IPC-9850-(中文版)

IPC-9850-(中文版)IPC-9850面贴装设备检验PAGE-43-PAGE-1-IPC-9850表面贴装设备集成设备附属委员会（5-41）正式提案2001.5译者序言IPC5-41附属委员会，由SMT设备用户和供应商组成，制定了IPC-9850标准，它将描述贴装机器能力的性能参数标准化，从而简化了评估贴装机器能力的过程。它结合了贴装产出和贴装品质，因此速度与精度参数相互依赖。该标准也规定了一致的、可证实的、性能参数测量的方法。最终结果将是一个共同的语言，运行用户和供应商对设备性能更有意义的沟通。IPC（theInstituteforpackagingandinterconnect）:封装与互连协会由300多家电子设备与印制电路制造商，以及原材料与生产设备供应商等组成，下设若干技术委员会。SMEMA（theSurfaceMountEquipmentManufacturesAssociation）表面贴装设备制造商联合会现在已经并入IPC。IPC还包括IPC者协会（主要是PWB印制电路板的设计者）、ITRI（InterconnectionTechnologyResearchInstitute）互连技术研究会和SMC（SurfaceMountCouncil）表面安装委员会。目录TOC\o"1-5"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc83093085"1简介PAGEREF_Toc83093085\h-6-HYPERLINK\l"_Toc83093086"1.1范围PAGEREF_Toc83093086\h-6-HYPERLINK\l"_Toc83093087"1.2目的PAGEREF_Toc83093087\h-6-HYPERLINK\l"_Toc83093088"1.3历史背景PAGEREF_Toc83093088\h-6-HYPERLINK\l"_Toc83093089"1.4执行PAGEREF_Toc83093089\h-6-HYPERLINK\l"_Toc83093090"1.4.1限制条件PAGEREF_Toc83093090\h-6-HYPERLINK\l"_Toc83093091"1.4.2测试元件PAGEREF_Toc83093091\h-7-HYPERLINK\l"_Toc83093092"1.4.3测试板PAGEREF_Toc83093092\h-7-HYPERLINK\l"_Toc83093093"1.4.4测试方法PAGEREF_Toc83093093\h-7-HYPERLINK\l"_Toc83093094"1.4.4.1测量仪器PAGEREF_Toc83093094\h-8-HYPERLINK\l"_Toc83093095"1.4.4.2PAGEREF_Toc83093095\h-8-HYPERLINK\l"_Toc83093096"1.5表格形式PAGEREF_Toc83093096\h-8-HYPERLINK\l"_Toc83093097"1.6数据格式PAGEREF_Toc83093097\h-8-HYPERLINK\l"_Toc83093098"1.7术语解释PAGEREF_Toc83093098\h-8-HYPERLINK\l"_Toc83093099"1.8测试单元PAGEREF_Toc83093099\h-9-HYPERLINK\l"_Toc83093100"2参考文献PAGEREF_Toc83093100\h-10-HYPERLINK\l"_Toc83093101"3贴片机性能PAGEREF_Toc83093101\h-11-HYPERLINK\l"_Toc83093102"3.1贴片机特性表IPC-9850-F1PAGEREF_Toc83093102\h-11-HYPERLINK\l"_Toc83093103"3.1.1共性PAGEREF_Toc83093103\h-11-HYPERLINK\l"_Toc83093104"3.1.2性能认证PAGEREF_Toc83093104\h-11-HYPERLINK\l"_Toc83093105"3.2描述方法PAGEREF_Toc83093105\h-12-HYPERLINK\l"_Toc83093106"3.2.1背景PAGEREF_Toc83093106\h-12-HYPERLINK\l"_Toc83093107"3.2.1.1元件可变性PAGEREF_Toc83093107\h-12-HYPERLINK\l"_Toc83093108"3.2.1.2可贴片元件范围PAGEREF_Toc83093108\h-12-HYPERLINK\l"_Toc83093109"3.2.1.3板可变性PAGEREF_Toc83093109\h-12-HYPERLINK\l"_Toc83093110"3.3机器性能参数PAGEREF_Toc83093110\h-12-HYPERLINK\l"_Toc83093111"3.3.1测试条件PAGEREF_Toc83093111\h-13-HYPERLINK\l"_Toc83093112"3.3.1.1头/轴的数目PAGEREF_Toc83093112\h-13-HYPERLINK\l"_Toc83093113"3.3.1.2头/轴的类型PAGEREF_Toc83093113\h-13-HYPERLINK\l"_Toc83093114"3.3.1.3摄像头的类型PAGEREF_Toc83093114\h-13-HYPERLINK\l"_Toc83093115"3.3.1.4送料器/送料托盘的数目PAGEREF_Toc83093115\h-13-HYPERLINK\l"