貼片機標準與常見故障及解決方法
來源:LED導航網      作者:Admin      發表時間:2011-12-02 11:22:20      瀏覽:2401

貼片機視覺系統工作原理
  [2]  圖1 元件貼裝的有關坐標系
高性能貼片機普遍采用視覺對中系統。視覺對中系統運用數字圖像處理技術,當貼片頭上的吸嘴吸取元件后,在移到貼片位置的過程中,由固定在貼片頭上的或固定在機身某個位置上的照相機獲取圖像,并且通過影像探測元件的光密度分布,這些光密度以數字形式再經過照相機上許多細小精密的光敏元件組成的CCD光耦陣列,輸出0~255級的灰度值?;叶戎蹬c光密度成正比,灰度值越大,則數字化圖像越清晰。數字化信息經存儲、編碼、放大、整理和分析,將結果反饋到控制單元,并把處理結果輸出到伺服系統中去調整補償元件吸取的位置偏差,最后完成貼片操作。  

 那么,機器通過對PCB上的基準點和元器件照相后,如何實現貼裝位置自動矯正并實現精確貼裝的昵?這一過程是機器通過一系列的坐標系之間的轉換來定位元件的貼裝目標的。我們通過貼裝過程來闡述系統的工作原理。首先PCB通過傳送裝置被傳輸到固定位置并被夾板機構固定,貼片頭移至PCB基準點上方,頭上相機對PCB上基準點照相。這時候存在4個坐標系:基板坐標系(Xp,Yp)、頭上相機坐標系  圖2 元件貼裝偏差補償值確認原理
(Xca1,Ycal)、圖像坐標系(Xi,Yi)和機器坐標系(Xm,Ym)。對基準點照相完成后,機器將基板坐標系通過與相機和圖像坐標系的關聯轉換到機器坐標系中,這樣目標貼裝位置確定。然后貼片頭拾取元件后移動到固定相機的位置,固定相機對元件進行照相。這時同樣存在4個坐標系:貼片頭坐標系也是吸嘴坐標系(Xn,Yn)、固定相機坐標系(Xca2,Yca2)、圖像坐標系(Xi,Yi)和機器坐標系(Xm,Ym)。對元件照相完成后,機器在圖像坐標系中計算出元件特征的中心位置坐標,通過與相機和圖像坐標系的關聯轉換到機器坐標系中,此時在同一坐標系中比較元件中心坐標和吸嘴中心坐標。兩個坐標的差異就是需要的位置偏差補償值。然后根據同一坐標系中確定的目標貼裝位置,機器控制單元和伺服系統就可以控制機器進行精確貼裝了。   元件貼裝的有關坐標系如圖1所示

    元件貼裝偏差補償值確認原理如圖2所示。
貼片機完好標準
主要性能指標
    1、可貼裝元件的種類、規格、貼片方向、基板尺寸、貼片范圍符合說明書指標;

    2、貼片速度:以1608片狀元件測試CPH貼裝率不小于標稱的IPC9850速度的60%,或SPC速度不大于標稱速度的2倍;      3、飛片率不大于3‰;
操作系統
  1、各種指示燈、按鍵、操作手柄外觀完整,操作、顯示正常;

   2、計算機系統工作正常;

   3、輸入輸出系統工作正常;
機械部分
  1、各傳送皮帶、鏈條、連接銷桿完整,無老化損壞現象;

    2、各傳動導軌、絲杠運轉平穩協調,無異常雜音,無漏油現象;
空壓控制部分
   1、驅動氣缸、電磁閥以及配管、連接頭無異物堵塞、無松動漏氣。驅動氣缸及電磁閥工作正常,無雜音;

   2、壓縮空氣的干燥過濾裝置齊全完好;

   3、貼片頭真空度不小于500mmHg;
貼裝精度
  即元件中心與對應焊盤中心線的最大偏移量,不超過元件焊腳寬度的1/3(目測);或異常偏移發生率不大于3‰。   儀器、儀表外觀完好,指示準確,讀數醒目,在合格使用期限內;

