Современные универсальные системы контроля


PDF версия

Современные производители сталкиваются со многими трудностями, которые возникают при изготовлении изделий, разработанных сторонней организацией без соблюдения соответствующих требований к технологичности, а также на основе сырья от разных поставщиков, обработанного с помощью разных автоматов и технологий. Кроме того, работники предприятий обладают разной квалификацией и нуждаются в переобучении при внедрении новых производственных процессов и оборудования. Современное производство ведется в сложных динамических условиях.

Поскольку многие изделия, например, сотовые телефоны, КПК, ноутбуки и пр. нуждаются в миниатюризации, размеры деталей и электронных компонентов становятся все меньше. Очень быстрое изменение технологий вызывает необходимость сократить сроки вывода новой продукции на рынок. Из-за постоянного ценового давления цены на нее снижаются.
Во многих областях применения электронной техники необходимо обеспечить требования стандартов и регулирующих органов, что приводит к необходимости усилить контроль продукции. Наконец, современному производству требуется чистая и безопасная среда с малыми простоями оборудования и, насколько это возможно, небольшими отходами и невысоким объемом доработки изделий. В качестве средств контроля процесса многие производители применяют те же инструменты, что и в прошлые годы — штангенциркули, микрометры, щупы, микроскопы, оптические компараторы и координатно-измерительные машины. Однако очевидно, что для того чтобы удовлетворить требования современного производства, требуются новые средства наряду с уже существующими.
К счастью, на рынке появились новые недорогие системы контроля, обеспечивающие функциональную гибкость и разные виды контроля на одной платформе. Одна и та же система может применяться для организации и инспекции процесса, а также прослеживаемости продукции. Эти системы применяются также для создания данных. Новые инструменты дополняют уже имеющиеся средства контроля.

Автоматический контроль

Потребность в автоматическом контроле для отладки процесса и его управления велика, как никогда. Некоторые производственные операции выполняются без какого-либо контроля либо визуально контролируются работниками предприятия. В большинстве компаний автоматическая или ручная инспекция осуществляется в конце производственной линии. Цель такого контроля сводится к отбраковке дефектных изделий. Очевидно, что для изготовления качественной продукции требуется организовать правильную сборку с первых этапов изготовления продукции, чтобы минимизировать время производства, усилия и расходы на переделку и отбраковку.
Визуальный контроль — трудный и очень субъективный процесс, который зависит от квалификации персонала. С уменьшением размеров деталей, повышением сложности их форм, использованием разных материалов ручной контроль намного осложняется, а в некоторых случаях становится невозможным.
Намного более эффективным методом наладки процесса и его контроля является автоматическая инспекция. Систему контроля можно применять для проверки деталей перед производственной операцией, чтобы обеспечить надлежащее качество их сборки. Например, для успешного выполнения операции поверхностного монтажа проверяется соответствие между платой и данными САПР, которые используются оборудованием для монтажа компонентов, а также трафаретом для нанесения паяльной пасты. Задолго до включения автоматов проверяется правильность виртуального монтажа компонентов на плату и их положение относительно трафарета. Только после завершения этого предваряющего процесса первая партия запускается в производство. Та же система, которая виртуально контролирует подготовку к производству, обеспечивает инспекцию нанесения паяльной пасты на платы первой партии, а также правильность монтажа компонентов. Этот этап производства называется отладкой процесса.
Только после того как оператор удостоверится в соответствии друг другу всех этапов процесса, начинается производство. Необходимая коррекция выполняется с помощью системы контроля до запуска производства. Например, корректируются данные о трафарете для обеспечения лучшего соответствия конкретной печатной плате. Обнаружение и исправление несоответствий на этапе подготовки обходится гораздо дешевле, чем их устранение в процессе производства.
После запуска линии необходимо использовать систему управления технологическим процессом. Поскольку трудно инспектировать все детали будущего изделия с помощью автономной системы, для контроля процесса используется метод выборки через заданные интервалы времени. При этом ведется запись данных и изображений для прослеживаемости причин отказов.
Идеальная система контроля обладает функциональной гибкостью, позволяющей использовать систему на различных этапах процесса, например, при его наладке и выборочном контроле. Такая гибкость позволяет обойтись без дорогостоящего специализированного оборудования для каждого этапа процесса, которое к тому же занимает немалое место. Эта система может обрабатывать меняющиеся данные в ходе производства и легко модернизируется в соответствии с быстро меняющимися технологиями. Эта система проста в управлении, а малые и средние предприятия имеют возможность ее приобрести благодаря невысокой стоимости. Наконец, эта система обеспечивает возможность регистрации данных и хранения изображений для сбора информации об отказах.

