IPC-9850表面贴装设备性能检测方法

《IPC-9850表面贴装设备性能检测方法》介绍
引言 Introduction
范围Scope
标准以特定的文件格式来表征表面贴装设备（以下简称贴片机）的机器贴装能力，在保证贴装速度与贴装精度相对关系的条件下，对用于贴片机贴装能力因素的检测方法进行了规范化，标准化。
目的Purpose
IPC-9850对用于表征贴片机技术性能分类，检测的参数，测量程序及计算机方法作了定义及规定。标准规定了在进行贴片机性能检测时，应使用这些标准化工具获得并记录涉及贴片机性能检测的全部信息。
背景Background
随着表面贴装技术（SMT）的发展，贴片机用户不断提出一个重要的问题；即在给定的SMT制造环境中，设备应具有最佳的状态来完成其规定的功能及指标。表面贴装技术的优点是把器件精确快速地贴放到印制板的电路焊盘上。这是选择贴片机的最起码条件，由此人们便认为贴装速度最快，器件损伤最低的贴片机是最好的。
初期，评估贴片机是最常用的方法是考核实用印制板的贴片产额。由贴片机贴装大量用户提供的实用器件与印制板，目检贴装偏差，人工逐个计数。最后判定贴装废品率最低最耐用的贴片机为最好的。现代贴装机产额及可靠性指标的量化评休，需要收集非常大量的有效数据，进行数据处理分析最终才可以得到结论。标准规定了包括贴片机的产额及可靠性的全套工具，以指导贴片机制造厂商和用户改善目前仍在使用的一些方法。
随着微电子器件封装的日趋精细，印制板面器件的排列间距也愈加紧密，最终促使印制板上安装的器件数量递增，电路贴装密度提高，所有这些因素明显地对表面贴装技术设备提出了更高的要求，贴片机除高产额及高可靠性的性能指标外，对贴片机的器件贴装速度及贴装精度的要求也越来越高。
一般讲，贴片机的制造厂商都会选用自已定义的参数和方法来表述各自设备的产额及贴装能力的性能。由此带来许多技术指标的定义及测量方法的不一致，对同类型贴片机相互间的比较是非常困难的。要得到可比较的数据，必须在同样的条件下，安装需要对比的贴片机，大量器件贴装操作分析比较进行评估。但这种方法对制造厂商和用户讲是相当费工费时，且其成本也是极其可贵的。
标准通过对表征贴片机能力的相关参数标准化，简化了整个评估过程。把产额与贴装质量联系在一起，提出了贴装速度与贴装精度的关联性。制定了贴片机能力因素测量的一些基本方法，一但用户认为设备性能不正常时，减少了与制造厂商之间产生不必要的矛盾。这些测量方法具有一致性及可检验性，于是制造厂商与用户间提供了一个双方可接受的方法。
标准规定的方法是将贴片机固有的机器性能从SMT过程的诸多工艺变量中分离出来，如焊膏印刷，器件质量，封装质量，印制板质量等。标准规定对贴片机的贴装速度及贴装质量的检测方法，整个测量过程是将标准器件贴装到复贴粘胶带/纸的玻璃样板上。实践经验证明，如贴片机能在复贴粘胶带/纸玻璃样板上精确地贴装器件，则在生产时同样能精确贴装。而且，通过在粘胶带/纸玻璃样板上进行贴装工艺改进，可直接用于指导生产时产品质量的提高，虽然这种方法并不能提供完美的予测生产质量的信息，但为了消除因操作者，产品，工艺等因素变化而产生的不利影响，这种方法是可取的。
检测系统实时测量印制板上贴装器件的排列定向及位置偏差。使用（AOI）自动光学检测系统测量贴片机能力因素以已成为现实。
由于高速贴片机的精密贴片机在某些性能指标上的重叠，标准没有完全将这两种类型贴片机加以区别开来，准许用户根据制造厂商提供的技术数据报告决定某类型贴片机的应用范围。
标准采用的表征参数由描述贴片机能力最基本的参数组成。允许在某些情况下可附加测量参数项。标准选用的一系列表征参数可作为制造厂商技术说明书中的核心部分，这部分在将来新版本中按技术条款进行修订。
