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现代点胶机准确度的测量
更新时间:2008-09-16
电子制造技术的需要，正有力推动印制板更加小型化，更高的组装密度的发展趋势。这也促使现有的SMT组装设备在提供高产能与高产量能力的条件下，具有更高的组装精确度。
通常，现代点胶机技术性能仅规定指定X/Y重复性与/或胶点位置精确度，以sigma值表示。然而这些技术指标不能包含与定位传动机构关联的误差，但这却对决定设备最终的准确度与重复性指标起到非常重要的作用。有许多因素影响定位精确度；包括X/Y梁架，摄像机校准，基准示教误差，以及摄像机与点胶针管偏置的计算。为确定设备真实的机械能力包括；定位精确度，以Cpk值表示。制定新测试方法应将所有产生影响的因素估算在内，称之为‘全系统能力’。点胶机‘全系统准确度’的计算应包括相对于定义的目标位置，胶点在基板上点印位置的准确度，使用该系统就可能确定真实设备能力，提供在各种应用场合，设备怎样工作更多的认识。
.引言与背景
与现在的电子组装设备相比，早期的点胶机及其他许多组装设备既不准确又不精密。之所以能被接受是因为早期的点胶工艺要求既不严格也不苛刻。那时点胶工艺自动化相对来讲也较容易。如乳胶阻焊，焊膏与密封胶等材料。大多数点胶工艺是由操作者按要求跟踪胶点的行迹示教给机器，随之保存待后使用。一项工艺的成功则依靠精密准确的夹具与图形复原的重复性。
点胶针管梁架传动机构的准确度
上世纪九十年代初，SMT得以高速发展，设备的准确度成为重要的技术性能。用户需要微量点印，在焊盘间点印微量表面安装粘接剂将无源器件和SOIC固定在印制板上。与 ‘示教’方法不同，数字控制点印技术已出现，从而系统准确度变得更加重要。设备制造商开始采用多种方法来表示自己的设备能力，有些设备准确度的表述为；某值+.005inchs。
对准确度数据评价时，重要的是要知道这些数据是怎样采集得到的。确定针管梁架传动能力的一种方法是；按照一些特殊确认方法分别测量每个传动轴的准确度。 长行程测试仪与激光干涉仪是两种最可靠的方法，其次较低准确度，使用机器内置反馈机构。根据这些测试得到的数据，画出目标值与实际测量值位置图表，判断系统达到指令位置的能力。只要所有的测量数据都集聚在技术条件规定的上/下界限值内，可确认点胶针管梁架传动机构是优良的。其测量结果分布如下直方图所示；（图1）
图1测量数据上下偏移分布
测量结果满足上下偏移的要求，但存在烦扰的倾向，仅两个测量数据在0偏移，其他所有的测量数据分布在很宽的范围内（-0.003/+0.004），但此图无法清楚地显示测量数据总体的趋势。完全地掌握梁架传动机构的能力与精确度，必须采用SPC（统计过程制）方法。
统计过程控制方法（SPC）
本文并非专题向读者介绍SPC，而是回顾其中与SPC相关的一些定义和背景知识，理解怎样使用SPC方法能简单地掌握设备的机械能力。
术语的定义
标准偏差/sigma
标准偏差是较难理解的，标准偏差是一个统计量值，其告诉你全部各种各样样本如何环绕在平均偏差紧紧地聚集。若样本被适当紧紧地集聚，成为陡峭的，则标准偏差值是小的，若样本离散分开，钟状曲线相对平坦，则此时的标准偏差值相对大，标准偏差（σ）表示。
Cp 表示过程能力，其表达式如下；
若Cp <1.0,则过程未在控制中，任一过程要求Cp > 1.0。
CpK:与目标值关联的过程能力因素，其表达式如下；
USL,LSL 技术条件上下界限
上下界限值(USL,LSL)是由用户定义的过程边界确定的。如用户未阐述，一般选定3σ为上下界限数值。
富有经验的技术人员很清楚地知道；Cp > 1.0，则Cpk = 1.0。
When re-evaluating the data used in the plus minus example, one standard deviation of the data used is equal to .0022.Multiplied by 3 results in 3 standard deviations or 3ó