Автоматический контроль в производстве электроники

Недорогие установки с гибкой функциональностью уже многие годы применяются в производстве электроники (см. рис. 1) для контроля трафаретов при нанесении паяльной пасты. При этом не имеет значения, каким методом был изготовлен трафарет — с помощью лазерной резки, гальванопластики или фотохимической обработки. Эта система широко применяется во всем мире.

 

Рис. 1. Недорогая система контроля с гибким функционалом

Эту систему применяют не только для контроля трафаретов, но и во многих других приложениях электронной отрасли. Например, для инспекции печатных плат, керамики или даже гибких печатных плат для контроля контактных площадок, отверстий, контура и пр. Кроме того, эта система позволяет инспектировать клеи, паяльные пасты, проводники, резисторы, диэлектрики и нанесенные на подложку материалы, с помощью которых создаются надписи, логотипы или серийные номера изделий. Наконец, эта система применяется для контроля правильности монтажа компонентов на плате.

Сканеры

В качестве системы технического зрения в недорогих установках контроля применяется планшетный сканер (см. рис. 2). Этот автономный блок с оптимальным соотношением цена/качество оснащен камерой, источником света и модулем управления движением. Такие сканеры, обеспечивающие очень высокую точность контроля, калибруются с помощью стеклянной пластины, сертифицированной в соответствии с требованиями Национального института стандартов и технологии (NIST).

 

Рис. 2. Сканер, обеспечивающий высокое разрешение

Эти сканеры обеспечивают очень высокое разрешение, позволяя разглядеть самые мелкие детали. Такие системы используются для контроля проволочных соединений диаметром 16 мкм (см. рис. 3). Сканеры формируют цветные и черно-белые изображения, позволяя контролировать трафареты, компоненты и детали печатных плат.

 

Рис. 3. Проволочные соединения диаметром 16 мкм

Поскольку этот сканер является автономным блоком, его очень легко можно заменить на тот, который отвечает самым последним требованиям производства.

Система контроля

Сканер устанавливается на рабочий стол с выдвижной полкой таким образом, что поверхность прибора находится на одном уровне с поверхностью стола (см. рис. 1). Эта конфигурация упрощает сканирование деталей, размеры которых превышают площадь сканирования. Например, эти системы с успехом обеспечивают контроль объектов длиной в несколько метров за счет многократного сканирования. Рабочий стол оснащен шарнирно-сочлененной консолью с источником света для освещения сканируемых объектов с отверстиями, например, трафаретов.
Поскольку при сканировании в большинстве случаев происходит контакт с объектом контроля, а это нежелательно при инспекции чувствительных компонентов или деталей с влажным веществом, используется специальная оснастка, обеспечивающая некоторый зазор между объектом и прибором. При этом фокусировка меняется с помощью управляющего программного обеспечения.
Программное обеспечение для этой системы контроля имеет гибкий функционал, позволяющий использовать это ПО на многих этапах процесса. Система сравнивает компоненты с данными САПР или выходными файлами формата Gerber. Кроме того, программное обеспечение имеет несколько слоев, позволяющих сравнивать все этапы процесса один за другим. Например, можно отсканировать несмонтированную печатную плату, трафарет, плату с нанесенной пастой и плату с установленными компонентами. Эти изображения хранятся в разных слоях программы с файлами Gerber, данными о трафарете и данными САПР о компонентах. Сравнение этих данных с результатами сканирования позволяет установить правильность выполнения всех этапов проекта.
Система контроля успешно применяется в наладке процесса. Сначала с ее помощью производится проверка на соответствие всех деталей и этапов процесса. При обнаружении какой-либо проблемы система контроля помогает скорректировать данные. Модифицированные данные используются для создания либо новой программы монтажа, либо для изготовления новой детали. Например, если в процессе поверхностного монтажа обнаруживается несоответствие трафарета печатной плате, Gerber-данные о трафарете изменяются непосредственно в самой системе, а затем перед запуском линии создается новый трафарет. Это намного более эффективное решение по сравнению с поиском дефектов пайки на завершающем этапе производства, т.к. оно позволяет снизить расходы и свести к минимуму брак. По данным исследования компании Motorola, за счет такого метода объем дефектов сокращается на 43%. 