每种类型贴片机有很多种硬件与软件的组合，标准不可能复盖全部。但每种组合的差异都将会影响贴片机的整体能力，用户应该懂得这些关系，而且应了解到标准中每一项参数的限制及所提供的灵活性，这样才能达到正确的评估结果。
本文件的主体是技术标准，在文件中的条款规定为具有制约力时，使用“Shall”一词。附页仅作参考之用。（译者注：译文中凡有下划线者为制约性条款）。
测量器件样本Test Components
标准规定选用五种器件封装形式—QFP100，QFP208，BGA228，1608电容器，SOIC16代表贴片机贴装器件封装的适用性范围。有关测量器件样本的详细材料见表3-1，第6节。
检测评估贴片机时，目的之一是取得由贴片机固有引入的贴装误差。为把贴片机所造成的贴装误差分隔开来，就需要其他因素对贴装检测全过程的影响。使用几乎完美的测量器件样本就能减少贴片机误差评估的影响，这些器件样本使得因器件封装间尺寸变化的影响降到最小。例如，选用1608片式陶瓷电容器用作测量器件样本，因为陶瓷叠层电容器的边沿制造工艺精密，呈方形。而片式电阻未被选用，是因为经光学坐标测量系统（CMM）检测，器件顶部边沿与用作贴装面的边沿及底部很难对准。片式陶瓷电容器引线端略有些弧形，也会存在一些未定因素。
SOIC-16作为测量器件样本，因为其较低的成本及结构坚固。SOIC-16可代表贴片机对粗引脚间距器件印制板的贴装能力，几乎所有贴片机都能贴装SOIC-16器件，这样使用SOIC-16可对各种贴片机进行比较。SOIC-16，1608两种器件封装都采用卷带包装成本较低，大多数贴片机都能达到其最大的贴装速度，1608，SOIC两种器件应满足JEDEC标准规定的技术要求。（JEDEC，美国电子器件工程协会）
一种检测用的玻璃器件样本采用薄膜工艺制作器件封装图象，不存在引线弯曲变形等缺陷现象，适用于贴片机的光学视象检测系统，可检测得到完美的器件封装图象。玻璃器件样本的基准标志图形，提高了坐标测量系统（CMM）测量速度。根据基准标志坐标，CMM可测量得到每个器件样本图形的实际位置，取代原来采用的器件引脚，封装边沿尺寸等方法。玻璃器件样本的基准标志经美国国家标准协会（NIST）鉴定，基准标志是唯一可用于表征器件样本图形坐标位置的参考点。在检测及未知干扰对贴片机视觉系统正常操作影响时，玻璃测量器件样本的基准标志不需要贴片机进行处理，这就减少了因贴片机光学测量系统引入的误差。显然经鉴定的玻璃器件样本基准标志将测量系统导致的测量误差降到最低程度，这对于贴装偏差标准界限严格的精细引脚间距器件（QFP，BGA）尤为重要。
在标准中，有两种QFP封装，一种BGA封装形式的玻璃器件样本，分别代表QFP-100，QFP-208，BGA-228器件，用于对具有IC贴装功能的高速贴片机与多功能精密贴片机贴装能力的评估比较，为保证测量的一致性，玻璃器件样本在华夫盘中的安放位置应同一方向排列。
其他封装形式的SMT器件也可按照本标准规定的方法制作，作为标准的扩展部分，可制作Micro-BGA，Flip-Chip封装的玻璃器件样本，代表相应的实用器件封装。有关增加器件样本的要求在本标准后面叙述。
检测样板Test Panel
标准的评估方法规定将选定的器件样本贴装在复贴粘胶带/纸的玻璃检测样板上。这种方法有两个优点；一是玻璃样板相对环氧玻璃丝层压板几何尺寸稳定，后者对收缩弯曲敏感。其二，可使用标准的化学坐标测量系统（CMM）对样板进行照明，CMM能完成高精度高速度大批量器件的测量。