  設備內外定期保養,保持清潔,無油污,無銹蝕,周圍附具備件等排列有序,設備潤滑良好。

高速貼片機常見故障與排除方法
  為了能夠在現如今激烈的市場競爭中贏得一席之地,電子產品制造廠商必須不斷地尋找一條能夠降低產品成本和產品導入市場的時間,與此同時又能夠不斷提升新產品質量的新路。此外還必須改善生產制造工藝和規程,電子產品制造廠商同樣也要促使半導體器件制造廠商將更多的功能溶入微型化尺寸的可編程集成電路(programmable integrated circuits 簡稱PIC)中去。于是,對于高端電子產品的設計和制造,走一條尺寸更小、功能更強和價格更低的道路在我們面前清晰地展示了出來。在此背景下,現如今的可編程集成電路擁有很多的引腳、具有很強的功能,并且采用了具有創新意義的組裝形式。但是希望采用最新PIC器件的電子產品制造廠商必須克服在進行編程過程中所遇到的一些問題。簡單地說,為了能夠順利地對PCI器件進行編程,需要學習一些新的方法。

  1、行業的背景  

 對于PIC器件來說,以往普遍采用DIP、PLCC或者SOIC的封裝形式。然而,隨著人們對緊湊型、高性能產品的需求增加,要求引入更為先進的PIC器件?,F如今的閃存器件可以采用SOP、TSOP、VSOP、BGA 和微小型BGA封裝形式。高性能的微型控制器、CPLD器件和FPGA器件一直到可以采用QFP、BGA和微型BGA封裝形式,其所擁有的引腳數量范圍從44條一直可以達到超過800條以上。   由于非常多的引腳數量和很小的外形尺寸,這些元器件中的大部分僅能夠采用微細間距的封裝形式。微細間距的元器件所擁有的引腳非常脆弱,間距只有0.508mm(20 mils)或者說間隙幾乎沒有。這樣人們就將目光瞄向了使用PIC器件來應對這一挑戰。 具有高密度和高性能的PIC器件價格是很昂貴的,要求采用高質量的編程設備,需要擁有非常優異的過程控制,以求將元器件的廢棄程度降低到最小的程度。  

 在采用手工編制程序的操作過程中,微細間距元器件實際上肯定會遭遇到來自共面性和其它形式的引腳損傷因素的威脅。如果說引腳受到了損傷的話,那么將可能導致焊接點可靠性出現問題,會提升生產制造過程中的缺陷率。同樣,高密度的元器件實際上將化費較長的編程時間,這樣就會降低生產的效率。

  2、在電路板上的編程

  先進的PIC器件的使用者會面臨一項困難的選擇:是冒遭受質量問題的風險,采用手工編制程序呢?還是另外尋找一種可以替代的編程方法,從而消除掉手工觸摸的方法呢?

   為了能夠實現后者,制造廠商們最初開始采用板上編程(on-board programming 簡稱OBP)的方式。OBP是一種簡單的方法,它是將PIC貼裝到印刷電路板(printed circuit board 簡稱PCB)上以后再進行編程的。一般情況下在電路板上進行測試或者說進行功能測試。閃存、電子式可清除程序化唯讀內存(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory簡稱EEprom)、基于EEprom的CPLD器件、基于EEprom的FPGA器件,以及內置閃存或者EEprom的微型控制器,所有這些元器件均采用OBP形式進行編程。

   為了能夠滿足閃存和微型控制器的使用要求,在實施OBP的時候最常用的方法就是借助于針盤式夾具(bed-of-nails fixture),使用自動測試設備(automatic test equipment 簡稱ATE)編程。對于邏輯器件來說進行編程頗為復雜,不太適合利用ATE針盤式夾具來進行編程。

   一項基于IEEE規范原創開發的新型OBP技術可以支持測試,展現出充滿希望的前程。這項規范稱為IEEE 1149.1,它詳細規定了邊界掃描的一系列協議,目前用于許多PIC編程方法中。

  如果電子產品制造商要使用IEEE 1149.1的編程方法時,他們所依賴的具有知識產權保護的工具主要是由各種各樣的半導體制造廠商所提供。但是使用他們的工具進行編程非常慢。同樣,因為他們出于保護知識產權的本能,每個工具僅限于單個用戶所使用的器件。如果說在一塊電路板上的PIC器件是由多個用戶所使用的話,這將是一個很大的缺陷。

   總而言之,使用OBP方法可以消除掉手工操作器件和將編程溶入測試中去,以及制造生產緩慢的現象。然而,編程所需的時間可能也是緩慢的。

   3、ATE針盤式編程

  ATE設備最初的使用是用于對PCB組件進行在線測試,以求發現諸如走線開路、短路,元器件缺失和元器件排列不準等制造過程中所產生的缺陷。針盤式夾具是一種陣列配置,具有彈性荷載的測試端點,它可以在PCB和ATE測試設備的信號策動電路之間形成一種機械和電氣的連接界面。