. Simply put, the data that appears to fit within +. 005 is:
从上述上下偏差样本分布图可得；一个标准偏差（σ）等于.0022.，三个标准偏差（3σ）等于,0.066,
USL / LSL等于 +/-. 005 ；
上例样本的平均偏差(mean)等于0.0001,
Cp = (USL – LSL) / 6σ = 0.010/0.0132 = 0.76
Cpk = (μ-LSL) / 3σ =(0.005-0.0001)/3σ = 0.74;
(USL-μ)/3σ = (0.0001-0.005)/3σ = 0.74
图 2
图2所见钟形曲线分布，从计算的Cp/Cpk值，可推断系统被测量传动轴未在控制之中。
点印精确度
上述例举数据直接从梁架传动轴测量得到。为更好地评价系统的能力，测试使用一台光学检测设备，Aant Supra，Optical Gaging Products, Inc.制造。测量点印胶点或线条的X/Y轴向的座标位置 。这种方法可精确地测量系统性能，包括对系统的全面评价，不仅仅是梁架传动轴。检测设备测量报告列示测量点印胶点或线条的X/Y轴向的座标位置。先进测量系统内置SPC软件包，计算过程能力。
系统误差机理
点胶机系统中有许多机构都会对点印误差产生影响；
1 梁架传动机构能力 — 梁架传动轴提供达到精确座标位置的能力。
l 基座 必须有一个刚性减振的支撑系统，保证梁架机构有一个坚固的基础。
l 运动部件 为在负载条件下，达到最大的加速度与最小偏差，运动部件质量必须相等轻及刚性。
l 轴承 需要恒速，低磨擦，高刚性轴承。
l 驱动电机 电机安装应接近及刚性连结负载，保证传动机构有足够的运动能力，快速稳定。
l 高分辩线性反惯与运动机架紧紧连结 。
l 小型化设计 轴承与反惯部件应接近工作面，减少引入Abbe’误差。
l 电机与控制系统，电机与控制系统 必须提供敏捷的运动，具有极小的过冲与稳定的状态误差。
2 视觉与对准系统
l 摄像头视场量值参数： 这是个变换参数，通常的表达式为mm/pixel，对于特征位置的精确计算是至关重要的。如；0.0356 mm/pixel 与0.0354mm/pixel间的差别似乎小，若观察以特征是400 象数宽，两者记录的特征尺寸差别将有0.080mm之多!!
l 搜寻特征/测量过程记录的位置误差：稳定的工作平台，高分辩率，高速反惯是关键。如搜寻到基准或一条边沿，但是由于梁架传动机构的不稳定性，可能记录不同的位置，接下来自该位置记录的所有数据是错误的。这样导致点印图形的实际缩放比例与转动的误差。
l 摄像头与针管偏置校准误差：通常摄像头与针管偏置校准程序使用多重过程。例如在一平面上点印一胶点，摄像头移动到该点的位置，获得该胶点的图像。经系统分析此胶点图像，确定该胶点在摄像头的视场中，记录位置象数，然后使用摄像头视场量值参数转换为毫米尺寸。可看到在摄像头与针管偏置校准附加视场尺寸与位置误差。
3 液态胶体实际点印误差
l 针管形状与清洁度：液态胶体离开针口/针管端头的任何变化都将影响胶体点印位置误差。为了极大地减小这种误差，必须使用高质量的点印针管。除此外，需要Z轴垂直运动的精确性与重复性，以保证针口/针管始终处在正确的高度位置。如针口/针管被污染，这将引起胶点放置时的变化。影响偏差大小的因素是；污染量，胶体材料从针口释放点到基板的距离，点印速度或粘度-因为弹道学原理，非接触/喷射方法的影响可能更大，
全系统的准确度： 最好的测试新方法
克服这些缺点与不利影响，需要真实评价点印系统新的测试方法。如上所述“全系统准确度”。新测试方法使用一块坚固的基板，板面刻蚀基准标志。基板是由具有高透光性与热稳定性的光学悬浮玻离制成，几何尺寸；240×330mm。基板四角刻蚀黑色基准标识，直径1.5mm，这些基准标识相互的位置是已知的，并经光学检测设备测量鉴定。
