作者：Peter Conlon
    多年来，自动光学检查（AOI）已经成为SMT行业一种必不可少的工艺监测手段。在大多数情况下，我们都需要用这种手段来查找缺陷，AOI系统已成为SMT工艺中的一个重要环节。在一般情况下，都是在再流焊后使用AOI系统，这样能够及时发现在电路板制造过程中出现的缺陷，避免把有缺陷的产品送到最终用户的手中。

    缺陷检查可以告诉工艺工程师在那一刻到底发生了什么事情。再流焊后的AOI可以发现各种缺陷，然后，根据缺陷的数量和严重程度来决定是把印刷电路板报废掉还是送去维修。交货的压力将决定是否采用这种制造方法。而且，有时，需要在工艺工程师重新检查生产缺陷数据之前做出决定。如果缺陷是随机出现的，工艺工程师可能就不会采取措施，如果存在规律性，那么，工艺工程师就需要进行持续的观察与实验，找出造成缺陷的确切原因，避免再次出现同样的问题。当然，AOI的作用远不止于此。

    缺陷预防是一种把统计工艺控制（SPC）和六西格玛（Sigma）整合在一起的一种管理策略。这两个概念已经沿用了很多年。目的在于不断地改进焊膏印刷工艺和贴装工艺，每个工艺工程师都希望能够做到这一点，但是，由于时间和条件的限制，而且还有来自内部政策的压力，基本上没有给他们这样的机会。以AOI为中心预防缺陷是一种使用由大量现有AOI设备生成检查和测量数据的方法。这种方法使用了许多统计工艺控制/六西格玛规则，但是，它避免使用户陷于纠缠细节，让他们可以继续进行实时分析，找出确切的原因，以及进行预测性分析。

    在生产线上灵活运用AOI，采取措施预防缺陷，就能够缩短当前生产线状态的反馈时间。这样能够更迅速地解决印刷与贴装的错误，同时还可以减少生产线最终的每百万缺陷发生率（DPMO），使它维持在一个较低的水平。一套完备的缺陷预防解决办法把目标锁定在从AOI系统获得高质量检查测量数据的可行性上和一些经过严格工程处理过的软件应用上。这些解决办法已经在全世界的许多产量很高的SMT工厂中取得了成功。

    在电子制造领域，每家公司无时不刻都在关注不断下滑的利润。对合同制造商（CM）来说，这意味着如果当前的合同质量得不到认可和接受，很有可能因此而失去下一个合同。所以合同制造商必须不断提高产品质量，或者独自承担因生产不合格而增加的成本。保持市场的领先地位、保证产品质量、压缩内部成本和降低保修成本是整机制造商发展的动力与源泉。利用AOI来维持利润已经成为生产制造的一个必然的选择；而且，已经在许多生产线上配备了AOI，在再流焊后用它进行检查，这样就可以在产品装箱发货之前检查制造方面的缺陷。

    另一种比较不常见的办法是在制造过程中尽早地使用AOI，防止缺陷。许多公司没有考虑把AOI用作工艺反馈，而是把它作为不断改进制造工艺的一种方法。在这里，我们将深入探讨如何从缺陷检查变成缺陷预防，以及采取缺陷预防策略会有哪些好处。

图1 在生产线的终端进行测试，以确保产品质量符合要求，但是，这无法解决缺陷的产生。

Defect Detection Defined
    AOI大都用在再流焊之后。根据缺陷类型，有可能需要把电路板送去维修，以保持较高的生产成品率。然而，这会限制AOI在整条生产线上的作用。从长期的运作效果来看，良好的维修数据统计可能会造成人们对生产线的实际性能产生错误的印象。图1说明测试与检查的配置要取决于产品的复杂程度和用户所能承受的成本底线。