_Toc83093116"3.3.1.5吸嘴的类型PAGEREF_Toc83093116\h-13-HYPERLINK\l"_Toc83093117"3.3.1.6吸嘴的数目PAGEREF_Toc83093117\h-13-HYPERLINK\l"_Toc83093118"3.3.1.7贴装的板数PAGEREF_Toc83093118\h-13-HYPERLINK\l"_Toc83093119"3.3.1.8每块贴装板上的元件数目PAGEREF_Toc83093119\h-13-HYPERLINK\l"_Toc83093120"3.3.2基本时间参数PAGEREF_Toc83093120\h-13-HYPERLINK\l"_Toc83093121"3.3.2.1贴装时间PAGEREF_Toc83093121\h-14-HYPERLINK\l"_Toc83093122"3.3.2.2传输时间（Tt）PAGEREF_Toc83093122\h-14-HYPERLINK\l"_Toc83093123"3.3.2.3总体节拍时间PAGEREF_Toc83093123\h-15-HYPERLINK\l"_Toc83093124"3.3.2.4节拍时间PAGEREF_Toc83093124\h-15-HYPERLINK\l"_Toc83093125"3.3.2.5净产量PAGEREF_Toc83093125\h-15-HYPERLINK\l"_Toc83093126"3.3.3CMM测试参数PAGEREF_Toc83093126\h-15-HYPERLINK\l"_Toc83093127"3.3.3.1稳定性PAGEREF_Toc83093127\h-15-HYPERLINK\l"_Toc83093128"3.3.3.2精确度PAGEREF_Toc83093128\h-16-HYPERLINK\l"_Toc83093129"3.3.3.2.1Cpk的规定极限PAGEREF_Toc83093129\h-16-HYPERLINK\l"_Toc83093130"3.3.3.2.2用Cpk描述元件终端覆盖焊盘的精确度PAGEREF_Toc83093130\h-16-HYPERLINK\l"_Toc83093131"4不良比例和可靠性能表——IPC-9850-F2PAGEREF_Toc83093131\h-20-HYPERLINK\l"_Toc83093132"4.1不良比例PAGEREF_Toc83093132\h-20-HYPERLINK\l"_Toc83093133"4.2可靠性参数PAGEREF_Toc83093133\h-21-HYPERLINK\l"_Toc83093134"4.2.1辅助之间的贴装平均值（MPBA）PAGEREF_Toc83093134\h-23-HYPERLINK\l"_Toc83093135"4.2.2修理辅助的平均时间（MTTRa）PAGEREF_Toc83093135\h-23-HYPERLINK\l"_Toc83093136"4.2.3失效之间贴装平均数（MPBF）PAGEREF_Toc83093136\h-23-HYPERLINK\l"_Toc83093137"4.2.4修理失效平均时间（MTTRf）PAGEREF_Toc83093137\h-23-HYPERLINK\l"_Toc83093138"4.2.5总时间PAGEREF_Toc83093138\h-23-HYPERLINK\l"_Toc83093139"4.2.6非计划时间PAGEREF_Toc83093139\h-23-HYPERLINK\l"_Toc83093140"4.2.7操作时间PAGEREF_Toc83093140\h-23-HYPERLINK\l"_Toc83093141"4.2.8机器正常运转时间PAGEREF_Toc83093141\h-23-HYPERLINK\l"_Toc83093142"4.2.9预防性维护（PM）时间PAGEREF_Toc83093142\h-23-HYPERLINK\l"_Toc83093143"4.2.10抓取失败率（PPM）PAGEREF_Toc83093143\h-24-HYPERLINK\l"_Toc83093144"4.3测试地点PAGEREF_Toc83093144\h-24-HYPERLINK\l"_Toc83093145"4.3.1机器数目PAGEREF_Toc83093145\h-24-HYPERLINK\l"_Toc83093146"4.3.2贴片机总数PAGEREF_Toc83093146\h-24-HYPERLINK\l"_Toc83093147"4.3.3抓取元件总数PAGEREF_Toc83093147\h-24-HYPERLINK\l"_Toc83093148"5测试能力确认——表IPC-9850-F3PAGEREF_Toc83093148\h-25-HYPERLINK\l"_Toc83093149"5.1稳定性和重复性能力规定PAGEREF_Toc83093149\h-25-HYPERLINK\l"_Toc83093150"5.2精确度能力PAGEREF_Toc83093150\h-25-HYPERLINK\l"_Toc83093151"6测试工具PAGEREF_Toc83093151\h-27-HYPERLINK\l"_Toc83093152"6.1贴装测试板说明PAGEREF_Toc83093152\h-27-HYPERLINK\l"_Toc83093153"6.2贴装测试板传送器说明PAGEREF_Toc83093153\h-28-HYPERLINK\l"_Toc83093154"6.3玻璃片规格PAGEREF_Toc83093