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

胡元君（廣東省電子信息高級(jí)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(jìn)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(guò)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(guò)程控制和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出新的要求和挑戰(zhàn)，比如其焊點(diǎn)要求更小，其焊接質(zhì)量要求更加牢固可靠等等，這對(duì)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(jì)是一種具有前瞻性的設(shè)計(jì)方法，它要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)能夠兼顧生產(chǎn)制造的可行性，將工藝參數(shù)、制造過(guò)程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)，通過(guò)在設(shè)計(jì)和研發(fā)階段綜合考慮設(shè)計(jì)與整個(gè)制造系統(tǒng)各個(gè)單元的匹配程度來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)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(shí)，DFM設(shè)計(jì)理念能夠通過(guò)設(shè)計(jì)方案的同步優(yōu)化和工藝參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整減少開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，從而優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。在設(shè)計(jì)前期，通過(guò)可行性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估將開(kāi)發(fā)過(guò)程中的問(wèn)題預(yù)測(cè)到，并優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)方案和相應(yīng)工藝參數(shù)。而且，在整個(gè)制造過(guò)程中，DFM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的持續(xù)更新和優(yōu)化，這樣就可以減少制造過(guò)程中的浪費(fèi)，提升制造的可靠性和效率。

基于焊點(diǎn)形態(tài)理論，利用焊點(diǎn)的形態(tài)特征與其焊接質(zhì)量之間的匹配關(guān)系，進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算機(jī)的虛擬組裝技術(shù)加以輔助，可以達(dá)到通過(guò)模擬仿真來(lái)預(yù)先評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案和工藝參數(shù)合理性的目的[1]。本研究基于焊點(diǎn)虛擬成型技術(shù)和三維模擬仿真軟件，結(jié)合DFM設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)SMT的虛擬組裝過(guò)程進(jìn)行調(diào)控和優(yōu)化。采用計(jì)算機(jī)CAD仿真軟件，結(jié)合焊點(diǎn)形態(tài)理論中對(duì)焊點(diǎn)形態(tài)與質(zhì)量缺陷的關(guān)系研究基礎(chǔ)上，通過(guò)面向制造的設(shè)計(jì)理念，對(duì)SMT的PCB電路模塊組裝生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，著重探討了工藝參數(shù)仿真、焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)、可靠性分析三個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及其對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

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

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

SMT虛擬組裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如圖1所示，利用CAD仿真軟件模擬整個(gè)焊接組裝過(guò)程。從已有研究結(jié)果可知，整個(gè)焊接組裝系統(tǒng)的質(zhì)量與焊點(diǎn)的形態(tài)和焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量有密切關(guān)系，事實(shí)上單個(gè)焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量直接決定了焊接組裝的質(zhì)量好壞。而單個(gè)焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量可以通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)形態(tài)的分析和評(píng)估來(lái)預(yù)測(cè)[2]。基于焊點(diǎn)形態(tài)理論和焊點(diǎn)虛擬成型方法，在輸入必要的設(shè)計(jì)參數(shù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真后，計(jì)算機(jī)仿真出來(lái)的焊點(diǎn)形態(tài)與在實(shí)際制造過(guò)程中的實(shí)際焊接形態(tài)進(jìn)行對(duì)比，這種對(duì)比方法可以快速發(fā)現(xiàn)超出容許誤差范圍的故障焊點(diǎn)，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)故障焊點(diǎn)的形態(tài)、類型和原因進(jìn)行分析，形成優(yōu)化建議并反饋在設(shè)計(jì)端，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修正后重新按照?qǐng)D中的步驟進(jìn)行模擬仿真。

