號。檢查氣路是否漏氣，及時增加或疏通氣壓。檢查圖像處理是否正確，如不正確，則可能頻繁棄片，應重新拍攝圖像。3.2.4 X射線檢測X射線檢測主要用來檢測 BGA，CSP與FC等封裝器件下的焊點缺陷，如橋連、開路、焊球丟失、移位、釬料不足、空洞、焊球和焊點邊緣模糊等。BGA 的相關標準和規(guī)定包括IPC-A-610C 12.2.12 和 IPC-7095。目前，X 射線無損檢測技術大致可以分為三大類：基于 2D 圖像的 X 射線檢測分析；基于 2D 圖像，具有 OVHM 的 2X 射線檢測分析；3D X射線檢測分析。前兩種

20、屬于直射式 X 光學檢測；后一種屬于斷層剖面X光檢測。3.2.4.1 2D X 射線檢測分析高壓產生的X射線，通過材料為鈹的窗口，以扇型光束投射到 PCB 上。X 射線穿透檢測樣，放大并投射到CCD成像器上，將 X 射線轉化為可見光影像。所得到的圖像分辨率主要取決于X光管聚焦的尺寸，典型的是在幾微米范圍內，但新穎的毫微米級聚焦管也能達到小于1微米。給定目標的可檢測性能取決于目標物體形成X光圖像亮度的差異。傳統(tǒng)2DX射線直射式照相設備比較便宜，但是在PCB兩面的同一位置都有元件的情況下，這些釬料形成的陰影會重疊起來，分不清是哪一層。3.2.4.2 3D X 射線檢測分析3D成像可采用不同的方法，

21、包括莫爾和相移干擾計、三角測量、行程時間、聚焦和共焦點的方法，在焊點質量檢測中常用最后一種。共焦點方法的原理為：一個X射線源以角照射樣品，并且在高速旋轉的同時有一個檢波器與其保持同步。X光在光源與檢波器間的某一位置聚焦，出現(xiàn)一個聚焦平面。聚焦平面上的物體被清楚的看到，而不在聚焦平面上的物體只有一個陰影。在BGA同一焊點不同高度處(至少兩處)取“水平切片”，可直接測量焊點釬料量以及焊點成型情況。 3DX射線檢測分析原理（見圖4）。斷層剖面測量了每個“切片”的4個基本物理參數：焊點的中心位置，焊點的直徑，與焊點中心同軸的5個圓環(huán)的各自釬料厚度，焊點相對于已知圓度的圓形形狀誤差。焊點中心位置在不同切

22、片影像中的相對位置可表明 BGA 器件在 PCB 焊盤上的移位情況；焊點直徑測量表示焊點中釬料量與標準釬料量的相對量；在焊盤位置的直徑測量則表示因焊膏印刷或焊盤污染引起的潤濕不良，而在焊球處的直徑測量則表示焊點共面性情況，利用各個同軸圓環(huán)的釬料厚度測量以及它的變化率則可判斷焊點中釬料的分布情況，這對確定氣孔缺陷更為有效。焊點的圓度表示與標準圓相比，焊點周圍釬料分布的均勻性，這可為判定器件移位和焊點潤濕情況提供數據。對于一個直徑為 D 的薄片， 考慮到所有的圖層，薄片的圖像看起來是一個雙錐形物體，錐高為 H=D/tan（見圖5） 。因為只有一個單獨的平面有清晰的像，所以真實圖像可以通過其結構很容

23、易區(qū)分出來。這一準則不適合垂直高度與側面尺寸相差無幾的物體，比如說球形，因為此時該結構是在真實物體層圖像上的不斷重疊，這也就使其不容易被認清。X射線分層法的檢測效率對于有空隙的焊點不是很高。只有縫隙足夠大才能在圖像結構中被確認。為了解決這樣問題，一種新的研究結果表明，配合各種 OVHM(高放大率下的斜視圖技術)技術，用X射線檢測斜視圖對開放式焊點有最高的檢測概率。圖 4 3D X 射線檢測分析原理 圖 5 真實圖形與 3D X 射線成像圖形對比4 貼裝生產管理4.1 貼片機維護管理在生產過程中及前后，必須確認貼片機的工作性能，以需要隨時監(jiān)控貼片機的主性能指標、操作軟件、機械和氣源的狀況是否正常

24、并進行日常的維護和及時的維修。4.1.1貼片機主要性能指標（1）指示燈、按鍵、操作模塊外觀完成，操作、顯示正常；（2）計算機系統(tǒng)工作正常。（3）輸入輸出系統(tǒng)工作正常。4.1.2機械部件（1）各傳動導軌、絲杠運轉平穩(wěn)協(xié)調，無雜音、漏油等異?，F(xiàn)象。（2）各傳送皮帶、鏈條、連接銷桿完整，檢查是否有老化、損壞現(xiàn)象。4.1.3氣源系統(tǒng)（1）壓縮空氣的干燥過濾裝置齊全完好（2）驅動汽缸。、電磁閥及配管、連接件無雜物堵塞，無松動或破損漏氣。驅動汽缸及電磁閥工作正常，無雜音異常。4.2 通過質量管理提高貼裝質量在SMT產品組裝過程中，有六個需評價的組裝質量: 1、組裝設計質量，2、組裝原材料(元器件、PCB、

25、焊膏等組裝材料)質量，3、組裝工藝質量(過程質量)，4、組裝焊點質量(結果質量)，5、組裝設備質量(條件質量)，6、組裝檢測與組裝管理質量(控制質量)。除了生產設備和生產工藝的優(yōu)化，依靠靠科學的管理方法提高生產管理和品質控制、人員和物料等的管理以實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低耗的生產。利用基礎管理使性能優(yōu)良的設備創(chuàng)造更大的利潤和價值，是企業(yè)追求的目標。4.2.1 質量流程管理與貼裝質量生產中難免常遇到工藝缺陷。有可能是設計不合理、來料不規(guī)格不符、設備故障或操作員失誤等諸多因素。來料引起的質量問題一般是來料的選擇、采購和儲存不規(guī)范，說明企業(yè)技術員和設計人員缺乏良好的對材料工藝性好壞判斷能力，這些誤判也許是技

26、術員的知識不足或粗心大意。采購時應對物料進行嚴格篩選和檢測，保證元件的規(guī)格正確、功能正常、外觀引腳等部位良好無破損。設備故障則可能是因為操作員及時的發(fā)現(xiàn)問題及進行日常的設備檢測。應提高人力資源管理的質量，如建立定期的員工培訓制度，提高員工素質。員工是企業(yè)生產與發(fā)展的根本所在。因此必須注重員工隊伍的技能培訓與思想觀念的培訓，學習如何熟練、正確地操作設備，正確安裝、使用供料器，定時維護、保養(yǎng)設備、才能有效地保證產品質量，降低物耗，避免發(fā)生重復性問題，提高生產效率。選擇正確的編程方式。生產部門的負責人可以通過采用不同的變成方式來應對不同的生產方案。必須考慮解決方案對生產效率、生產線使用的安排、PCB價格、工藝控制、缺陷率水平、供應商管理、設備成本以及存貨管理會帶來何種影響。4.2.2 質量過程管理與貼裝質量質量問題除了和設計、工