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技术文章

三维焊膏检测系统的新发展

很长时间以来,各类的SMT制造和使用者都在致力于改进设备和制造工艺,以求达到更高的设备精度和产品一次通过率。元器件制造商推出的模块越来越精密,客户产品的功能越来越多,体积也越来越小。随之而来的就是项目经理越来越多的烦恼,客户的器件更小了,元件密度又高了,焊膏要用无铅的了。。我的SMT可以做的到么?不良率能被有效的控制么?。。。这张订单能接么??

 

所以近些年来,SMT的使用者正在加大对SMT的工艺质量监控手段,如在炉前炉后(特别是炉后)通过AOI来确定贴片和焊接的状况已近被绝大多数的工程师和质量管理者所接受,但对焊膏检测(SPI)所带来的质量管理效益还存在疑问。总所周知的是,焊膏的印刷缺陷占到整个SMT工艺缺陷的70%以上,如2000SMTA就公布的图表所示:


    而焊膏印刷处于SMT的制造前端,如我们能在贴片前就将这70%的缺陷剔除,这对整线的一次通过率的影响是巨大的。并可以极大的降低元器件的损耗和加工成本。随着越来越多隐藏引脚器件的使用,如uBGACSPQFNLGA,使得回流炉后AOI的焊点检测变成无法完成的任务,焊点测试覆盖率随着PCBA变得复杂而越来越低。由于节拍的问题只能用XRay做抽检来做为补充,效率大受影响。3SPI提供了新的解决方案,通过测量焊盘上焊膏的体积来保证回流后焊点的可靠性。这在高端电子产品如汽车电子,医疗器械,工业控制等SMT生产线中得到验证。

 

SPI作为测量系统,在精确提供焊膏的面积,体积,高度,形状偏差等数据的同时,更重要的是结合工艺过程控制软件(SPC)来分析这些数据的趋势,而趋势是表现了某种潜在因素而导致的结果变化,从而改进相关参数消除不良的趋势。

 

焊膏印刷工艺在很长的时间内都是困扰工艺人员的难题,这是因为焊膏印刷工艺中包含了大量的不确定参数,如焊膏类型,成分,使用环境(温度,时间,搅拌状况。。。),钢网(厚度,开口方式,大小,形状),印刷头,印刷速度,压力,脱模方式,脱模速度,清洗等等。 而这些不确定参数又是相互影响的。

 

从这些相互影响的不确定参数中,如何找出问题,这就是SPI可以提供的能力,可以让工艺人员明确的了解目前的印刷结果。在控制印刷工艺中,最重要的就是印刷转移效率(TE)的百分比和焊膏沉积的标准差。实际体积(Measured Volume) 和目标体积(Target Volume)的百分比在大多数状况下决定了印刷质量的好坏,虽然这个百分比的范围较为宽阔,由21%130%,但如何确认并保持又变的尤为重要了。


另外,焊膏的形状,偏移等因素也在一定程度上会造成不良品的产生。一般来说矩形的钢网开口的转移效率要好于圆形和正方形,但在连续两片板子的印刷过程中,前后刮刀也会影响到焊膏的转移效率,而转移效率降低而了,标准差就增加了,在连续生产中造成的趋势就是体积制程能力的降低。

 

SPI的技术发展

SPI在过去的十年里,从最初的焊膏测厚仪到今天的三维检测,经历了不断发展和变革的过程。所有目前SPI所采用的数学模型的核心都是三角测高法,通过一侧成一定角度的投射光在焊膏表面形成畸变,由设置在顶部的垂直相机捕捉畸变,根据三角测高法测出高度,乘以焊膏面积,从而得到被测焊膏的体积。 

 

SPI的分类

从光源性质上分为激光和结构光栅两种,从检测方式上分为扫描和步进式两种。下面就这些技术来讨论各自的优缺点。

 

激光

1) 投射光为激光,一般的激光束精度为40um

2) 对于极小型元件会有检测精度达不到的情况产生。无法有效测量01005(英制)器件焊盘

3) 检测方式为扫描(Scan)。对机械驱动的精度要求很高,对环境中的震动较为敏感。

4) 对被测物体进行一次采样,所测数据的准确性不高。

5) 激光束为红色,对于某些颜色的线路板检测有局限。当线路板由于不同供应商或不同批次发现色差时,测量波动非常大

6) 桌面型的设备不可以做到自动检测。 

 

