实现0201组件的零缺陷印刷流程

【来源:EKRA公司】【编辑:Joachim Kloeser技术总监】【时间: 2005-1-5 11:30:06】【点击:】

在未来几年中，电子装配和封装微型化的趋势将会愈演愈烈，这就意味着将必须使用高密度的、昂贵的PCB材料。随着组件之间的间隔变得越来越小，PCB板组装出现缺陷的可能性也大大增加，使用0201组件的实例中就清楚地说明了这一点。使用先进和智能的测试方案, 评估焊膏印刷板的质量，才有可能最终消除缺陷。　　EKRA（www.ekra.com）设计的高精度超高速基于Fast Moiré Interferometry（FMITM）方法的“印后检查”3D检查系统，通过“人工适应性控制”方式与一个精确印刷机在线通信，工作人员可以在印刷操作完成后，对整个PCB进行趋势和参数分析。通过将测量值追溯回印刷机的各个接口，就能够实现整个印刷流程的自动控制。这样，在焊膏印刷过程中可能造成错误的原因就能够被尽早检测并且消除。  　　0201组件的使用挑战零缺陷印刷流程 　　由于无源组件最多可占到板上组件的85％到95％，无源组件的体积一直在不断缩小。在过去的20年中，从1206到0201，无源组件的体积已大大减小。例如，10个0201排列在一起的面积约为0402的1.3倍。因此，组件也能够被更密集地排列在一起以缩小板的尺寸。更小、更轻和更快的产品促使0201器件在被越来越广泛地采用。在设计中采用0201的主要困难在于关键的制造能力设计因素在流程窗口的设计群中未明确规定，而且由于0201的流程窗口与0402的不成比例，其稳定性也是未知的。  　　焊点形状、焊接外观和焊接体积决定了装配流程的质量（图1b）。基于这些方面，主要的装配产品缺陷就是竖碑效果、焊接桥连和焊珠 图1. 装配产品缺陷的原因  （头），图2显示了这些类型的缺陷。例如，产生的竖碑的一个原因就是在基板的接触焊盘上留下了印刷焊点。而且，由插件机决定的组件的放置精度也对缺陷率有很重要的影响（图1a）。为了避免这些关键组件出现装配缺陷，对印刷过程的整体控制就变得至关重要。这不仅意味着需要一套高精度的模板印刷设备，一套高精度的高速闭环检查系统也必不可少，这套系统用于观察趋势并且防患于未然。    焊膏印刷过程中的缺陷属性和错误原因  图2. 装配产品缺陷的例子 　　焊膏印刷是生产PCB产品的第一个技术步骤。大量的报告和出版物证明超过60％的错误焊接的焊点都是不完善的焊膏印刷造成的。焊接过程一旦完成，要修复错误的焊点就会变得非常复杂而且成本高昂。为了防止发生这种焊接缺陷，印刷焊点都必须经过细致的检查。这种检测策略是昂贵的修复工作的一种合理的替代方案，因为PCB板通常在排除了这种错误的焊点之后就又可以使用了。如果执行一次100％的检查（即所有被加工的PCB板的每一个焊盘都被检查一遍），至少在焊膏印刷阶段造成的缺陷就可以在后续的生产过程中被避免。但是，这套检查系统要想获得成功和被市场接受，还有一个条件就是它不能对印刷流程的周期产生负面影响。  图3. 制造电子装配线的加工工序以及缺陷分布. 　　焊膏印刷过程中会出现各种各样的缺陷属性。图4显示了印刷缺陷的典型例子。这些缺陷是焊量不足、tagformation、印刷偏移、桥接、PCB板上出现焊坑和焊膏残余造成的。为了能够进一步评估缺陷，必须为后续的组件插入和焊接规定有缺陷（不完善）的焊点可以容忍的精度极限。两个焊点之间的桥接通常会在回流焊接后造成短路。例如，如果出现了印刷偏移，某种程度的缺陷可以被焊机的自动居中对齐功能排除。同样，不规则的焊量和表面不完善的焊点都不一定会造成组件间的接触错误。这些情况都影响着检查策略。二维的光学识别就足以检测焊点桥接了。但是，要确定焊量，pastedepots必须经过精确的三位测量。   图4. 焊膏印刷过程中的缺陷属性 　　大量的缺陷类型是由各种各样不同的错误原因造成的。其中，设定的打印参数、使用材料（模板、squeegee、焊膏和PCB）、印刷机的质量和模板清洁器的质量，以及生产人员的专业技术和经验都扮演着重要的角色。 　　用于锡膏印刷的新型检测系统  　　开发智能检查系统的一个主要环节就是绝对准确和清晰的定义缺陷类型和错误原因。要做到这一点，一个必要的条件就是一套快速精确的AOI系统以及强大的软件用于在有限的加工时间内完整地进行PCB板上所有焊点的三维测量。