   一旦PCB可靠地與針盤式夾具連接好了以后,ATE測試設備的信號策動電路將會通過針盤式夾具和PCB,發送編程信號到目標器件PIC上面。除了對機械缺陷進行測試以外,ATE設備也能夠用于對PIC器件的編程操作。對元器件的編程和消除程序被嵌入到電路板測試程序中去,從而用來對目標器件進行編程。

  4、IEEE 1149.1邊界掃描編程

  為了提升PCB組件的密度和復雜性,使電路板和元器件的測試工作面臨著非常大的困難,尤其是對付空間受到限制的PCB組件。為了能夠有效的解決這一問題,一種邊界掃描測試協議(IEEE 1149.1)應運而生。

   IEEE 1149.1測試標準能夠通過一臺智能化外部設備,對在組裝的電路板上的邏輯器件或者閃存器件進行編程。這種編程設備通過標準的測試訪問口(Test Access Port 簡稱TAP)與電路板形成連接界面。所有這些需要采用JTAG硬件控制裝置、JTAG軟件系統、與JTAG兼容的PCB電路板,和一個四線測試訪問口。

   實現邊界掃描工作可以采用一種專業化的專用電路板上編程設備,或者采用另外一種選擇方案,利用由美國GenRad、Hewlett-Packard和Teradyne ATE testers等公司提供的一些工具,于是可以在ATE測試設備上實現IEEE 1149.1邊界掃描編程工作。

   采用IEEE標準的最大優點之一就在于,它可以對在同一塊PCB上由不同供應商提供的各種各樣的元器件進行編程。這樣就可以降低整個編程時間,簡化生產制造流程。

   5、自動化編程(AP)設備

  PIC技術不斷地向前發展,所以新的自動化編程設備和技術也保持著相同的發展步伐。舉例來說,Data I/O''s ProMaster 970自動化微細間距編程設備能夠對采用先進封裝形式的PIC器件進行編程,其中包括BGA、微型BGA、SOP、VSOP、TSOP、PLCC、SON和CSP。雙重貼裝(Dual pick-and-place簡稱PNP) 端頭和可供選擇的可插8、10或者12的插座可以最大程度的提高設備的工作效率。該編程設備也可以進一步涉及有關器件的質量控制。舉例來說,共平面性問題和引腳的損傷實際上是不會存在的,因為集成了激光視覺系統,所以能夠確保非常精確的器件貼裝。

   因為有著多種編程接口和PNP器件的配置,自動集群編程一般可以做到比ATE編程的速度快上5倍到10倍。同樣,這些編程工具是專門為了編程而設計的,不是為了對電路板或者說功能進行測試的,所以它們可以提供非常好的編程質量。

   微細間距的PIC器件可能是非常貴的,所以如果能降低其在生產制造過程中的損傷率,將極大的提升制造商的盈虧平衡點。能夠適用于大多數元器的自動編程系統也是非常靈活的,可以適應于先進封裝器件形式。由于能夠將高生產率、高質量和靈活性綜合在一起,導致了每個器件最低可得到的編程價格常常低于ATE編程價格的20%。

   6、選擇編程的策略

  生產部門的負責人常常會考慮采用編程的不同方式,他們會問:“采用何種編程方式對我來說是最適合的呢?”沒有一種可以滿足所有的應用事例的答案。他們權衡的內容一般會包含有:所采用的解決方案對生產效率、生產線使用的計劃安排、PCB的價格、工藝控制問題、缺陷率水平、供應商的管理、主要設備的成本以及存貨的管理是否會帶來沖擊。

   7、對生產效率帶來的沖擊

  ATE編程會降低生產效率,這是因為為了能夠滿足編程的需要,要增加額外的時間。舉例來說,如果為了檢查制造過程中所出現的缺陷現象,需要化費15秒的時間進行測試,這時可能需要再增加5秒鐘用來對該元器件進行編程。ATE所起到的作用就像是一臺非常昂貴的單口編程器。同樣,對于需要化費較長時間編程的高密度閃存器件和邏輯器件來說,所需要的總的測試時間將會更長,這令人頭痛。因此,當編程時間與電路板總的測試時間相比較所占時間非常小的時候,ATE編程方式是性價比最好的一種方式。為了提高生產率,以求將較長的編程時間降低到最低的限度,ATE編程技術可以與板上技術相結合使用,例如:邊界掃描或者說具有專利的眾多方法中的一種。