另一个办法：缺陷预防
    如果把AOI应用到再流焊之前的工艺中，能够减少或者避免将来出现缺陷。可以把AOI系统收集到的缺陷数据立即用来解决生产线的问题，或者用来分析将会出现的缺陷。从理论上讲，需要在生产线上的各个生产工序后面进行测量/检查。但是，这样做不实际，也完全没有这个必要。
    为了有效地运用AOI，把它作为预防缺陷的工具来使用，制造商必须拥有配备了能够分析兼容数据软件的测量工具，并设立检测点来评估检查/测量工艺的有效性。最重要的先决条件是用户是否相信通过AOI得到的数据是真实可靠的，而且如果把这种测量方法应用到工艺反馈中，相信它能够改善工艺（图2）。
    有效能的测量工具是指：
● 效能=测量的重复性和再现性（GR&R）；
● 测量=收集要检查的每个元件的X、Y和Z三轴偏移量的能力。
    除了上述要求之外，监测生产线，保证它在从缺陷检查转到缺陷预防之前，就能够满足一些标准的要求，这点也非常重要。
首先，生产线必须处于受控状态，或者至少能处于监控之下。这个统计学上的术语为我们描绘出一种工艺状态：总的变量没有超出容差范围，任何变化都是取自这个工艺状态的平均值，而且，在本质上是随机的。为了把生产线置于监控之下，缺陷检查、确定引起缺陷的根本原因和采取防止缺陷出现的措施，或者降低它们再次发生的可能性，这些都非常有必要。
    其次，拥有与贴片机相关各个部件——印刷机、托架、贴装头、喷嘴和进料器——的各个生产设备的准确数据。这些部件在降低生产线总的缺陷性能方面都能够起到一定的作用。因此，要想达到调整、修正工艺的目的，就必须了解和追踪实际的贴装状态设置。大部份贴片机都能够自动调节自己的贴装状态设置，同时，所有的缺陷预防办法都必须知道这些变化。
    第三，制造商必须针对所要使用的元件类型，根据正确的检查策略来做决定，同时，得到这个产品最重要的变量。三种最常见的检查是：用来测试所有焊膏印刷情况的二维和三维焊膏测试；混合模式测试，在测试中，需要检验选用的元件和严格的焊膏涂敷（仅适合二维焊膏测试）；全面的元件贴装测试。

实施缺陷预防
    实施缺陷预防能够减少再流焊前后总的每百万缺陷元件数（DPPM）。请按照以下四个步骤实行工艺缺陷预防。

四大步骤
    第一步，通过缺陷Paretos从一个缺陷检查或者确认传感器来确定最基本的缺陷，也就是再流焊后的AOI、三维X射线检查或者ICT测试。由于三维X射线检查的覆盖范围最大，因此是首选的技术。通 通过这些信息，可以对缺陷进行分析，并且把它分成两个主要的缺陷类型：一种是与焊膏有关的缺陷，另一种是与贴装有关的缺陷。
     第二步，制造商根据第一步得到的结果来确定最有针对性的早期缺陷预防措施以减少再流焊后的DPPM，最有可能采用的办法是三维焊膏检查和/或者贴装后的检查。通过执行早期缺陷预防策略，能够大幅减少再流焊后的DPPM。不过，在此同时，当缺陷检查检测仪在SMT工序中前移时，再流焊前的DPPM可能不会发生变化。这是一个早期的缺陷检查；但是，这仍然无法准确定位造成缺陷的确切原因。要做到这一点，我们必须进行下一个步骤。
     第三步，用焊膏印刷机或者贴装机执行反馈策略（自动或者手动），就能够减少系统缺陷。然后，这将减少再流焊前的DPPM，并且使工艺处于稳定的状态下来检验缺陷预防的效果。

图2 研制出一种检查和测试策略：通过缺陷预防措施改进SMT工艺，把检查和测试整合在一起，从而提高成品的质量。

    第四步，要想降低整个工艺的DPPM，用户必须对下述工艺进行实时监测：
● 关注早期的报警信息，获取和分析随机缺陷；
● 趋势分析工具，例如，SMT生产线实时Cpk监测工具。应该把焊膏印刷机和贴装机配置成能够在加工过程中一旦出现问题就尽快发出警报。