通过比较从一定量的印刷操作中获得的检查结果，这套专家系统就能编写出一份趋势分析报告。在客观的趋势分析结果和规定的缺陷标准的基础上，只要将必要的数据反馈给印刷机并且调整适当的印刷机参数就可以形成一个完全自动的加工流程。这样，这个智能检查系统就能在早期避免印刷缺陷。　 　焊膏检查系统的要求和测量策略  　　目前和未来对SMT技术的要求显示能够以一个足够高的分辨率和速度提供二维和三维信息的三维测量系统对于检测和防范印刷缺陷而言是必不可少的。对一个高效的焊膏检查系统的一般要求如下：● 检查时间短● 高测量精度　● 投资回报期短　● 操作简便各种测量原理都用于体积测量。测量方法一般有以下几类：　　● 立体视效● 共焦测量技术　● 激光三角测量　● 体积像素获取（VPATM）的FMITM法  图5. 激光扫描法（a）和FMITM（b）法之间的体积像素获取（VPATM）比较  　　目前经常使用的激光扫描系统有一个根本的缺点：测量数据是在组件表面按行收集的（图5a）。但是要测量的实际焊点表面积大大小于被扫描的面积。由于时间的原因，这种方法通常是不准确的。通常要选择一个较粗的扫描栅格来记录焊点的表面结构。对需要的测量结果而言，扫描速度和扫描密度（测量精度）总是不可兼得。　　相对于扫描方法而言，FMITM法就没有这种缺点。不管焊点的数量和密度如何，所使用的栅格投影的所有节点的X、Y、Z坐标都可以在一个定义好的窗口中确定。图5比较了激光扫描法和FMITM法。 　　FMITM——新的一代锡膏检测技术  　　FMITM技术利用了Moiré interferometry的优势，实现了表面结构的高速和高分辨率记录和测量。测量系统的中心组件是一个带投射单元的数码相机，这个数码相机能将白光结构投射到任何表面上。被测量对象的二维和三维信息也被系统同时提取出来。这种设计的优点是只用一个相机进行校准、组合、排列和任何维护工作，要比使用多个相机或扫描单元的技术简单得多。Moiré interferometry被用于行业的各个领域已经有很多年的时间了。这个测量技术非常精确，但是速度较慢。例如，一种典型的配置是一个双光束的系统，一根光束用于导航而另一根光束用于测量高度。高度信息是通过迭加两根激光束的波前来计算的。FMITM使用这个测量原理,但是这个配置进行了修改和优化以大幅减少测量时间。 　　修改后的配置的特色是在测量对象的正上方放置一个CCD相机以获得最大的  图6. FMITM（a）的操作原理和体积像素获取VPATM（b） 视野（FOV）和一个足够高的分辨率。白光以一个定义好的角度投射到FOV中。一个可以用电机移动的栅格放置在光路中将栅格的结构投射到测量对象表面。（图6）移动栅格，并且记录四个图像。这个过程非常快速（<150毫秒）。 　　高度信息是通过迭加各个被记录的图像来收集的。一台高性能电脑会计算完整的表面结构。这样，每个像素的高度信息都会被计算出来而整个相机视野中的体积信息也就被计算出来了。 　　FMITM技术的另一个主要优点是同样能够进行快速的二维检查。而且，这种方法还能用于测量其它传统方法无法测量的球形表面。 　　焊膏检查系统（OPPUSI） 　　基于FMITM技术，EKRA现在正在开发一种高性能的检查系统用于焊膏印刷的完整的流程控制。简单的操作、高灵活性和测量结果的可重复生产性以及高速条件下完善的测量精度是这种设备的设计标准。当然，它的机械结构是坚固的并且拥有一个坚固的花岗石平台。该设备支持线上和半自动化操作。图7显示了检查系统OPPUSI的一个被测量焊点的例子。 　　这里介绍的检查系统采用了模块化的设计并且将提供几种不同级别的配置。这种检查设备构成了具有“适应性智能”的基础，实现了趋势分析和参数评估。 　　焊膏检查系统（OPPUSI）的特殊功能 　　EKRA OPPUSI焊膏检查系统的一个主要的功能是革命性的“教学”流程和迅速简单的编程。其中，加入了一个全新的概念，为用户提供了更高的流程可靠性以及更完善的操作员易用性。 　　OPPUSI系统的基础是真实模板数据的测量。过去的经验不断反复说明真实的模板总是很大程度地偏离设定点。如果Gerber数据（设定点值）被用作印刷焊点的参考值，这样就会测量到错误的模板的一个印刷偏移量而不是一个错误的印刷流程。 　　