   還有一種解決方案是在電路板進行測試的時候,僅對目標器件的boot碼進行編程處理。器件余下的編程工作在處于不影響生產率的時候才進行,一般來說是在設備進行功能測試的時候。然而,除非超過了ATE的能力,功能測試的能力是足夠的,對于高密度器件來說性能價格比最好的編程方法是一種自動化的編程設備。舉例來說:ProMaster 970設備配置有12個接口,每小時能夠對600個8兆閃存進行編程和激光標識。與此形成對照的是,ATE或者說功能測試儀將化費60至120小時來完成這些編程工作。

  8、生產線使用計劃安排  

 由于電子產品愈來愈復雜和先進,所以對具有更多功能和較高密度的可編程元器件的需求量也愈來愈高。這些先進的元器件在OBP的環境之中,常常要求化費較長的編程時間,這樣就直接降低了產品的生產效率。

   同樣,由不同的半導體器件制造商所提供的相同密度的元器件,在進行編程的時候所化費的時間差異是非常大的,一般來說具有最快編程速度的元器件,價格也是最貴的。所以人們在考慮是否支付更多的錢給具有快速編程能力的元器件時,面臨著兩難的選擇是提升生產率和降低設備的成本,還是采用具有較慢編程時間的便宜元器件,并由此忍受降低生產率的苦惱。

  此外,制造廠商必須記住,為了能夠對付在短期內出現的大量產品需求,他們不可能依賴采用最適用的半導體器件。缺少可獲得最佳的元器件,會迫使制造廠商重新選擇可替換的編程元器件,每個元器件具有不同的編程時間、價格和可獲性。對于OBP來說,這種情形對于實行有效的生產線計劃安排顯然是相當困難的。

   因為自動編程擁有比單接口OBP解決方案快捷的優勢,所以對編程時間變化的影響可以完全不顧。同樣,由于自動編程方案一般支持來自于不同供應廠商的數千款元器件,可以緩解使用替代元器件所產生的問題。

   9、PCB的費用  

 近年來,對先進PIC的編程和測試需求有了令人矚目的增長。這是因為芯片供應商使用新的硅技術來創建具有最高速度和性能的元器件。認真仔細的程序設計必須考慮到傳輸線的有效性問題、信號線的阻抗情況、引針的插入,以及元器件的特性。如果不是這樣的話,問題可能會接二連三的發生,其中包括:接地反射(ground bounce)、交擾和在編程期間發生信號反射現象。   自動化高質量的編程設備通過良好的設計,可以將這些問題降低到最小的程度。為了能夠進行ATE編程,PCB設計師必須對付周邊的電路、電容、電阻、電感、信號交擾、Vcc和Gnd反射、以及針盤夾具。所有這一切將極大的影響到進行編程時的產量和質量。因為增加了對電路板的空間需求,以及分立元器件(接線片、FET、電容器)和增加對電源供電能力的需求,從而最終增加了PCB的成本。盡管每一塊電路板是不同的,PCB的價格一般會增加2%到10%。

  10、編程規則系統的選擇   許多電子產品制造廠商還沒有認識到閃存、CPLD和FPGA器件仍然要求采用編程規則系統(programming algorithms)。每一個元器件是不同的,在不同半導體供應商之間編程規則是不能交換的。因此,如果他們要使用ATE編程方式,測試工程師必須對每一個元器件和所有的可替換供應商(現在的和未來的)寫下編程規則系統。

  如果說使用了不正確的規則系統將會導致在編程期間或者電路板測試期間,以及當用戶擁有該產品時面臨失?。ㄟ@是所有情形中最壞的現象)。最難對付的事情是,半導體供應商為了能夠提高產量、增加數據保存和降低制造成本,時常變更編程規則。所以即使今天所編寫的編程規則系統是正確的,很有可能不久該規則就要變化了。另外,不管是ATE供應商,還是半導體供應商當規則系統發生變化的時候都不會及時與用戶接觸。  

