التحليل الإحصائي لانحراف المكونات في عملية التجميع الآلي (Pick and Place) بتقنية SMT

1. المقدمة

تعد تقنية التجميع السطحي (SMT) الطريقة السائدة لتجميع المكونات الإلكترونية على لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs). وتعتبر عملية التقاط ووضع المكونات (P&P)، حيث يتم وضع المكونات على معجون اللحام الرطب، عملية بالغة الأهمية. وتعد ظاهرة انحراف المكونات ظاهرة دقيقة ولكنها مهمة في هذه المرحلة - وهي الحركة غير المقصودة للمكون على معجون اللحام اللزج قبل عملية إعادة التدفق.

تقليدياً، كان يُنظر إلى هذا الانحراف على أنه ضئيل، وغالباً ما كان يعتمد على تأثير "المحاذاة الذاتية" لعملية إعادة التدفق اللاحقة لتصحيح أخطاء الوضع الطفيفة. ومع ذلك، ومع تقلص أحجام المكونات إلى مقاييس دون المليمتر وأصبحت معايير الجودة للوحات الدوائر المطبوعة أكثر صرامة (استهداف معدلات عيوب قريبة من الصفر)، أصبح فهم انحراف المكونات والتحكم فيه أمراً بالغ الأهمية للتصنيع عالي الإنتاجية.

تتناول هذه الورقة فجوة حرجة: حيث افتقرت الدراسات السابقة إلى تحليل بيانات خطوط الإنتاج الحقيقية. يحقق المؤلفون في قضيتين أساسيتين: 1) توصيف سلوك انحراف المكونات، و2) تحديد العوامل المساهمة فيه وترتيبها حسب الأهمية، باستخدام الأساليب الإحصائية على بيانات من خط تجميع SMT متطور.

2. المنهجية وجمع البيانات

تكمن قوة الدراسة في أساسها التجريبي، حيث تتجاوز النماذج النظرية.

3. النتائج والتحليل

4. التفاصيل الفنية والصيغ

من المرجح أن يعتمد التحليل على نماذج إحصائية أساسية. يمكن عرض تمثيل مبسط لنهج الانحدار. يمكن نمذجة انحراف المكون $S$ (متجه ثنائي الأبعاد أو مقدار) كدالة لعوامل متعددة:

$S = \beta_0 + \beta_1 X_1 + \beta_2 X_2 + ... + \beta_n X_n + \epsilon$

حيث:

• $\beta_0$ هو التقاطع.
• $X_1, X_2, ..., X_n$ تمثل عوامل معيارية (مثل $X_1$ = انحراف موضع المعجون على المحور X، $X_2$ = حجم المعجون، $X_3$ = رمز نوع المكون).
• $\beta_1, \beta_2, ..., \beta_n$ هي المعاملات التي يحددها الانحدار، مشيرة إلى حجم التأثير واتجاه كل عامل. تحليل التأثيرات الرئيسية للدراسة يفحص بشكل أساسي قيم $\beta$ هذه.
• $\epsilon$ هو حد الخطأ.

يمكن تحليل مقدار الانحراف $|S|$ باستخدام نماذج خطية أو خطية معممة مماثلة، حيث تشير قيمة $R^2$ إلى مقدار التباين في الانحراف الذي تفسره العوامل المدرجة.

5. النتائج التجريبية والرسوم البيانية

وصف افتراضي للرسم البياني بناءً على سياق الورقة:

الشكل 2: رسم بياني للتأثيرات الرئيسية لانحراف المكونات. رسم بياني شريطي أو خطي يظهر متوسط التغير في مقدار الانحراف (مثلاً، بالميكرومتر) مع تحرك كل عامل من مستواه المنخفض إلى المرتفع. سيكون الشريط الخاص بـ "انحراف موضع المعجون على المحور X" هو الأطول، مما يؤكد بصرياً أنه العامل الأكثر تأثيراً. سيظهر "نوع المكون" عدة أشرطة، واحد لكل نوع من الأنواع الستة، مما يكشف عن الأنواع الأكثر عرضة للانحراف.

الشكل 3: مخطط مبعثر للانحراف مقابل عدم تسجيل موضع المعجون. سحابة من نقاط البيانات تظهر ارتباطاً إيجابياً قوياً. سيتم تركيب خط انحدار بميل حاد $\beta_1$ عبر البيانات، لربط خطأ وضع المعجون بانحراف المكون كمياً.

الشكل 4: مخطط الصندوق للانحراف حسب موقع المكون على لوحة الدائرة المطبوعة. صناديق متعددة مرتبة عبر مخطط تخطيطي للوحة الدائرة المطبوعة، تظهر أن المكونات الموضوعة بالقرب من الحواف أو علامات التسجيل المحددة تعرض متوسطات انحراف وتباينات مختلفة مقارنة بتلك الموجودة في المركز، مما يدعم نتيجة "الموضع المصمم".