为了防止这种错误，EKRA检查系统在进入印刷流程之前会用FMITM传感器测量整个模板。该流程（真实数据获取技术）会产生制造商提供的模板的实际数据。以这种方式确定的模板的厚度值、孔的尺寸和孔的位置会形成检查印刷焊点的参考值。这样，该检查系统就能够精确地确定焊点的预期位置和所使用的焊量的高度，并且因此防止与模板有关的伪缺陷。最终，用户将首次能够对其自有生产厂供应的模板进行质量控制检查（QA）。图8显示了真实数据获取技术的原理（Real-DAT）。    图8. EKRA的应用了真实数据获取技术（Real-DAT）的焊膏检查概念 　　在更高的配置级别中，该检查系统能够比较和检查真实的数据和Gerber数据。如果两组数据不同，系统会使用平均值来试图找出模板相对于PCB板的尽可能最佳的对齐位置。例如，要达到这个目的，可以规定模板的孔相对于PCB的焊盘的最大容许偏移。该检查系统还消除了因为疏忽使用了错误的模板以及导入Gerber数据时可能发生的其它可能的问题。但是，用户还是能够继续导入Gerber数据。 　　要检测上述焊膏印刷的缺陷属性，每一个焊点或PCB的下列参数都可以以高精度级别和高可靠性进行确定：· 平均高度和最大高度　· 体积　· 桥接检测　· X/Y印刷偏移　· 拉伸/PCB扭曲　　最终，系统能够以20x30mm的视野进行迅速而且可靠的检查，焊膏高度的测量范围从50μm到300μm。测量结果和测量日志以广泛采用的XML格式提供，而且可以被非常方便地导入到MS-Excel等程序中。SMEMA和SPC功能保证了生产线的完整性。在高分辨率模式下，100%三维检查的速度将可能高达16cm2/sec。所有PCB尺寸，从50x80mm到460x460mm都可以被检查。 　　人工适应性控制（AAC）_防止缺陷的智能解决方案 　　有了OPC概念作为基础，EKRA发现了开发“适应性智能”，也就是生产流程中所谓的“人工适应性控制（AAC）”的潜力。“人工适应性控制（AAC）”这个词传达了一种理念，即将检查结果反馈到印刷流程中。（图9）     图9. EKRA人工适应性控制（AAC）的软件概念 　　以前在SMT生产线中使用的AOI系统的目的是为了降低缺陷率。根据所使用设备的质量（分辨率vs检查时间），或者检查板子关键的部分结构或者检查随机抽取的PCB。即使对基板进行100％的测量，也只能决定报废一块板子或继续使用一块板子。相反，适应性智能的目的是要在还没有出现缺陷板的初期就防止可能发生的缺陷。但是，实施这样一个概念意味着在SMT生产线的周期时间内所有PCB都必须经过完全测量。通过比较后续印刷操作的测量值，就可以生成一个趋势报告来说明这些数据。如果没有可识别的趋势，就不需要采取任何行动。但是如果测量值发生了变化，就必须评估检查结果并将其分配给各印刷参数。这样，该检查系统就可以告诉用户哪些参数应该进行调整。一个完整的智能系统解决方案的下一个步骤应该是实现检查设备的互连，也就是“人工适应性控制（AAC）”与精确印刷设备的互连。这样，趋势和参数分析生成的数据组将被反馈给印刷机的各个接口作为控制信号。图10显示了这样一个闭环控制的“人工适应性控制（AAC）”系统的方块图。  图10. “印后检查”（PPI）和“人工适应性控制”（AAC）的方块图 　　例如，这样，当检测到形成了碎片时，印刷参数“分离速度”就会被更改。或者如果检测到形成了桥接或有形成桥接的趋势，则自动清洁模板。这个高度复杂的控制环将作为第三级配置的一个组件供应。配备了“适应性智能”的高性能检查系统将能够大大降低SMT流程中的缺陷率。这将最终降低电子制造业的生产成本。　　另外，人工适应性控制的另外一个设计功能将是EKRA的新的封闭橡胶系统（VarioHead）（图11）。   图11. EKRA的封闭橡胶系统 　　VarioHead的一个优点就是提供了一个额外的印刷参数——“内部舱压”。这个封闭橡胶系统会在印刷过程中管理一个用户定义的内部舱压。这样，系统就无需控制，而是主动地调节以保证不变的印刷参数。这对SMT应用而言极端重要，例如“插针入焊膏”，因为它可以将比传统技术更多的焊料挤到PCB的孔上。对用户而言的优点就是通孔组件既可以用波峰焊技术来焊接，也可以使用回流焊技术来焊接。

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