154\h-28-HYPERLINK\l"_Toc83093155"6.4粘胶介质的应用PAGEREF_Toc83093155\h-33-HYPERLINK\l"_Toc83093156"6.5贴装程序PAGEREF_Toc83093156\h-33-HYPERLINK\l"_Toc83093157"6.5.11608C元件PAGEREF_Toc83093157\h-33-HYPERLINK\l"_Toc83093158"6.5.2SOIC-16元件PAGEREF_Toc83093158\h-34-HYPERLINK\l"_Toc83093159"6.5.3QFP-100和BGA-228玻璃元件PAGEREF_Toc83093159\h-35-HYPERLINK\l"_Toc83093160"6.5.4QFP-208玻璃元件PAGEREF_Toc83093160\h-36-HYPERLINK\l"_Toc83093161"7表格和图表PAGEREF_Toc83093161\h-37-HYPERLINK\l"_Toc83093162"附录A:能力指数PAGEREF_Toc83093162\h-40-HYPERLINK\l"_Toc83093163"附录B:Cpk值的规定极限值PAGEREF_Toc83093163\h-41-HYPERLINK\l"_Toc83093164"附录C:机器能力测试中粘结剂的使用PAGEREF_Toc83093164\h-42-HYPERLINK\l"_Toc83093165"附录D:贴片后采用光学坐标检测元件的推荐方法PAGEREF_Toc83093165\h-43-HYPERLINK\l"_Toc83093166"附录E：贴装板上元件的位置PAGEREF_Toc83093166\h-50-HYPERLINK\l"_Toc83093167"附录F：精度测试板上元件的位置（待开发）PAGEREF_Toc83093167\h-54-HYPERLINK\l"_Toc83093168"附录G：如何进行GR&R测试、GR&R电子表格简介PAGEREF_Toc83093168\h-55-HYPERLINK\l"_Toc83093169"附录H——GR&R电子表格的介绍PAGEREF_Toc83093169\h-57-HYPERLINK\l"_Toc83093170"附录I——贴装测试板托架PAGEREF_Toc83093170\h-59-HYPERLINK\l"_Toc83093171"附录J——“终端覆盖焊盘率计算.xls”电子表格使用介绍PAGEREF_Toc83093171\h-60-简介范围这个标准是以说明书的形式对贴片机的贴装能力进行描述的。也就是在一定的贴装精度和贴装速度关系条件下，检验某一规格的贴片机是否与说明书相符合。目的采用一定的参数、测试程序和方法对贴片机的性能进行说明、评估和长期认证。IPC-9850将这些参数、测试程序和方法进行了标准化。用这些标准化的工具来获得出现在本标准中的信息并报告之。历史背景随着表面贴装技术（SMT）的发展，用户始终面对着在特定的生产环境中能使贴片机保持最佳工作状态的问题。能够精确对中、快速贴装元件到印刷线路板（PWB）的焊盘布局上（pattern）是贴片机的一个优势，也是选择贴片机的起码标准。贴装速度最快而对材料的损伤最少的贴片机才是最好的贴片机。最初，通用的评定贴片机的方法是看其贴装产出率。根据这一标准，贴片机为用户贴装了大量的产品，能够目测到贴装错误的产品才是废品。在当时，最少的废品和最耐用的机器就是最好的机器。对于现代贴片机的高产量和可靠性的评定，需要收集大量的评估产量和可靠性的有效数据。这个标准提供了一个新的衡量现代贴片机产量和可靠性的工具，性能结果还是以传统的形式表现。此外，除了产量和可靠性的要求，对贴片机的需求也越来越广泛。元件尺寸逐渐减小，元件的引脚越来越密，贴装位置越来越紧凑。而且，印刷线路板（PWB）上的元件和产品的种类显著增加。现在的贴片机必须更高速精确贴装以降低成本。这就对贴片机提出了更多的要求。在过去，贴片机厂商采用自己的参数和方法来说明机器的生产能力和产量。众多的评估手法造成在相似类型机器之间进行优劣性比较的难度增大。为了获得比较数据，用户不得不采用相同条件下不同机器现场开工比较的方法。这种方法浪费了用户的大量时间，同时要求厂商有雄厚的资本。这个标准将描述贴片机贴装能力的性能参数标准化，从而达到了简化评估过程的目的。同时，也将贴装产量和贴装质量联系起来，即贴装速度和贴装精度是相互影响的。标准也规定了测量贴片机贴装能力参数的方法。从而减少了由于客户怀疑机器功能是否正常而造成客户与厂商之间的潜在矛盾的发生。这里采用的方法是始终如一的、有据可察的，是客户与厂商之间通用的方法。这些方法是通过从所有的SMT工艺变量中分离贴片机的性能参数来获得的。包括印刷锡膏、元件质量、包装类型和PWB质量等参数。这个标准中的速度和质量评估方法指出，所做的测试是把标准元件贴到洁净的玻璃板上的粘性介质上进行的。经验表明表面贴装设备要想在生产中运行良好必须先在粘胶介质上运行良好。而且，提高在粘胶带上的工艺能力通常也就是加强在生产中的工艺能力。虽然这种方法不能用来预测产品的质量，但可以用来尽可能的减少设备、产品、工艺和操作之间的变量。虽然最终目标是评估机器在真实PWB上的贴装能力，但是以实际生产中的精度和速度进行测试是不现实的。我们希望将来的在线监测系统能够提高测量元件的位置和方向的能力。在将来有可能实现使用在线的贴装后（POST-PLACEMENT）（在回流焊前）AOI处理系统来测量贴片机的贴装能力。由于高速贴装和细间距元件贴装设备之间没有明显的界限，在本标准中没有将其分成两种类型的机器。客户可以根据厂商提供的数据来决定那一款是最好用的机器。