为简化测量评估方法，标准规定检测样板的尺寸规格，进行各种类型的器件贴装检测评估。在标准中这种检测样板称之PVP（Placement Verification Panel）贴装检测样板。PVP基准标志的位置符合NIST标准要求，这些基准标志用于贴装及测量设备的定位。标准检测样板可配用于下列器件样本组（一批一种器件样组）：
a.36QFP-100，b.30QFP-208，c.100BGA-228，d.80SOIC16，e.4001608（片式陶瓷电容器），粘胶带/纸的应用需要经验，正确的粘贴工艺能固定器件的贴装位置，如用量太多则会产生强烈的背射光干扰。粘胶带/纸按相应指定应用指南。
测量Measurement
标准着重保证测量工具能正确表述整个测量过程，测量工具提供用户一种对制造厂的技术报告进行检查的方法，能保证两者在双方共同接受的原则下，正确评估贴片机的性能。光学CMM是评估表面贴装过程的有力工具，其精确度与重复性明显高于贴片机，对CMM要求具备的测量能力主要取决于被测器件的类型及制造厂提交的器件贴装偏差标准界限的技术条件。
评估测量系统性能的可接受条件称之为测量重复性及再现性（GR/R），测量重复性及再现性（GR/R），确定对同一被测对象的多次测量结果的一致性。其要求测量数据的不确定性（6ⅹGR/R偏差）在优于25%被测对象技术指标范围的。GR/R关注的是测量数据的一致性，不是测量数据的精确度。对坐标测量系统（CMM）的测量精确度检测较准，附录G进行计论。
光学坐标测量系统（CMM）的精确度检验采用的是由经过鉴定的标准CMM校准样板的进行对比校准方法，标准规定使用由表面薄膜工艺制作器件封装样本图象的玻璃平板，经NIST鉴定作为标准CMM校准样板传递。检验CMM的过程是把CMM对标准校准样板的实测数据逐一对比该标准样板鉴定报告书上的数据，计算得到其精确度。
设备Equipment
CMM测量设备可接受条件是对某一给定器件封装类型，在规定的校准检测程序下，应满足或超过测量重复性，再现性（GR/R）及精确度的技术要求。
自动光学坐标测量设备由于测量速度快，受到许多贴片机制造厂商和用户的普遍好感。为得到有意义的统计评估结果需要大量的测量数据，需要测量的高速度。虽然本方法已证明能很好工作，但存在一些显著的局限性，这些局限性制约了实际SMT过程一些结果的描述。
CMM原先专为设备制造厂研制的，其光照系统和测量工具未为测量SMD器件进行优化设计，测量评估是利用被照明贴装在PVP面上的器件样本，在CMM上得到高清晰质量PVP样板及器件样本和图象，然后测量器件样本坐标位置。
CMM的缺点除了成本及没有灵活性，CMM的可靠结构，精密定位及高质量图象等特点，其价格昂贵。CMM需要精密校准，对环境条件变化敏感，使得CMM不便于移动。
报告Reporting
测量结果应记录在标准格式的表格中，贴装性能测量表格的格式是IPC-9580-F1（Placement Perfor-mance Form），本格式有两项，其一是贴片机的型号，表示该类型贴片机的通用性能，二是贴片机的序列号，确认本机器的技术性能。贴片机的贴装速度及贴装精度一并在表中列出。
IPC-9580-F1由CMM测量器件样本贴装偏差的能力确认IPC-9850-F3（CMM Capability to Evaluate Metric Parameters）格式的支持，后者CMM校准检测表格用于对贴装性能测量表IPC-9580-F1贴装检测数据的测量保证。