 11、工藝過程管理和問題的解決

  基于ATE的編程工作的完成要求人們詳細了解編程硬件和軟件,以及對于可以用于編程的元器件的專業知識。為了能夠正確的創建編程規則,測試工程師必須仔細了解有關PIC編程、消除規則系統和查證規則系統的知識。但不幸的是,這種知識范圍一般超出了測試工程師的專業范圍,一項錯誤將會招至災難性的損失。

   測試工程師現在對所涉及的編程問題,也必須有及時的了解,諸如:元器件的價格和可獲性、所增加的元器件密度、測試的缺陷率、現場失效率,以及與半導體供應廠商保持經常性的溝通。

   同樣,由于半導體供應商或者說ATE供應商將不會對編程的結果負責,解決有關編程器件問題的所有責任完全落在了測試工程師的肩上。  

 舉例來說,如果失效是由于可編程控量突然增加,測試工程師必須首先確定問題的根源,然后著手解決這個問題。如果說這個問題是由于元器件的問題所引起的、由于ATE編程軟件所引起的、該PCB設計所引起的,或者說是因為測試夾具所引起的呢?   這些復雜的問題可能需要化費數周的時間去分解和解決,與此同時生產線只能夠停頓下來待命。

   與此形成對照的是,在器件編程領域處于領先位置的公司將直接與半導體供應廠商一起合作,來解決編程設備中所存在的問題,或者說自己設計設備,所以能夠較快的識別問題的根源。

  12、產出率一個經過良好設計的編程設備能夠提供優化的編程環境,并且能夠確保最大可能的產量。然而,在編程過程中存在著很小比例的器件將會失效。不同的半導體供應商之間的這個比例是不同的,編程產出率的范圍將會在99.3%到99.8%之間。自動化的編程設備被設計成能夠識別這些缺陷,于是在PCB實施裝配以前就可以將失效的元器件捕捉出來,從而實現將次品率降低到最小的目的。經過比較,編程的失效率一般會高于在ATE編程環境中的。

   對于制造廠商而言如果能夠事先發現問題,可以在長期的經營中減少成本支出。編程設備不僅可以擁有較低的PIC失效率,它們經過設計也可以發現編程有缺陷的PIC器件。在現實環境中作為目標的PIC器件被溶入在PCB的設計中,設計成能夠扮演另外一個角色的作用(電話、傳真、掃描儀等等),作為一種專門的編程設備可以簡單地做這些事情,而無需提供相同質量的編程環境。  

 13、供應商的管理

  ATE編程潛在的可能是鎖定一個供應商的可編程元器件。由于ATE要求認真仔細的PCB設計,以及為了能夠滿足每一個不同的PIC使用需要專用的軟件,隨后所形成的元器件變更工作將會是成本非常高昂的,同時又是很花時間的。通過具有知識產權的一系列協議方法,可以讓數家半導體供應商一起工作,從而形成一種形式的可編程器件。

   由IEEE 1149.1邊界掃描編程所提供的方法具有很大的靈活性,它允許在同一PCB上面混裝由不同半導體供應商所提供的元器件。然而,自動化編程設備可以最大靈活地做這些事情。借助于從不同的供應商處獲得的數千個PIC器件的常規器件支持,他們能夠非常靈活地保持與客戶需求變化相同的步伐。

   14、主要設備的費用

  取決于使用ATE的百分比以及對生產率的要求,為了實現PIC編程可能會要求增添ATE設備。關于ATE價格的范圍從15萬美元至40萬美元不等,購置一臺新的設備或者更新現有的設備使之適合于編程的需要是非常昂貴的事情。一種方式是使用一臺AP設備來提供編程元器件到多條生產線上。這種做法可以降低ATE的利用率,從而降低設備方面的投資。

  15、結束語  

 通過選擇正確的設備以及挑選最有效的編程方式來滿足特殊的應用需求,制造廠商能夠實現高質量、低成本和縮短產品進入市場的時間,以適應現如今激烈的市場競爭局面。然而,讓我們看一下所有不同的編程方式,每一種編程方法都擁有優點和缺點,所以對我們來說選擇編程方法可能是一件令人十分頭痛的事情。

   愈來愈多的制造廠商將需要評估不同的編程解決方案對生產效率、生產線的計劃調度、PCB的價格、工藝過程控制、客戶管理和主要設備的價格等所帶來的沖擊。最全面的解決方案可能是一種綜合了自動化編程、ATE和IEEE邊界掃描編程方法的組合體。

關鍵字: 貼片機  
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