执行限制条件这个标准是由一系列表面贴装设备的最基本的参数组成的。在某些场合下补充规定是有其价值的。标准中选用的参数集中有作为厂商通用说明中要求的核心部分最佳子集。这一核心部分将来将作为技术规定进行修订。此外，因为软件和硬件在每一种独立类型的机器上有着多种可能组合，标准不可能包含所有的组合形式。这些特征和选择对特定机型的整体能力都有影响，这些复杂性将留给用户去体会。而且，用户有义务理解标准中给出的每一个参数的限制条件和误差，才能得出正确的性能结论。测试元件选择QFP-100、QFP-208、BGA-228、1608C电容和SOIC-16这五种类型的元件为贴装元件的代表。详见表3-1和第6节。在考核一部贴片机时，其中的一个目的就是评估贴片机引起的误差。隔离贴片机对贴装误差的影响，能很好的减少其他因素对贴装误差评审工艺的影响，这也正是本标准想要厂商能够作到的。采用最好的元件可以很好的减少元件对贴装错误估计的影响。这样元件误差的影响减小到最小，与SMT元件间的变量联系起来。例如，选择1608C电容芯片作为测试样品主要是因为其侧边的制造精度高，外形方正。之所以不选择芯片电阻，是因为它的顶部外缘的制造形式，在贴片机的CMM摄像头下不能靠侧边或底边很好的定位。但由于陶瓷的芯片电容为球形，所以在确定它的电极时仍然存在一些问题。选择SOIC-16集成电路作为一个标准元件，是因为它相对低的成本和坚固的结构。SOIC-16元件可以代表很大范围的标准化粗间距引脚元件。几乎所有类型的贴片机都可以处理SOIC-16器件，因此使用SOIC-16为样板，可以对不同的贴片机进行比较。而且1608C和SOIC-16都采用了经济的带式包装，此种包装方式能使贴装速度达到最大从而得到了广泛的应用。不管1608C还是SOIC-16都要符合JEDEC标准。玻璃元件能给贴片机中的视觉系统带来无弯曲引脚和其他缺陷的完美图像。玻璃元件还具备基准Mark点，可以加速坐标测试器（CMMs）的测量速度。CMM通过测量玻璃元件上的基准Mark点，而不是玻璃元件真实特征，来计算玻璃元件特征的位置。只有通过NIST认证有效的玻璃元件基准Mark点才可以用来表现玻璃元件特征的位置。在贴片机测试中不对玻璃元件基准Mark点进行处理，这些点对正常的视觉系统操作没有什么影响。明确定义基准Mark点有利于减少整体误差，包括测试仪器本身的部分误差，尤其重要的是密间距元件（QFP和BGA）的规定误差要求非常严格。在这个标准中，选用了两种QFP和一种BGA玻璃元件为代表元件。尤其是QFP-100、QFP-208和BGA-228这三种元件可以用来对很大范围的具有特定IC盘和复合贴装功能的射片机（chip-shooter）进行比较。当利用玻璃元件时，为了维持连续性，料盘中的玻璃元件应该保持相同的方向。可以利用标准中定义的相同的基本方法对其他类型的SMT元件进行分析。采用玻璃元件代表微小BGA（micro-BGA）和倒装芯片(flip-chip)元件，很显然扩充了厂商和用户所希望考虑的因素。标准的后面会提到相关其它类型元件的附加规定。测试板标准中的测试方法是，将元件贴到洁净的玻璃板上的粘胶介质上。这种方法有两个优点。第一，玻璃板的尺寸稳定，与环氧树脂玻璃PWB原料不同，玻璃板不容易收缩和卷曲。第二，可以利用标准光学坐标测试仪（CMM）对元件外形进行照明。CMM可以快速准确测量大量元件。为了使评估过程简单化，采用相同玻璃板贴装不同类型元件进行评估和认证。标准中提到的板称为贴装认证板（PVP）。PVP的特殊位置上有位置精度符合NIST标准的基准Mark点。这些点可以作为贴装和测试仪器的参考点。在标准中与测试板匹配的元件如下（每次一组）：36个QFP-10030个QFP-208100个BGA-22880个SOIC16400个1608C（电容）粘胶介质的使用需要有经验基础。粘胶的量应该足够粘着元件，但又不能过多，过多会与背光亮度干涉。附录C将说明如何使用粘胶介质。测试方法这个标准主要用来确保测试工具能够正确描述工艺。为用户提供有效的测试工具检验厂商提供的数据是否属实。同时，也为厂商保证了用户能正确评估机器性能。CMM可以用来作为评估表面贴装工艺的标准，必须具备明显高于贴片机的精确度和重复性的精确度和重复性。CMM要求的测试能力主要取决于被测元件类型和厂商提供的规定限制条件。测试系统性能的可行性的方法称为可重复再现性法则（GaugeRepeatabilityandReproducibility－GR&R）。这种方法决定了测试系统能够对相同的产品进行连续的反复的测试。这种方法要求测量不确定性（6倍的GR&R误差）的绝大部分都在被测产品的说明范围内。GR&R法则不保证测试精度，只保证连续性。需要采用其他的测量方法证明CMM测量程序得到的结果是正确的。附录G将进行论述。CMM的精度只能通过反证法测得。标准中所选的量具是刻有选定元件形状的符合NIST标准的玻璃测试板。玻璃板在CMM上测量，然后将CMM测得的位置报告与测试板合格说明书中的元件图像真实位置进行比较，从而得到结论。测量仪器所选的测试仪器应该满足或超过GR&R和特定元件的特定评估程序下精度限制的要求。自动光学坐标测试仪由于具有较高的测试速度而被许多贴片设备厂商和用户普遍使用。为了获得可靠的统计结果需要进行大量的数据测量，这要求测试系统有极快的测试速度。虽然这种方法很有效果，但也有很多限制条件。最初的CMMs系统是用于机器生产中的，其光学系统和测试工具对于表面贴装元件来说并不是最优的。在贴装评估过程中利用了洁净的PVP板的仪器使得在CMM上得到高质量的图像成为可能。元件被贴装到PVP板上、被照亮，然后进行位置测试。CMM的缺点是成本高、灵活性差。由于采用了许多特征以得到坚固的结构、精确的位置和优质图像，使得CMM的成本很高。