SMT貼片機Cpk的驗證分析

為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。通過貼裝一個理想的元件，這里是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數據外，內在的可用性、生產能力和可靠性的測量應該在多臺機器的累積數據的基礎上提供。在完成預先的干循環和設定步驟之后，包括變換和校準，品質接收規范(QAC, Quality Acceptance Criteria)步驟開始了。

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小時的干循環，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，那么必須用總共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，相對于元件對應角的引腳布置精度為± 0.0001”，用于計算X、Y和q 旋轉的偏移。所有32個貼片都通過系統測量，并計算出每個貼片的偏移。這個預定的參數在X和Y方向為±
0.003”，q 旋轉方向為± 0.2，機器對每個元件貼裝都必須保持。

為了通過最初的“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范：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”范圍內， q 的標準偏移量必須小于或等于0.047° ，其平均偏移量小于± 0.06° ，Cpk(過程能力指數process capability index) 在所有
三個量化區域都大于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，現在實現的性能系數超過2.0的過程能力指數，或大約每十億之2個缺陷(6s 性能)。這個測量步驟允許制造商測量其生產要求得到怎樣的滿足。

累積完成后，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

在機器通過這些測試后，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。是生產準備運行，沒有通過/失效
的標準，它允許任何送料器或其它機械部分的重置。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于75%的元件。

評估過程的下一步是另一個12小時的不停止干循環。

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，為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步驟后，機器必須經歷3000個元件貼裝的最后運行，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，并更正。在這個階段，機器的內在可用性不能低于98%。

最后的12小時干循環運行，不允許任何失效。最后一個貼裝系列，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，記錄數據，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)：基于其幾何形狀，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。

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數據可以放入下式中：

Cpk = minimum of {(USL – m ) / 3 s , (m - LSL) / 3 s }

這里，m 和s 分別是平均和標準偏差，通過設備在許多程序驅動的試驗中得到。這些數據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數據，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布平均值和最近的規定上和下限之間。Cpk是重要的，因為它傳達了給定貼裝精度上的規定的缺陷率(圖三)。

支持服務

給客戶提供支持服務，對設備制造商是必須的，同樣提供保持通訊線開放的責任感，以得到機器的準確的、可理解的信息。為了滿足知情的需求，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數據的表格，以及解釋術語和收集信息類型的文件。

為了幫助顧客明白QAC過程和提供解答有關設備的技術問題的聯系地址，文件中也必須包括直接參與QAC評估的人名及簽字。

除這些信息之外，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、內在生產量和在各PPM水平下的貼片性能、完整的技術術語解釋和統計關系的定義等也
在機器性能文件包中。

最后，提供設備長期處理性能的良好前景，以及設備制造商維持內部制造過程控制的能力，最新70臺機器的歷史數據也應提供。這個信息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，作為一個延續的平均。70臺機器的數據可使總計貼片數從10,000+增加到500,000+，產生相關的累積效益。事實上，這些為機器性能和設備制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。由于過程的復雜性增加，和元件類型的范圍變廣，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數據是伙伴合作過程
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。