Контроль процесса и создание данных

Управление системой контроля должно быть настолько простым, чтобы новички-операторы могли быстро освоить все манипуляции, и персоналу не пришлось бы переучиваться всякий раз после выхода из отпуска. Интерфейс этой системы оснащен пиктограммами и ниспадающими меню, чтобы облегчить эксплуатацию. Этапы контроля печатной платы проиллюстрированы на рисунке 4. Сначала данные САПР или Gerber-файлы импортируются в систему и выводятся на монитор, после чего сканируется плата. В данном случае используется цветное формирование изображений. Затем система формирует из необходимых данных, представляющих интерес, растровое изображение, которое накладывается поверх данных САПР для контроля с заданным допуском. Все дефекты, помеченные пронумерованной меткой, оператор просматривает, чтобы отличить их от пылинок или попавшего мусора.

 

Рис. 4. Этапы контроля печатной платы: 1) сравнение данных, импортированных из САПР; 2) сканирование печатной платы; 3) преобразование в растровое изображение; 4) сравнение методом наложения

Процесс сбора данных отличается простотой и гибкостью. Многие типы отсканированных деталей можно преобразовать в растровое изображение аналогично тому, как это делается в процессе контроля. Данные отсканированного изображения преобразуются в векторный формат данных САПР. Система инспекции оснащена редактором файлов Gerber (САПР) для выполнения требуемых модификаций и их представления в разных форматах.
Компании Motorola и Cookson Electronics [1] провели совместное исследование, чтобы установить, как полученные данные могут повысить эффективность процесса производства. Участникам этого исследования удалось уменьшить количество дефектов пайки на 43% за счет данных, собранных при изготовлении 125 тыс. блоков в течение трех недель. Этот результат был получен при подгонке трафарета под печатную плату. Несмотря на то, что печатная плата и трафарет были изготовлены с использованием одних Gerber-файлов, наблюдалось несовпадение между некоторыми отверстиями в трафарете и контактными площадками платы. Создание нового трафарета, в котором были устранены эти недостатки, намного снизило количество дефектов пайки.

Приложения для фотохимической обработки

Как уже говорилось, системы контроля широко применяются в процессе изготовления трафаретов для нанесения паяльной пасты. Они изготавливаются с помощью разных технологий, в т.ч. фотохимической обработки. Однако рассматриваемые системы контроля можно с успехом применять и в других приложениях фотохимической обработки.
Перечислим некоторые из них.
– Контроль средств фотохимической обработки с помощью данных САПР или Gerber-файлов, позволяющий установить правильность их изготовления и соответствие требованиям проекта. На рисунке 5 продемонстрирована возможность автоматического обнаружения очень малых дефектов величиной около 23 мкм. Такие дефекты едва ли можно обнаружить с помощью измерительной системы, которая осуществляет контроль только нескольких фрагментов. Для надежного обнаружения таких небольших дефектов требуется 100-% контроль.