CMM要有精密的刻度和随环境条件改变的灵敏度，这些导致了它不能是便携式。报告测试结果以标准表格的形式记录。表IPC-9850-F1是贴装性能表。这张表有两个截然不同的功能。第一，表明某类型机器的通用性能；第二，证实该系列机器的特殊性能。表中还列有通过仿真得到的速度和精度值。表IPC-9850-F3中是证实CMM能力的评估参数表格，为表IPC-9850-F1中的数据的正确性提供有力依据。表IPC-9850-F2是可靠性表格，表中所列是用户反馈的典型结果。与贴装性能表不同，性能表格是引证厂商保证的性能，可靠性表格只是表明贴片机可靠性水平数据，它是用户在工厂中使用厂商提供的贴片机时收集到的表面数据。但是，这个可靠性表格确实为贴片机工业提高其可靠性、有效性和可维护性奠定了基础。表格形式第7节中列有所有需要的表格副本。数据格式关于贴装误差数据的统计学处理，我们假设它们服从正态分布（高斯定理）。但不一定总是如此。数据有其他分布形式并没有内在的错误。不管怎样，根据环境的不同，对于规定的两个极限指标Cpk值(1.33和2.0)，总会有一部分是符合Cpk极限值的，分别少于99.9968%和99.999%。如果机器精密贴装的错误贴装极限值是否与Cpk值1.33或2.0相一致对用户是至关重要的，那么用户在认证具有极其接近正态分布数据的机器时一定要谨慎。术语解释表4-4和4.1.1至4.1.11节中列有其他术语的解释。基准点：设在底板——如PWB和玻璃板上——贴装视觉系统用来确定位置和方向的参考点。元件：用来组装成电子产品的表面贴装部件。贴装误差：元件贴装的真实位置与贴装程序中数据指定的元件贴装位置的物理距离。玻璃元件：通过NIST认证的刻有单一元件图像和基准点的玻璃板。Xdev：X方向的贴装误差（平行于PVP板标签“9850认证”的方向）。Ydev：Y方向的贴装误差（垂直于PVP板标签“9850认证”的方向）。θdev：旋转贴装误差（元件在X-Y面上的质心位置）。突出量：引脚宽度部分，在引脚的顶部，超出焊盘的部分。主要是由X、Y和θ误差综合造成。援助：在下面3种场合下无意中中断设备的运行：通过外部干涉恢复运行（如控制器或用户终端，也可以是人或主机）没有可替换的机械部件（区别贴装元件），不同于厂商指定的损耗部件。与操作说明没有更多的不同。贴装时间：贴片机拾取和贴装所有元件的累计时间。这个时间周期包括基准的读取时间和吸嘴的更换时间。错误：与操作说明书的操作说明不同的无意中的中断或变化，但不同与援助。尤其是某些贴装部件必须更换或已经关机仍然向后以继续生产。净生产量：贴片机一小时内在认证PVP板上贴装元件的数量（CPH）。预防性保养（PM）：厂商提供的保养表中要求的机器休息时间。重复性：在复合板上贴装复合元件时的贴装误差的标准偏差。间隔时间：维持指定的贴装工艺能力时贴装一个元件所必须时间，不包括传输时间、测基准的时间和更换吸嘴的时间。总间隔时间：维持指定的生产工艺能力时贴完认证板上的所有元件所需时间，不包括传输时间、基准测试时间和吸嘴更换时间。传输时间：基板传入和传出贴片机的总体时间，不包括基板在工作区内的传输时间。传入和传出工作区在工作区内夹紧/松开基板的时间焊接区：通常指IPC-T-50术语解释中提到的PWB板上的终端面积的一部分，但不排除连接和/或接头元件，通常也指焊盘（pad）。测试单元文件中的所有尺寸都采用国际单位制，括弧中的为英制单位。所有涉及的元件也采用国标，如1608C就等同于0603（60mil×30mil）型元件。参考文献IPC-A-610电子产品贴装的可接受性IPC-SM-782表面贴装设计和焊接范围标准IPC-T-50互连和包装电路板的术语解释SEMIE10-0699E定义和测试仪器可靠性的标准MSA-2测试系统分析1995年2月第二版IPC/EIAJ-STD-001电子产品焊接和贴装标准（有时也叫国际焊接标准）贴片机性能贴片机特性表IPC-9850-F1该表有两个不同的功能（见表7）。第一，列出了该型号贴片机的通用性能；第二，通过序列号确认每一台机器的装运性能。表的上方分成两个部分。左上方填写厂商和机器型号。右上方的表格只当要装运时才能用到：序列号生产时间和日期下面分四部分对表格正文进行介绍：Ⅰ得到表格Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ报告数据所需的测试条件：头/轴数头/轴型号摄像头型号吸嘴型号吸嘴数构成板的区域数每区元件数由报告的结果可以知道设备上的软硬件安装情况。Ⅱ介绍了元件贴装生产循环中的基本时间参数。参数为：生产时间（s）传输时间（s）间隔时间（s）从基本时间参数中可以得到净生产量（CPH）。Ⅲ和Ⅳ这两部分表示，在Ⅰ的设置条件下收集Ⅱ的数据时CMM测得的板上贴装的参数：重合性（一个标准偏差）对于指定的极限参数Cpk=1.33的精度对于指定的极限参数Cpk=2.0的精度终端焊区覆盖率为50%时的Cpk值终端焊区覆盖率为75%时的Cpk值积分法计算终端焊区的X、Y、θ贴装误差时，X、Y、θ的重合性和精度参数要进行单独计算。详见3.4.3.2.2节。附录D是计算元件中心位置以得到测量误差的两种可能算法。共性使用IPC-9850标准时，使用标准中的算法得到的公制表格IPC-9850-F1，该表就表示特定机型的贴装能力。完全拷贝该表，它就成为贴片机文档和性能包的一部分（也就是将其应用到所列机型中，成为通用表）。性能认证在向用户交货前，应用表IPC-9850-F1对每一部机器进行性能认证。厂商为用户提供IPC-9850-F1表，该表中具有采用标准中的算法得到的至少一种贴片元件的数据。厂商会提供最具代表性的那台机器能贴装的（提供给用户的那台机器）贴装元件的数据，至少是用户和厂商公认的。