具體來(lái)說(shuō)，首先基于設(shè)計(jì)要求進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（如焊腳和基板的尺寸、材料強(qiáng)度相關(guān)數(shù)據(jù)等）的輸入，并從元器件庫(kù)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(guò)計(jì)算機(jī)建模進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果作為焊點(diǎn)成型CAD的輸入信息，以此進(jìn)行焊點(diǎn)形態(tài)的預(yù)測(cè)。將焊點(diǎn)預(yù)測(cè)形態(tài)輸入可靠性CAD評(píng)估模塊后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)焊點(diǎn)形態(tài)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行一系列可靠性分析和評(píng)價(jià)，例如應(yīng)力應(yīng)變性能以及疲勞壽命等，評(píng)價(jià)結(jié)果經(jīng)過(guò)專家評(píng)估后，從設(shè)計(jì)輸入、器件選擇與布局、工藝參數(shù)修正三方面上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，并重復(fù)進(jìn)行仿真和預(yù)測(cè)評(píng)估，直到仿真結(jié)果符合期望，整個(gè)組裝過(guò)程達(dá)到合理。

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

本次實(shí)驗(yàn)所用SMT虛擬組裝系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于SMT工藝參數(shù)仿真、焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)、可靠性分析三個(gè)關(guān)鍵步驟。這三個(gè)關(guān)鍵步驟直接決定SMT產(chǎn)品虛擬組裝過(guò)程是否科學(xué)，結(jié)果是否可靠，評(píng)估反饋是否合理。

3.1 SMT工藝參數(shù)仿真

通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，將設(shè)計(jì)信息和器件信息進(jìn)行組合匹配后，可以確定設(shè)計(jì)方案和相應(yīng)的工藝參數(shù)，進(jìn)而對(duì)PCB電路模塊的焊接組裝過(guò)程進(jìn)行模擬。基于SMT產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)，即圖1的工藝參數(shù)步驟，利用焊點(diǎn)成型理論，結(jié)合焊點(diǎn)虛擬成型軟件，可以建立焊點(diǎn)形成模型，通過(guò)此模型計(jì)算機(jī)可以演示出此次虛擬組裝的焊點(diǎn)形態(tài)。

焊點(diǎn)虛擬成形軟件的輸入內(nèi)容為各種與焊接過(guò)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(diǎn)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(rèn)的，有的需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)要求進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)置。基于工藝參數(shù)的仿真結(jié)果，進(jìn)一步在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行焊點(diǎn)形態(tài)模擬、焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變解析和疲勞壽命的計(jì)算[3]。運(yùn)行結(jié)果是以上所提到的與焊點(diǎn)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(diǎn)三維形態(tài)數(shù)據(jù)。同時(shí)，在仿真軟件運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)參數(shù)的調(diào)整和修正可以看到焊點(diǎn)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(jì)的原理。

3.2 焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)

使用預(yù)測(cè)焊接成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)軟件Surface Evolver并結(jié)合焊點(diǎn)成型理論，可以實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)形態(tài)建模、求解甚至模擬焊點(diǎn)成型的演變過(guò)程。從之前研究我們知道，焊點(diǎn)成型理論一般著眼于某一個(gè)孤立的焊點(diǎn)，預(yù)測(cè)單個(gè)焊點(diǎn)成型過(guò)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(jìn)一步延伸了焊點(diǎn)虛擬成型技術(shù)。通過(guò)對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程進(jìn)行仿真，綜合焊點(diǎn)成型技術(shù)、CAD建模方法、計(jì)算機(jī)3維仿真設(shè)計(jì)等多種手段，將焊點(diǎn)形態(tài)形成過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，同時(shí)將焊點(diǎn)形態(tài)的過(guò)程參數(shù)通過(guò)DFM技術(shù)進(jìn)行同步的修正優(yōu)化，進(jìn)一步構(gòu)建了焊點(diǎn)成型參數(shù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，以力求提升SMT產(chǎn)品焊點(diǎn)質(zhì)量為目標(biāo)，通過(guò)面向焊接組裝制造過(guò)程中工藝參數(shù)優(yōu)化與調(diào)控，進(jìn)而對(duì)SMT產(chǎn)品焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)和改善。