图3 点印测量玻离基板
测试玻离装入点胶系统，提举，采用印制板相同的方法夹紧固定。为点印粘接材料安装适配的点印泵，且按常规校准程序进行操作。基准标志示教系统，精密距离尺寸输入图形。以玻离板低边基准标置为参考点，（低右基准标志为角度对准图形，低左基准标志为锚定点），玻离板均布点印编程， 短边向8行，长边向9列，纵横正交成均匀栅格，如图3所示。胶点特征（适用于高速点印的提举高度，尺寸，持留时间等参数）。为保证测量结果与实际生产条件相同，采用典型的SMT图形，不进行特别编程处理。测量使用SMT常规粘接材料，具有高的触变性与粘接性能——这样在整个测量过程，胶点能在玻离基板上保持其原始形状与位置。按图形程序在玻离基板上完成粘接胶点印后，将其放入测量系统。测量系统确认基准标志，测量胶点相对基准的座标位置。下例是使用这种测试方法及测量结果。
测量结果
‘全系统精确度测试’的测试方法使得诊断误差更加容易。有些例举测量计算结果得；低Cp，低Cpk，这是最坏的情况。设备即不能重复地也不能在接近目标位置的平面上点印。造成这种缺陷的原因，通常是；
l 针管梁架传动机构损坏
l 使用成旧的点印工艺
l 胶体淀积不良
l 玻离基板夹紧装置送动
l 摄像头/点印针管非重合性校准不良
l 基准标识图形或搜寻技术不良
图4 低Cp/低Cpk胶点分布
高CP 或 低标准偏差与低Cpk，其因是；
l 摄像头/针管非重合校准不良
l 基准对准不良
这些条件点印胶点能很好集聚，但偏离目标位置。设备的有些部件能很好运作，但造成偏离目标的系统那些部件必须改进。（图5所示）
图 5
Cp ≌ Cpk 系统重复性差，但能很好接近对中目标。（图6所示）
图 6
图 7
图7所示胶点聚集成丛，（Cp）对中目标值（不是理想状态）（Cpk）
符合要求条件分析 | ||||
x | y | |||
0.0146 | 0.0041 | mean | 0.0508 | USL |
0.0080 | 0.0078 | 1 std | -0.0508 | RSL |
2.1 | 2.2 | Cp | ||
1.5 | 2.0 | Cpk | ||
表 1
从表1可得；X轴；Cpk小于Cp。X轴Cp值表明设备具有精确能力。Y轴；表明系统在控制之中，事实是系统具有6 Sigma可靠性。图8所示直方图为每个轴的各自偏差分布。注意；图示钟形曲线陡峭由宽度窄，形象地显示每个轴的性能。
图 8 X/Y轴直方图
Cp与Cpk为何如此重要？
图形说明Cp与Cpk如何用于表示设备怎样很好地完成分配的工作，下面来分析一项典型高精确度的点印工艺。许多高密度组装应用中，倒置芯片（Flip-Chip）与邻近的无源器件间的间距小，点印要求是针管或底部充填材料在这个小间隙内能无阻地自由运动，当接触芯片时，不致于因接触芯片造成芯片顶部污染。例如间隙是0.5mm宽，针管直径0.25mm。在针管未触及前,保持全部0.25mm空隙。所以0.25mm（或+/-0.25mm）成为点印工艺界限值。如大于该界限值将导致针管碰触或底部充填材料沾污芯片邻近器件。
Cp值表示提供目标位置，予期达到的重复性大小。Cpk值的含义包括重复性及对中目标偏差。
这是系统机械能力唯一真实的表示方法。
结 论
造成液态点印位置不准确性的原因有很多。一种新的测试方法 —— ‘全系统准确度’ ——能用于确定设备中存在的综合原因何在。工作平台与梁架传动系统采用刚性支撑机构保守设计，刚性支承系统，高分辩率反惯器件 达到更高的稳定性及响应度。这样达到最小点印误差，点印分布紧紧聚集成丛。 可靠设计与制造的视觉系统与灵活的算法给控制单元提供高质量的定位信息实现高的对准准确度。不管你以据基准标志点印粘接材料，或以据器件边沿点印线条，都能获得令人满意的实际效果。组装设备的用户不必再购买新的设备，而是按本文提出的设备与方法实施 – 更正确地讲，应认真对待的是；用户必须检查核对设备制造商对其设备与方法的保证。加之，著名的第三方确认服务公司也可以提供同样完美的信息。