如果使用表IPC-9850-F1认证某台机器的性能，那么就会提供机器的序列号和生产日期。只有对1608C的性能认证是特例。特例是指，确认机器装运性能时，厂商可以选择只测试板上的1，5，9，13，17和20这几行进行测试（第一行是指“IPC9850测试板”标签上方的第一水平行元件）。这个特例主要是为了减少厂商为准备装运所花时间。尤其是，为了减少CMM的测试时间和大量板上元件贴装后测试前等待测试的时间。毕竟根据标准的程序，测试板上要贴装400个元件。对于IPC-9850-F1中提供的厂商认为在贴片机贴装能力范围内的元件也应在机器类型评估时评估。此外，对于其他类型元件应增加厂商认定。如果这样做，应遵循下面的流程：至少有30个元件/玻璃元件，或者适合“8×8”测试板尺寸的数量。四个方向必须同样利用（除非贴片机不具有多面贴装能力）。测试板基准内的所有面积都要用到。贴装模型应该布局平衡，密度合理，从左到右，从上到下。板是运行的。如果模型中少于100个部分，每个部分都要测量。如果布局中至少有100个部分，而且每行的方向相同，那么列中的系统样本精度必须测试；如果每列的方向相同，则行中的系统样本精度必须测试。描述方法背景过去有很多评估贴片机性能的方法。本标准中选用非接触光学CMM对关于测试板基准点的元件位置的测试。之所以选用这种方法，是因为厂商和用户对CMM都有很广泛的了解，并开发了利用CMM设备的评估方法和测试工具。为获得指定参数的数字值，描述方法设计成可重复性和重合性的，且与特定的用户产品不相关。为了达到这一目的，指定了一个标准PVP板作为所有程序的通用测试基板。（见6.1节）测试的媒介上压有一层有胶的薄层，用来扑捉和把持贴装元件。描述程序的结果是得到一系列的性能参数。这些参数通过四块PVP板进行评估。四块板必须连续贴装，将它们视做生产环境中比邻的四块PWB板。因为只对四个连续的板进行测试，利用机械的PWB板前或后缓存器为其它的板得到适当的脉冲率。只要厂商提供的PVP传送器能够正确传送一块PVP板，就可以在测试中使用厂商提供的传送器。附录Ⅰ是委员会成员们设计的一款PVP板传送器。元件可变性采用玻璃元件代替QFP-100、QFP-208和BGA-256贴装元件可以减少由于元件间的物理区别造成的可变性。6.3节中将专门介绍玻璃元件。根据离散元件的高质量和包装问题特性，对其的贴装测试采用6.5节中指定质量的SOIC-16和1608C元件。可贴片元件范围标准的PVP板是用来接受不同类型的贴装元件的，在设计每块板的同时也设计了每种元件在板上的贴装布局。这样做是为了避免某种机器不能贴装所有指定的元件。尤其是设计的高速贴片机没有贴装QFP或BGA元件的能力，没有设计密间距元件贴片机快速贴装1608C的能力。每种元件的贴装位置见附录E。每一个厂商都利用贴装优化程序对贴装指令进行优化，哪个吸嘴贴装哪个元件，哪个相机要动作。毕竟希望所有的轴/吸嘴都尽可能得到均衡利用，在特定的轴/吸嘴完成的贴装动作中所有的吸嘴和旋转连接件都尽可能的利用到（可以手动优化布局，排除部分吸嘴）。在最小化状态下，板组只需用到一个贴片头和相机合作。用户有责任决定采用一个或多个贴片头和相机结合动作，使一种类型的机器的速度和精度结合得到最佳的优化结果。板可变性为了获得每个元件在板内和板子之间的变量源，对四个板子进行组装。在寻找基准点的过程中，利用四个板子捕捉板间的贴装变量。基准点的读取工艺主要是为了判定板的方向而进行的基准点读取和数学分析从而获得图像处理误差。机器性能参数测试条件表IPC-9850-F1的测试条件参数部分报告了在执行速度和重合性/精确度程序时的机器条件。选择这些条件主要是为用户提供阐述和消化性能文件的有效信息。头/轴的数目在该标准中，利用头/轴数对机器性能进行评估。每一个头/轴都要平等的用到。贴装程序不用手动优化以避免某些轴向移动或旋转。（轴通过上下移动进行元件贴装。轴的末端是吸嘴，使轴适用于一定范围类型的元件。有些机器有多个吸嘴轴，有些机器有多个轴头，还有些机器有复合贴装头。）只记录使用的头/轴数。头/轴的类型这是指对中元件用的头/轴类型。（有些机器对于不同类型的元件使用不同的头/轴。）只记录使用的头/轴类型。摄像头的类型在标准中，这主要是指对中元件用的相机类型。（一些机器对中一种元件使用一种类型的相机，而对中另一种元件使用另一种相机。还有一些机器要使用多种相机对才能对一种特殊元件对中。）送料器/送料托盘的数目在该标准中，这主要是指机器性能评估中用到的元件送料器和送料托盘数量。（有一部分机器的速度会受到送料器数量的影响。有时候，为了达到最大的产出，需要在多个送料器上安装同一种元件。）吸嘴的类型在该标准中，这是指在性能评估中轴所利用到的吸嘴类型。（有些机器为了吸取和贴装一种特殊类型元件要使用多种吸嘴。）吸嘴的数目在该标准中，这是指性能评估中头/轴利用到的吸嘴数。贴装的板数在该标准中，这是指评估性能参数时贴装的板数。计算方法——程序中指定的板数量为四。每块贴装板上的元件数目在该标准中，这是指进行性能参数评估时板子上面贴装的元件数。计算方法——贴装元件数由与每一个特定部分对应的程序指定的。基本时间参数这些参数描述的是完成在PWB板（这里是指玻璃测试板）上贴装元件的一个循环的时间段。图3-1和3-2描述了这些参数是如何定义的。在获取重合性和精确性值时，这些被测参数——贴装时间，传输时间和节拍时间——必须是在板上贴装条件下获得的。这些基本时间参数的测试程序中需要用到秒表和/或示波镜。秒表用来测试一个循环周期所用的时间。示波镜用来监测硬件的变化，以辨认用裸眼不易辨认到的循环的开始和结束时间。图3-1：单板上的性能参数描述图3-2：四块板上的性能参数描述测试基本时间参数的能力必须经过用户验证以确保其精确性，也就是重合性和精确性都是可接受的。秒表和/或示波镜必须在0.01秒内可以得到结果，甚至更快。必须进行GR&R学习，以证明重合性测试小于0.01秒的精度，或者误差比率小于25%（详见附录G关于GR&R的讨论）。贴装时间在该标准中贴装时间是指每一个标准板贴装所需的平均时间。它包括板的对齐时间，元件的贴装时间和更换吸嘴的时间。贴装时间不包括板传入和传出工作区的时间。一些机器将基准对中和元件贴装的操作交叠在一起进行。还有些机器把吸嘴的更换和拾取动作与传输动作交叠在一起进行。贴装时间里没有将这些因素计算在内。测试程序——用滤波器或秒表测试板在工作区的时间。夹紧装置夹紧开始计时，夹紧装置松开计时结束。贴装四块板，得到四块板的平均贴装时间。计算方法——贴装四块板并对四个测量值进行平均，得到贴装标准时间。传输时间（Tt）该标准中的传输时间包括将板送入工作区的时间，夹板时间，送板时间和将板送出工作区的时间。这意味着产品的正常流动和板的传送是同时一致进行的。测试程序——采用示波镜或秒表测试从第一块板到第五块板的全部贴装时间（对于玻璃认证板则不需要），小于用四块板测得的全部贴装时间。为了减小测试误差，在循环中应该利用一些容易发现又定义清晰的点。利用机械的PWB板前或后缓存器为其它的板得到适当的脉冲率，但是正确的描述程序只有四块连续的玻璃认证板是可以接受的。计算方法——测试第一块板到第五块板（不一定是玻璃测试板）的时间，全部时间减去全部的贴装时间再除以四得到传输时间。总体节拍时间在该标准中，这是指在维持一定的贴装工艺能力时，将所有的元件贴到玻璃测试板上所需的节拍时间。它不包括传输时间，读取基准点时间和更换吸嘴时间。测试程序——在贴装每一块板（共四块）的第一片元件时启动示波镜或秒表，在结束最后一片元件的贴装时结束示波镜或秒表的计时。节拍时间在该标准中，节拍时间是在标准的CAD坐标系中在标准的四块玻璃测试板上贴装每一片元件所需的时间。节拍时间不包含传输板到正确位置的时间，夹紧的时间，对齐的时间和机器更换吸嘴的时间。标准的CAD坐标系允许机器在200mm²的板的表面进行元件贴装，排除了使元件紧密贴装在一起的人为节拍时间，从而减少了运动时间。在外部将机器拾取和板子传输动作交叠起来进行，从而该标准中的节拍时间还是比较另人满意的。在该标准中，允许厂商定义测试使用的送料器的构造，拾取和贴装的次序。需要给出送料器和头数，标准节拍时间数据评论器（reviewer）才能明白需要得到的条件。测试工艺能力数据时需要测试节拍时间。这可以保证对贴装工艺参数的优化得到最佳的速度和精度组合。计算方法——平均所有的节拍时间量，就是被在任意一块板上减掉一个元件后的所有元件数平分总的节拍时间得到节拍时间。净产量在该标准中，净产量是指贴片机每小时在认证PVP板上贴装元件的数量。在大多数的工业中，这一定义对衡量机器的能力都是有效的。虽然这个值与生产PWB的能力（因为每一个板上只有一种元件）不相关，但是对于设备类型间的比较都是一个很有用的参数。计算方法——一块玻璃测试板上的元件数除以贴装时间与传输时间参数的和再除以3600的商。以QFP-100为例：净产量=36×3600/（贴装时间+传输时间）CMM测试参数下面是用来收集重合性和精确度数据的测试程序。用黏合剂对四块板进行处理（见附录C黏合剂应用实例）。四块板按照程序指定的布局形式连续贴装，然后把板放到有效的光学坐标测试仪上，则沿着X、Y和θ轴的误差均可测得。测试这些参数的测试系统的认证，在第五节测试能力评估中讨论。稳定性在该标准中，稳定性被定义为在多块板上贴装多种元件时贴装误差的一个标准偏差。偏差被定义为机器贴装一个元件的贴装误差。贴装误差被定义为元件真实位置中心与利用板上的基准点为参考用CAD指定的位置的距离。附录D提供了测试元件的中心位置的两种可能方法。Xdev被定义为X向的贴装误差。在这个标准中，X、Y向分别指平行与和垂直与测试板上的字母的方向。θdev是指旋转贴装误差（相对于元件X-Y面积的质心）。计算方法：Xdev的平均值是：，Xdev的标准偏差是：其中i是玻璃元件或元件数。Xi是指第i个X向玻璃元件或元件误差。n是指贴装在所有的板上的所有位置的元件或玻璃元件的总数。例如，对QFP-100或BGA-228进行评估时，每一块板上36个玻璃元件，则4块板上总数为：n=36×4=144。精确度在工业中，大多数的厂商指定的性能（参数）与其统一的常规极限和能力指数相互矛盾。（如：40m同Cpk1.5）。IPC-9850标准一方面是取代厂商们不同的规定极限和不同的水平标记，每一个厂商提供的结论都应该明确提供的规定极限与Cpk值1.33和2.0相符。当宣布机器的Cpk水平相同时，可以直接比较两台不同的机器。只要贴片机存在于市场上，厂商承诺的贴装精度水平都以X、Y和θ轴分别表示。这是报告性能的传统方法，认为每个轴的性能都是独立，在3.4.3.1和3.4.3.2中讨论。在本标准中，有一种考虑所有轴的影响的集合的相关的新方法。（见3.4.3.2.2节）这种方法的好处是，它比传统方法与焊接工艺更直接的相关联，因为X、Y和θ轴偏差分别考虑时可以符合落入规定范围内，但是综合在一起时，有些时候则阻碍了充分的焊接连接的形成。Cpk的规定极限在该标准中，Cpk的规定极限都是关于机器以板上的基准点为参考正确贴装元件的能力规定极限。这个参数表示机器能够根据给定的工艺能力指数值进行对中贴装的能力。关于Cpk极限，Cpk=1.33表示64PPM的实际能力，Cpk=2.0表示0.002PPM的实际能力。想使用其他错误率（除了Cpk=1.33或2.0外的值）水平的用户，可以根据这里提供的信息很容易地将机器性能转换到自己想要的水平。计算方法能力指数的讨论见附录A，与Cpk值一致的规定极限的讨论和算法举例见附录B用Cpk描述元件终端覆盖焊盘的精确度许多错误都是适当大小的X、Y和θ贴装误差的综合，绝不是他们中的一项造成的。