结构光栅

目前所有的结构光栅检测 都是基于相位调制轮廓测量技术(Phase Measurement Profilometry 简称PMP),是一种基于正弦结构光栅投影,离散相移获取多幅变形光场图像,再根据多步相移法计算出相位分布,最后利用三角测量等几何方法得到高精度的体积测量结果 

 

1) 投射光为白光,检测精度可达0.39um

2) 形成结构光栅的方式又分为两种,一种是采用在玻璃片上通过摩尔(Moire)效应产生,另一种是采用可编程光栅(PSLM)产生。

2.1)Moire光栅玻璃通过压电陶瓷马达(PZT)进行驱动,机械传动的方式会随着设备使用的时间而产生损耗。

2.2)PSLM完全采用软件编制结构光栅并软件驱动,无机械传动部分。使用寿命长且使用灵活。

3) 检测方式分为扫描(Scan)和步进(Step)两种

3.1)扫描方式速度快,对机械驱动的精度要求高,对环境中的震动较为敏感。

3.2)步进方式(又称Stop & Catch),稳定,精度高,对震动不敏感

4)对被测物体进行3次以上的采样,所测数据的准确性高。

5)对颜色不敏感。

6)桌面型设备可以和在线型设备一样通过导入GeberCAD,进行自动全板检测。

 

阴影的影响

目前所有的SPI都采用三角测高法,在物体的一侧设置光源,由于被测物体的形状,在相对于光源的另一侧都会产生阴影效应,从而对实际测量结果产生影响。据计算,由于阴影效应的影响,测量误差可能达到40%以上。如何消除这么巨大的误差,目前有两种不同的方式来解决:

1. 双投影技术(FAHP,就是在被测物体的相对两侧各设置一个投影装置,类似医院中使用的无影灯,交替对被测物体进行测量。从而消除阴影效应。

 

2. 同步漫反射(Diffuser lighting,在我们现实环境中,阴影的部分固然存在,但不是观察不到,如我们在大树下,虽然没有阳光直接照射,但我们还是看得到树下的物体。一来周围环境会提供漫反射的光源,二来我们的眼睛可以根据物体的亮度自动的调节。同步漫反射解决阴影效应的影响就是软件会自动控制照相机的曝光来处理阴影部分,对亮的部分拍暗的照片,对暗的部分拍亮的照片,再进过图像处理得到完全的数据。

 

以上两种方式都可以解决阴影效应所带来的问题,但FAHP在测量时是左右交替进行的(如果同时测量会光栅干涉,造成无法测量),对于检测时间有影响。而Diffuser lighting方式就可以降低检测时间。

 

以上综述了SPI的结构原理及分类,但如何将SPI运用到实际生产中去?目前大多数的SMT用户是依靠经验丰富的工艺工程师来调节印刷工艺的,虽然有传统的工艺指导书,但往往还是会带来这样那样的问题。关键问题是在对当前的印刷状况不清楚,很多问题要通过贴片后的检测来推断是否是由于印刷品质造成的。所以实时的了解印刷状况是必不可少的。并结合过程控制软件,对印刷品质进行实时的分析,通过Xbar-S; Xbar-R; Histogram Chart; CP; CPK; Gage Repeatability等数据了解目前的生产状况并分析潜在的工艺趋势,最终针对性的调节印刷工艺。

 

随着SMT的不断发展,先进制造技术要求先进的工艺控制。越来越多的工艺工程师和质量管理者已经开始运用软件工具从工艺控制的角度上来管理生产线。SPI不是用来控制印刷机的,而是用来帮助印刷机找到最佳的工艺窗口,实现长期的在线印刷工艺管控。SPI必将和印刷机联系在一起,形成全闭环(Closed Loop)控制;和贴片机的通讯连接,处理Badmark和共享元件位置等功能,将大大的提高工作效率,降低生产成本。SPI将成为SMT工艺中的一个标准装备。

 

威尼斯人智能科技股份有限公司已经于2010年研发并推出了中国第一台三维结构光栅焊膏检测系统,目前已经有全系列的桌面型T系列,在线型InSPIre系列,Ultra系列,F系列,S系列等三维锡膏检测系统,均采用最先进的PSLM PMP技术和同步漫反射技术,速度和精度可以精密测量极小元件(03015)的锡膏印刷状况,可以覆盖从50x50mm1200x550mmPCB尺寸,准确应对各种不同颜色的基板,具有自主知识产权,已获得多项专利授权。结合SPC过程控制软件,提供给使用者可靠,便捷的使用。


中国领先的SPI制造商

厦门威尼斯人智能科技股份有限公司 

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