提高成功的机会
     缺陷预防既不是统计工艺控制（SPC），也不是统计质量控制（SQC）。单独的测试分析（SPC）不能解决所有的问题；缺陷分析（SQC）同样也做不到。但是，把这两种技术结合在一起就不一样了。缺陷预防意味着找到了针对这些问题的解决办法。测试设备制造商可以通过提供工具来增加这种办法的成功机会，这些工具能够以简单的信息来给出数据，正是利用这些信息来解决各种复杂的问题。
从传统的角度上讲，工艺工程师和生产工程师应该在生产线上及时对缺陷做出响应。但是，生产线上的技术人员和管理人员更多是把力量集中在如何保证生产线的成品率。各个公司都要求自己的工程师把新产品引进（NPI）和设备审核纳入自己的日常工作之中。进行工艺的缺陷预防需要一名工程技术负责人，但是，在大部份情况下，一名合格的生产线技术人员就能够完成这项工作。
     预防缺陷数据必须经过简化，即使不是工程师也能够明白这些信息的意思，运用自如。不需要对复杂的SPC/SQC表进行解释，用户就知道到底是什么地方出问题了，需要采取哪些正确的措施来避免这种缺陷。

由缺陷检测转向缺陷预防
     有一家公司已经在与用户就针对缺陷预防的再流焊后的AOI实验进行合作。下面的例子就是这些实验中的两个。第一个例子是一家合同制造商，它以前在大批量制造生产线中采用混合模式检查办法来检查安装在电路板上的芯片元件的质量和用于BGA及芯片尺寸封装（CSP）的焊膏印刷。在进行再流焊之后的AOI之前，再流焊后的缺陷PPM大约在30 DPPM左右。在生产线上进行在再流焊前的AOI的四周之后，再流焊后的DDPM大约降低了一半。通过对在混合模式和在较短反馈回路中发现的缺陷进行分析，是完全有可能降低再流焊后的DPPM，而且可以进一步将再流焊后的DPPM减到10以下（图3）。
     这种改善会对制造商的利润空间产生巨大的影响，我们以批量很高的蜂窝电话生产为例子，用数字来说明再流焊后的DPPM的减少情况。如果每块电路板上的元件数达到300个，而且是四拼板，每天需要生产三千块电路板。假定每块电路板上只有一个缺陷，那么每块电路板的维修成本和废弃的元件的成本加起来就是八美元。只要把DPPM从36减少到8，我们每年就可以节约72000美元。
根据电路板的复杂程度，最典型的再流焊后的DPPM基本上都在100至300之间。如果把同一块电路板的DPPM从100降到8，这至少可以节约两百万美元。有了缺陷预防，最典型的DPPM目标是要达到50ppm的水平或者低于再流焊前的DPMO，而10ppm或者低于再流焊后的DPMO，能够提高成品率。
      第二个例子是整机制造商做的一个实验，它只使用混合模式进行检查。这个制造商在再流焊后进行缺陷维修，而没有进行任何再流焊前的检查和维修。这家整机制造商通过缺陷预防来减少生产废品和返修。再流焊前的检查（在这个例子中是三维焊膏检查）把力量集中在最重要的设计参数上即芯片元件与BGA和CSP的焊膏印刷上。由于芯片元件占电路板贴装的80%到90%，因此精确的印刷工艺测试非常关键。因为焊点在再流焊后就再也看不到了，因此，对BGA和CSP来说，焊膏的印刷质量是最重要的参数。焊膏不足可能会使返修成本提高50%，而且，会造成更多的废弃损失。在此之前，就这类生产线而言，如果每月电路板的生产批量为8000块，维修和元件报废的成本为每块电路板100美元。每降低1% 就意味着可以减少80块有缺陷的电路板，这样，每月就可能因减少维修电路板和废弃元件而节省8000美元。

结论
      制造商通过把AOI应用到焊膏检查或者再流焊前的元件检查来实现缺陷预防，这样做能够改善工艺，全面提高产品质量，降低保修成本，维持现有的利润水平。从具体的整机制造商的例子来看，推行缺陷预防措施能够大幅降低维修、报废和保修的成本。

图3 采取缺陷预防措施的作用：减少了在生产线终端出现的缺陷，提高了生产线终端的测试和维修的效率。这可以提高质量和成品
率。在这个例子中，把AOI机放在高速贴片机和微间距贴装机之间，实现“混合模式检查”（二维焊膏和元件）。

*安捷伦科技

作者简介：
Peter Conlon是Agilent Technologies公司高级开发工程师，
电邮：peter_conlon@agilent.com。