 

Рис. 5. Обнаружение дефекта размером 23 мкм

– Контроль средств фотохимической обработки на наличие пор, царапин, повреждений и пр. после их эксплуатации. Выявление дефектов в инструментах очень важно потому, что их повреждения сказываются на всех деталях, проходящих фотохимическую обработку. Если, например, величина самого малого элемента составляет 100 мкм, система контроля отыскивает более мелкие элементы, которые, вероятнее всего, являются тем или иным повреждением. Оператор имеет возможность просмотреть полученные изображения дефектов, увеличить или уменьшить их, чтобы определить, действительно это дефект или пылинка, которую следует удалить.
– Проверка экспонированного фоторезиста на металлической детали для выявления царапин, микроотверстий и пр. Если этот фоторезист отличается по цвету от металлической поверхности, на которую он нанесен, программное обеспечение системы контроля использует алгоритмы сортировки по цвету для инспекции фоторезиста. Таким образом выявляются потенциальные дефекты на этапе, предшествующем травлению.
– Отладка процесса и начальный этап инспекции. Система инспекции применяется для сравнения данных САПР или Gerber-файлов с действительным изображением детали и последующей коррекции этих данных. При сравнении ведется поиск тех частей платы, которые требуют дополнительного травления или, наоборот, выявляются перетравленные участки. Этот контроль может осуществляться в процессе изготовления детали. Деталь извлекается из травильной ванны и инспектируется в полном объеме в течение всего процесса. Система, в которой хранятся данные разных стадий процесса, позволяет сравнивать изображения на нескольких этапах травления. Таким образом обеспечивается полный контроль промежуточных стадий травления.
– Контроль на заключительном этапе производства. Сравнение детали с данными САПР или с Gerber-файлами. До начала поставок необходимо проверить все детали на наличие брака. Выборочные измерения не всегда обеспечивают эффективное выявление. Автоматический контроль деталей в полном объеме — единственный способ гарантировать высокое качество продукции. На некоторых производствах применяются методы визуального контроля, однако по мере того как размеры элементов становятся меньше, оператору очень трудно и подчас невозможно обнаружить все дефекты даже с помощью микроскопа. К другим преимуществам автоматического контроля перед визуальным можно отнести следующие: это намного более объективный процесс, который не зависит от квалификации оператора; это намного менее утомительная процедура, в которой исключается возможность недосмотра — ведь даже одна пропущенная ошибка может испортить отношения с заказчиком.
– Получение данных. Эта система собирает, обрабатывает информацию и вносит изменения в данные САПР и Gerber-файлов после создания изображения детали. Эта информация может использоваться для модификации средств фотохимической обработки.
– Контроль частично протравленных элементов. Система инспекции располагает возможностью формирования цветного изображения, которая успешно применяется для контроля частично протравленных элементов. На рисунке 6 представлено изображение детали с частично протравленными участками. Гибкий функционал системы позволяет изменить цвет проходящего света, упростив выявление полностью протравленных участков (красного цвета) и протравленных зон, представленных белым цветом.

 

Рис. 6. Формирование цветного изображения детали при контроле частично протравленных элементов

 

Выводы

Современное производство сталкивается с немалыми трудностями. Новые инструменты позволяют их устранить. Одним из наиболее успешных решений при монтаже печатных плат является недорогая универсальная система контроля, которая применяется для отладки производства, а также управления и прослеживаемости причин отказов. Эта простая в эксплуатации система способна выполнять проверку на многих этапах процесса. Кроме того, она применяется в фотохимической обработке. Такая система позволяет снизить брак, свести к минимуму дополнительную обработку продукции и расходы, а также увеличить производительность.

Литература
1. Lotosky, Paul; Murphy, Michael; Pearson, Robert and Tesch, Michael, “Using Stencil Design to Reduce SMT Defects” — SMT Magazine, April 2006.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *