結(jié)合DFM及焊點形態(tài)理論對SMT虛擬組裝系統(tǒng)的研究

胡元君（廣東省電子信息高級技工學(xué)校 廣東 廣州 510000）

1 引言

SMT（Surface Mount Technology），即表面組裝技術(shù)作為先進的電子組裝技術(shù)在電子加工領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，尤其在電子產(chǎn)品、軍事裝備的制造過程中發(fā)揮著不可替代的作用。發(fā)展至今，SMT已經(jīng)朝著微型化、輕薄化、高精度、高密度方向發(fā)展。這些發(fā)展方向?qū)MT的制造過程控制和質(zhì)量標準提出新的要求和挑戰(zhàn)，比如其焊點要求更小，其焊接質(zhì)量要求更加牢固可靠等等，這對SMT的產(chǎn)品生產(chǎn)組裝提出了新的研究課題。

DFM（Design for Manufacturing），即面向制造性的設(shè)計是一種具有前瞻性的設(shè)計方法，它要求在產(chǎn)品設(shè)計的同時能夠兼顧生產(chǎn)制造的可行性，將工藝參數(shù)、制造過程與產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)聯(lián)，通過在設(shè)計和研發(fā)階段綜合考慮設(shè)計與整個制造系統(tǒng)各個單元的匹配程度來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化，從而提升效率，降低成本。在SMT產(chǎn)品要求不斷提高的同時，DFM設(shè)計理念能夠通過設(shè)計方案的同步優(yōu)化和工藝參數(shù)實時調(diào)整減少開發(fā)和制造過程中的風(fēng)險，從而優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。在設(shè)計前期，通過可行性分析和風(fēng)險評估將開發(fā)過程中的問題預(yù)測到，并優(yōu)化設(shè)計，改進方案和相應(yīng)工藝參數(shù)。而且，在整個制造過程中，DFM技術(shù)可以實現(xiàn)設(shè)計方案的持續(xù)更新和優(yōu)化，這樣就可以減少制造過程中的浪費，提升制造的可靠性和效率。

基于焊點形態(tài)理論，利用焊點的形態(tài)特征與其焊接質(zhì)量之間的匹配關(guān)系，進一步通過計算機的虛擬組裝技術(shù)加以輔助，可以達到通過模擬仿真來預(yù)先評價設(shè)計方案和工藝參數(shù)合理性的目的[1]。本研究基于焊點虛擬成型技術(shù)和三維模擬仿真軟件，結(jié)合DFM設(shè)計理念，實現(xiàn)對SMT的虛擬組裝過程進行調(diào)控和優(yōu)化。采用計算機CAD仿真軟件，結(jié)合焊點形態(tài)理論中對焊點形態(tài)與質(zhì)量缺陷的關(guān)系研究基礎(chǔ)上，通過面向制造的設(shè)計理念，對SMT的PCB電路模塊組裝生產(chǎn)過程進行模擬仿真，著重探討了工藝參數(shù)仿真、焊點形態(tài)預(yù)測、可靠性分析三個方面的關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)過程及其對焊接質(zhì)量的影響。

2 結(jié)合DFM和焊點形態(tài)理論的SMT虛擬組裝系統(tǒng)設(shè)計思路

圖1 結(jié)合DFM和焊點形態(tài)理論的SMT虛擬組裝系統(tǒng)設(shè)計流程圖

SMT虛擬組裝系統(tǒng)設(shè)計思路如圖1所示，利用CAD仿真軟件模擬整個焊接組裝過程。從已有研究結(jié)果可知，整個焊接組裝系統(tǒng)的質(zhì)量與焊點的形態(tài)和焊點的焊接質(zhì)量有密切關(guān)系，事實上單個焊點的焊接質(zhì)量直接決定了焊接組裝的質(zhì)量好壞。而單個焊點的焊接質(zhì)量可以通過對焊點形態(tài)的分析和評估來預(yù)測[2]。基于焊點形態(tài)理論和焊點虛擬成型方法，在輸入必要的設(shè)計參數(shù)由計算機進行仿真后，計算機仿真出來的焊點形態(tài)與在實際制造過程中的實際焊接形態(tài)進行對比，這種對比方法可以快速發(fā)現(xiàn)超出容許誤差范圍的故障焊點，進一步通過對故障焊點的形態(tài)、類型和原因進行分析，形成優(yōu)化建議并反饋在設(shè)計端，對設(shè)計方案進行修正后重新按照圖中的步驟進行模擬仿真。

具體來說，首先基于設(shè)計要求進行必要的設(shè)計數(shù)據(jù)（如焊腳和基板的尺寸、材料強度相關(guān)數(shù)據(jù)等）的輸入，并從元器件庫中選擇合適尺寸和要求的元器件之后，在系統(tǒng)中定義模擬加工組裝的工藝參數(shù)，之后通過計算機建模進行仿真，仿真結(jié)果作為焊點成型CAD的輸入信息，以此進行焊點形態(tài)的預(yù)測。將焊點預(yù)測形態(tài)輸入可靠性CAD評估模塊后，系統(tǒng)會對焊點形態(tài)所對應(yīng)的參數(shù)進行一系列可靠性分析和評價，例如應(yīng)力應(yīng)變性能以及疲勞壽命等，評價結(jié)果經(jīng)過專家評估后，從設(shè)計輸入、器件選擇與布局、工藝參數(shù)修正三方面上進行優(yōu)化和改進，并重復(fù)進行仿真和預(yù)測評估，直到仿真結(jié)果符合期望，整個組裝過程達到合理。

3 結(jié)合DFM和焊點形態(tài)理論的SMT虛擬組裝系統(tǒng)的實現(xiàn)

本次實驗所用SMT虛擬組裝系統(tǒng)的實現(xiàn)主要依賴于SMT工藝參數(shù)仿真、焊點形態(tài)預(yù)測、可靠性分析三個關(guān)鍵步驟。這三個關(guān)鍵步驟直接決定SMT產(chǎn)品虛擬組裝過程是否科學(xué)，結(jié)果是否可靠，評估反饋是否合理。

3.1 SMT工藝參數(shù)仿真

通過計算機輔助設(shè)計軟件，將設(shè)計信息和器件信息進行組合匹配后，可以確定設(shè)計方案和相應(yīng)的工藝參數(shù)，進而對PCB電路模塊的焊接組裝過程進行模擬。基于SMT產(chǎn)品設(shè)計的工藝參數(shù)，即圖1的工藝參數(shù)步驟，利用焊點成型理論，結(jié)合焊點虛擬成型軟件，可以建立焊點形成模型，通過此模型計算機可以演示出此次虛擬組裝的焊點形態(tài)。

焊點虛擬成形軟件的輸入內(nèi)容為各種與焊接過程和焊接質(zhì)量相關(guān)的工藝參數(shù)，其中包括焊盤幾何尺寸數(shù)據(jù)、釬料量、釬料物理化學(xué)特性、表面組裝元器件種類及尺寸、表面組裝器件引腳類型等與焊點形態(tài)相關(guān)的各種工藝參數(shù)，這些工藝參數(shù)有的是系統(tǒng)默認的，有的需要根據(jù)具體的設(shè)計和開發(fā)要求進行針對性的設(shè)置。基于工藝參數(shù)的仿真結(jié)果，進一步在計算機內(nèi)進行焊點形態(tài)模擬、焊點應(yīng)力應(yīng)變解析和疲勞壽命的計算[3]。運行結(jié)果是以上所提到的與焊點形態(tài)相關(guān)的參數(shù)和基于以上工藝參數(shù)形成的焊點三維形態(tài)數(shù)據(jù)。同時，在仿真軟件運行過程中，通過對參數(shù)的調(diào)整和修正可以看到焊點的三維形態(tài)數(shù)據(jù)也跟著相應(yīng)變化，這就體現(xiàn)出面向制造設(shè)計的原理。

3.2 焊點形態(tài)預(yù)測

使用預(yù)測焊接成型過程的計算機軟件Surface Evolver并結(jié)合焊點成型理論，可以實現(xiàn)焊點形態(tài)建模、求解甚至模擬焊點成型的演變過程。從之前研究我們知道，焊點成型理論一般著眼于某一個孤立的焊點，預(yù)測單個焊點成型過程和其形狀參數(shù)的變化。而本文研究的虛擬組裝技術(shù)進一步延伸了焊點虛擬成型技術(shù)。通過對整個焊接過程進行仿真，綜合焊點成型技術(shù)、CAD建模方法、計算機3維仿真設(shè)計等多種手段，將焊點形態(tài)形成過程通過計算機進行動態(tài)演示，同時將焊點形態(tài)的過程參數(shù)通過DFM技術(shù)進行同步的修正優(yōu)化，進一步構(gòu)建了焊點成型參數(shù)動態(tài)設(shè)計的軟件系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，以力求提升SMT產(chǎn)品焊點質(zhì)量為目標，通過面向焊接組裝制造過程中工藝參數(shù)優(yōu)化與調(diào)控，進而對SMT產(chǎn)品焊點質(zhì)量進行評價和改善。

焊點的形態(tài)通過形態(tài)參數(shù)來進行描述和分析，不同焊點質(zhì)量的好壞具體體現(xiàn)在焊點的形態(tài)參數(shù)的數(shù)值差異中，因此焊點形態(tài)參數(shù)的提取對焊點質(zhì)量檢驗和分析至關(guān)重要。從焊點圖像中獲取焊點形態(tài)參數(shù)的過程實際上是計算機軟件對焊接點進行全方位測量的過程，一般通過焊點俯視圖、側(cè)視圖等對焊點進行測試和計算。

在虛擬組裝過程中的焊點形態(tài)預(yù)測相比實際生產(chǎn)中的自動光學(xué)檢測、超聲波檢測、激光檢測等檢測方法有很多優(yōu)點，諸如可以做到預(yù)先分析，避免實際生產(chǎn)中產(chǎn)生不必要的損失和浪費，而且其基于可靠的計算機仿真數(shù)據(jù)而來，仿真結(jié)果具有較高的科學(xué)性和可參考性。除此之外，焊點形態(tài)的預(yù)測還可以有效分析出焊點形態(tài)與焊接缺陷中的邏輯關(guān)系，用理論指導(dǎo)實踐，在產(chǎn)品還未真正生產(chǎn)之前就可以預(yù)測到質(zhì)量狀態(tài)，能夠提高SMT產(chǎn)品組裝線的生產(chǎn)水平。

3.3 可靠性分析

本研究中的虛擬組裝技術(shù)可以通過對焊點的形態(tài)預(yù)測進而進行組裝質(zhì)量分析，判斷焊接過程是否存在諸如虛焊、橋接等焊接缺陷。若存在以上缺陷，可以通過反饋機制進行DFM設(shè)計修正設(shè)計方案和工藝參數(shù)。利用焊點形態(tài)預(yù)測模型，對焊點形態(tài)進行計算、分析、評價，并與實際觀測的焊點形態(tài)進行對比確認，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，不斷優(yōu)化設(shè)計方案和工藝參數(shù)，從而找到最優(yōu)方案。在這個過程中，可靠性評價將直接決定優(yōu)化方案的合理性。

采用3維圖形任意面剖分技術(shù)并結(jié)合CAD軟件對焊點可靠性做分析。先利用光學(xué)檢測系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)在線測試已形成焊點的形態(tài)，錄入數(shù)據(jù)庫形成分析評價系統(tǒng)[4]。然后由此次模擬當中計算機所獲取的焊點虛擬形態(tài)參數(shù)與分析評價系統(tǒng)中已有的焊點物理形態(tài)和相關(guān)參數(shù)進行對比，識別出不滿足容許形態(tài)范圍的故障點，并且對故障點不同形態(tài)對應(yīng)的故障原因和類型進行匹配，預(yù)測可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題，然后通過實時反饋機制對設(shè)計方案和工藝參數(shù)進行優(yōu)化改正。

4 結(jié)語

本研究基于DFM設(shè)計思想，利用計算機仿真技術(shù)與焊點形態(tài)理論，通過對SMT焊接組裝過程的仿真建模，形成了可以對設(shè)計方案和工藝參數(shù)迭代更新和調(diào)控的SMT虛擬組裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過工藝參數(shù)仿真、焊點形態(tài)預(yù)測、焊點可靠性分析等關(guān)鍵步驟，同步迭代優(yōu)化設(shè)計方案和工藝參數(shù)，最終可以獲得焊點形態(tài)較好，焊接質(zhì)量較高的設(shè)計方案和工藝參數(shù)輸出。此研究通過仿真模擬手段預(yù)先演示，可以提高生產(chǎn)效率，降低在SMT實際生產(chǎn)中的缺陷，節(jié)約成本，提高效率。

[1]周德儉，潘開林，覃匡宇，黃春躍.基于焊點形態(tài)理論的SMT焊點虛擬成形技術(shù)及其應(yīng)用[J].桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2000，20(4)：78-82.

[2]潘開林，周德儉，吳兆華，黃春躍.基于DFM的SMT虛擬組裝系統(tǒng)的研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2003，9(5)：395-398.

[3]黃春躍.基于焊點虛擬成形技術(shù)的SMT焊點質(zhì)量檢測和智能鑒別技術(shù)研究.西安電子科技大學(xué)博士論文，2007，3(46)：56-57.

[4]周德儉，潘開林，劉常康.SMT焊點形態(tài)成形和焊點可靠性CAD[J].半導(dǎo)體學(xué)報，2000，21(2)：204-206.