焊點(diǎn)的形態(tài)通過(guò)形態(tài)參數(shù)來(lái)進(jìn)行描述和分析，不同焊點(diǎn)質(zhì)量的好壞具體體現(xiàn)在焊點(diǎn)的形態(tài)參數(shù)的數(shù)值差異中，因此焊點(diǎn)形態(tài)參數(shù)的提取對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)和分析至關(guān)重要。從焊點(diǎn)圖像中獲取焊點(diǎn)形態(tài)參數(shù)的過(guò)程實(shí)際上是計(jì)算機(jī)軟件對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行全方位測(cè)量的過(guò)程，一般通過(guò)焊點(diǎn)俯視圖、側(cè)視圖等對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算。

在虛擬組裝過(guò)程中的焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)相比實(shí)際生產(chǎn)中的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、激光檢測(cè)等檢測(cè)方法有很多優(yōu)點(diǎn)，諸如可以做到預(yù)先分析，避免實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生不必要的損失和浪費(fèi)，而且其基于可靠的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)而來(lái)，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(diǎn)形態(tài)的預(yù)測(cè)還可以有效分析出焊點(diǎn)形態(tài)與焊接缺陷中的邏輯關(guān)系，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，在產(chǎn)品還未真正生產(chǎn)之前就可以預(yù)測(cè)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(guò)對(duì)焊點(diǎn)的形態(tài)預(yù)測(cè)進(jìn)而進(jìn)行組裝質(zhì)量分析，判斷焊接過(guò)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(guò)反饋機(jī)制進(jìn)行DFM設(shè)計(jì)修正設(shè)計(jì)方案和工藝參數(shù)。利用焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)模型，對(duì)焊點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行計(jì)算、分析、評(píng)價(jià)，并與實(shí)際觀測(cè)的焊點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和工藝參數(shù)，從而找到最優(yōu)方案。在這個(gè)過(guò)程中，可靠性評(píng)價(jià)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(duì)焊點(diǎn)可靠性做分析。先利用光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)在線測(cè)試已形成焊點(diǎn)的形態(tài)，錄入數(shù)據(jù)庫(kù)形成分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)[4]。然后由此次模擬當(dāng)中計(jì)算機(jī)所獲取的焊點(diǎn)虛擬形態(tài)參數(shù)與分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)中已有的焊點(diǎn)物理形態(tài)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別出不滿足容許形態(tài)范圍的故障點(diǎn)，并且對(duì)故障點(diǎn)不同形態(tài)對(duì)應(yīng)的故障原因和類型進(jìn)行匹配，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，然后通過(guò)實(shí)時(shí)反饋機(jī)制對(duì)設(shè)計(jì)方案和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改正。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究基于DFM設(shè)計(jì)思想，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與焊點(diǎn)形態(tài)理論，通過(guò)對(duì)SMT焊接組裝過(guò)程的仿真建模，形成了可以對(duì)設(shè)計(jì)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(guò)工藝參數(shù)仿真、焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)、焊點(diǎn)可靠性分析等關(guān)鍵步驟，同步迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和工藝參數(shù)，最終可以獲得焊點(diǎn)形態(tài)較好，焊接質(zhì)量較高的設(shè)計(jì)方案和工藝參數(shù)輸出。此研究通過(guò)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(shí)際生產(chǎn)中的缺陷，節(jié)約成本，提高效率。

[1]周德儉，潘開(kāi)林，覃匡宇，黃春躍.基于焊點(diǎn)形態(tài)理論的SMT焊點(diǎn)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(bào)，2000，20(4)：78-82.

[2]潘開(kāi)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2003，9(5)：395-398.

[3]黃春躍.基于焊點(diǎn)虛擬成形技術(shù)的SMT焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)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(kāi)林，劉常康.SMT焊點(diǎn)形態(tài)成形和焊點(diǎn)可靠性CAD[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2000，21(2)：204-206.