IPC-9580-F2（Reliability Performance Form）是可靠性数据格式，提供用户记录数据所确定的结果。其不象贴装性能测量表格（IPC-9850-F1）列出的保证性能，而是用户在其工厂根据收集相当量数据所得到的可靠性水平，这个可靠性格式为制造厂建立了一个基础，据此提升SMT设备的可靠性，可维护性，实用性。
第七节，列示上述全部表格格式的副本。
数据处理的方法Data Methods
贴装偏差数据的统计处理，我们假定所有的偏差都服从正态（高斯曲线）分布法则。但事实并非如此，存在其他分布形式的数据也是正常的。正因如此。标准规定贴片机能力因素CPK为2.0，1.33两级水平，这表示贴片机的贴装偏差重复性精度分别为99.9968%，99.9999%。用户在考核贴装偏差的分布是否符合正态分布法则，重要的是取决于贴片机贴装偏差的水平与能力因素CPK；1.33，2.0正确的相连关系。
基准标志Fiducials在PCB或其他玻璃，陶瓷等电路基板安装面上用于贴片机视觉对准系统对基板进行定位及定向的图形标志。
器件 Component用于在电路基板上构成功能电路的表面贴装器件。
贴装偏差Placement Error 实际贴装器件位置与由贴装程序经贴装机定义的器件位置，两者之间的物理距离。
检测样板Slug由NIST鉴定的有基准标志及器件封装光学刻蚀图形的玻璃检测样板。
X轴向平均偏差XDEV器件贴装X轴向的平均偏差（平均检测样板上“9850 Verification”标志）。
Y轴向平均偏差 YDEV器件贴装Y轴向的平均偏差（垂直检测样板上“9850 Verification”标志）。
Ө轴向平均偏差Ө DEV 器件贴装Ө轴向的定位角度平均偏差（环器件X-Y轴面中心）
伸出 Overhang 器件引脚的宽或长方向超出焊盘轮廓线的边沿部分，其原因是器件贴装时，X，Y，Ө轴向综合误差所致。
辅助 Assist在贴片机运转周期内发生的意外中断，其需要满足下列三个条件，即可恢复正常运转：
a.通过外部的干涉（操作者用户，人工或主控计算机），中断的贴片机重新运转。
b.除制造厂指定的易耗另部件外，不存在贴片机另部件的更换。（此定义区别由贴片机贴装SMD器件的作）。
c.贴片机技术文件的操作规定不作进一步更改。
贴装时间 Build Time 贴片机吸持、贴装检测样板上全部器件所占用的时间，包括检测样板基准标志识读及吸嘴变换时间。
故障 Failure与支持(Assist)不同，由规定的贴片机操作发生变动或意外中断，为贴片机继续运转，按性质更换贴片机另部件或重新启动。
产额Net Throughput每小时贴片机在检测样板上贴装器件样本的数量。
维修保养Preventive Maintenance (PM)按制造厂制定的PM日程计划，停机进行维修保养。
重复性精度Repeatability多批次电路基板表贴器件贴装位置的标准偏差。
贴装流水时间 Tact Time 给定的贴装程序下，在检测样板上贴装单个器件样本所占有的平均时间，不包括基准标志识读时间，吸嘴变换时间，换板时间。
全程序贴装流水时间 Total Tact Time给定的贴装程序下，在检测样板上贴装全部器件样本所占有的平均时间，不包括基准标志识读时间，吸嘴变换时间，换板时间。
转换时间 Transfer Time检测样板送入，送出贴片机的整个传送时间，不包括在贴装工作区检测样板滞留的时间。
a. 送入及送出贴装工作区的传动
b. 在贴装工作区，检测样板被夹持固定及送开的时间
单位制Units of Measurement
标准的所有尺寸均采用国际单位制，括号内为英制。如器件1608R，1608C片式元件等同于0603（60mil×30mil）。