这种方法考虑了三者误差的综合影响，被称作突出量（overhang）。用突出量决定终端形状和焊盘布局的重合量。广义上来说，终端是指引脚，盖帽末端，焊球和栏（一些普通的终端），主要取决于被贴元件。IPC-9850-F1表中选用了两个性能参数用来评估终端覆盖焊盘率。根据IPC-SM-782和IPC-A-610，这两个参数是相对于第1和2类规定极限的机器Cpk（最大超出量是引脚宽度的50%）和相对于第3类规定极限的机器Cpk（最大超出量是引脚宽度的25%）。这些参数采用包含所有误差的数学方程式进行评估，也就是将X、Y和θ的偏差的影响综合起来。“终端覆盖焊盘计算.xls”电子表格为这些方程式提供了结构向导和范例表格。对于引脚元件，总误差就是引脚尖端误差最大量（MLTE）。最大量是公制中的一个名称，因为公制中所指的引脚的尖端误差大多数都是由于X、Y和θ三方偏差的特殊综合造成的，如图3-3所示。其中SX是指元件在X方向上的间隙（引脚尖端与引脚尖端间的空隙），SY是指元件在垂直方向Y上的间隙。对于阵列元件，总误差是指焊球误差（MBE）的最大量。所以，通常采用总误差计算终端覆盖焊盘率。标准中没有对1608C的终端覆盖焊盘率进行评估，因为不容易得到有意义的尾端帽覆盖焊盘比例结果。在该标准中，大量引用了IPC/EIAJ-STD-001和IPC-A-610标准。基于理论的元件尺寸和最小焊盘尺寸（IPC-SM-782），总误差（对于引脚元件和阵列元件）用来计算终端覆盖焊盘率。对于引脚设备，终端覆盖焊盘率是根据引脚宽度计算的。对于面积阵列元件，终端覆盖焊盘率是在焊盘面积百分比的基础上得到的，它与焊球或栅的二维尺寸数学模型相关（不是焊球在焊盘上的百分比，因为焊盘的面积比焊球的小）。一组贴装需要计算这些平均标准偏差值。用平均标准偏差获得Cpk值。在该标准中，终端覆盖焊盘的Cpk值是衡量贴片机贴装元件终端到一定的焊盘上的能力的参数。是引脚-焊盘（LTL）还是焊球-焊盘（BTL）取决于元件的类型，以焊盘上的终端衡量贴片的结果。焊盘尺寸在IPC-SM-782中有定义。这里使用的终端尺寸是名义尺寸（最大量和最小量的平均值）（见表3-1）。Cpk的计算与装配标准中的50%和75%的百分比是相关的。图3-3表3-1元件类型元件长X宽终端宽度焊盘长X宽总误差的规定极限（1，2类）总误差的规定极限（3类）SOIC-168.89X6.00.42NAX0.600.30010.1951QFP-10016.0X16.00.20NAX0.300.15020.1002QFP-20832.0X32.00.20NAX0.300.15020.1002BGA-22815.0X15.00.50(直径)0.45(直径)0.20730.1143注：对于SOIC，要求总误差（对于引脚元件则是MLTE）0.195，与要求引脚覆盖焊盘率75%是等价的。0.3的总误差极限与LTL50%相对应。对于QFP，要求总误差（对于引脚元件则是MLTE）0.100，与要求引脚覆盖焊盘率75%是等价的。0.15的总误差极限与LTL50%相对应。要求总误差（对于阵列元件则是MBE）0.100，与要求引脚覆盖焊盘率75%是等价的。0.207的总误差极限与LTL50%相对应。计算方法——这里列举了3种元件的计算方法：2种引脚元件，1种面积阵列元件。终端覆盖焊盘率是根据IPC-SM-782定义的终端和焊盘的尺寸计算的，而不是真实的元件尺寸。在出版本标准时，还没有面积阵列元件焊球-焊盘比例的标准。该标准中，选用焊球直径为0.5mm，焊盘为0.45mm的BGA228进行计算。引脚覆盖焊盘率（LTL）：是焊盘上引脚宽度的百分比。这种测量量化了元件引脚误差，经验表明最大偏移量（全部引脚中），是由X、Y和θ三者共同的误差引起的。四面都有引脚元件的计算如下：其中MLTE（引脚误差最大量）如下定义：对于引脚在四边的矩形或方形元件：对于引脚在两个长边上的矩形或方形元件：如果贴装的元件的长边平行于板的X轴，如果贴装的元件的长边平行于板的Y轴，焊球覆盖焊盘（BTL）率是指BGA焊球或面积阵列元件的栅在焊盘上的百分比。BTL量化了焊球的误差，最大的偏移量（所有的焊球中）是由X、Y和θ三者共同的误差引起的。其中：其中：RL=焊盘半径RB=焊球半径R1=最小（焊球半径，垫半径）R2=最小（焊球半径，垫半径）Xdev=元件位置与贴装目标位置在X方向上的偏移量Ydev=元件位置与贴装目标位置在Y方向上的偏移量θdev=元件位置与贴装目标位置在旋转方向上的偏移量X=焊球位置与贴装目标位置在X方向上的最大偏移量Y=焊球位置与贴装目标位置在Y方向上的最大偏移量r=焊球中心位置与垫中心位置的偏移量。与本标准中的MBE同义。计算注释：Sin-1(x)的结果应该表示为半径而不是角度。终端覆盖焊盘率的Cpk极限计算实例：X，Y和θ误差已经由CMM测试决定（四块板采用一种特殊的元件），单个元件的终端覆盖焊盘率也可用上面的公式计算，接下来计算这组终端覆盖焊盘率的平均标准偏移量。利用Cpk方程，首先是50%规定极限其次是75%规定极限。然后将这2个Cpk值列入性能报告表。假设144个QFP100的终端覆盖焊盘率的平均值是85%，标准偏差是5%。则与50%相对的Cpk是（85-50）/3/5=2.33。不良比例和可靠性能表——IPC-9850-F2全面评估一台SMT设备，不能只考虑表IPC-9850-F1中涵盖的贴装性能能力，还应该包括系统的产出率和可靠性。就像表IPC-9850-F1中的一般性能一样，表IPC-9850-F2用来表达一种特定机型设备的预期不良比例和可靠性。与表IPC-9850-F1不同，对于表IPC-9850-F2单个的机器不需要认证，也不需要保质期的保证书。标准中选用的可靠性参数分3类——可靠性，有效性和可维护