6. مثال على إطار التحليل

دراسة حالة: تحليل السبب الجذري لانخفاض الإنتاجية في تجميع مكثفات 0201.

السيناريو: تلاحظ مصنع زيادة في عيوب "الانتصاب" (tombstoning) لمكثفات 0201 بعد تغيير خط الإنتاج.

تطبيق إطار هذه الورقة:

1. جمع البيانات: جمع بيانات فحص معجون اللحام (SPI) فوراً (موضع المعجون، الحجم، الارتفاع) وبيانات فحص ما قبل اللحام (AOI) (موضع المكون) للوحات التي تحتوي على مكثفات 0201. وضع علامة على البيانات حسب موقع لوحة الدائرة المطبوعة.
2. التحليل الاستكشافي للبيانات (EDA): رسم توزيع انحراف المكونات لأجزاء 0201. مقارنة متوسط الانحراف قبل وبعد تغيير خط الإنتاج. هل هناك فرق كبير؟ (استخدم اختبار t).
3. التأثيرات الرئيسية: حساب الارتباط بين الانحراف وكل معلمة من معلمات فحص معجون اللحام (SPI). تتوقع الورقة أن يكون انحراف موضع المعجون هو الأقوى ارتباطاً. تحقق مما إذا كانت إعدادات الاستنسل أو الطابعة الجديدة زادت من هذا الانحراف.
4. نموذج الانحدار: بناء نموذج بسيط: Shift_0201 = f(Paste_X_Offset, Paste_Volume, Panel_Location). سيقوم معامل Paste_X_Offset بتحديد تأثيره كمياً. إذا كان مرتفعاً، فمن المرجح أن يكون السبب الجذري هو عملية الطباعة، وليس رأس الوضع.
5. الإجراء: بدلاً من إعادة معايرة آلة التقاط ووضع المكونات (P&P) (وهي خطوة أولى شائعة ولكنها خاطئة)، ركز على تصحيح محاذاة الاستنسل أو ضغط الماسحة لتحسين دقة ترسيب المعجون.

يمنع هذا النهج المنظم القائم على البيانات استكشاف الأخطاء وإصلاحها التجريبي المكلف وغير الفعال.

7. التطبيقات المستقبلية والاتجاهات

تمهد النتائج الطريق للعديد من التطبيقات المتقدمة:

• التحكم التنبئي في العملية: دمج بيانات فحص معجون اللحام (SPI) في الوقت الفعلي مع التحكم التكيفي في آلة التقاط ووضع المكونات (P&P). إذا قاس فحص معجون اللحام (SPI) انحرافاً في المعجون، يمكن لبرنامج آلة التقاط ووضع المكونات تطبيق انحراف تعويضي تلقائياً على إحداثيات وضع المكون لمواجهة الانحراف المتوقع.
• التحسين باستخدام الذكاء الاصطناعي/التعلم الآلي: نماذج الانحدار هي نقطة البداية. يمكن تدريب خوارزميات التعلم الآلي (مثل Random Forests، Gradient Boosting) على مجموعات بيانات أكبر لنمذجة التفاعلات غير الخطية بين العوامل والتنبؤ بالانحراف بدقة أعلى للمكونات المعقدة.
• قواعد التصميم من أجل التصنيع (DFM): يمكن لمصممي لوحات الدوائر المطبوعة استخدام رؤى حول قابلية نوع المكون للتأثير وتأثيرات الموقع لإنشاء تخطيطات أكثر قوة. يمكن وضع المكونات الحرجة في مناطق "انحراف منخفض" على اللوحة.
• المواد المتقدمة: تطوير معاجن لحام من الجيل التالي ذات خواص ريكولوجية (reological) أعلى أو مصممة خصيصاً لـ "قفل" المكونات في مكانها فور وضعها بشكل أفضل، مما يقلل من نافذة الوقت المتاحة للانحراف.
• التوحيد القياسي: يوفر هذا العمل أساساً تجريبياً لتعريف مقاييس صناعية جديدة أو معايير تسامح لـ "الانحراف المقبول قبل إعادة التدفق" لفئات المكونات المختلفة.

8. المراجع

1. المؤلفون. (السنة). عنوان الورقة العلمية المشار إليها حول عمليات SMT. اسم المجلة، المجلد(العدد)، الصفحات. [مرجع لمصدر الشكل 1]
2. Lau, J. H. (Ed.). (2016). Fan-Out Wafer-Level Packaging. Springer. (للحصول على سياق حول التغليف المتقدم وتحديات دقة الوضع).
3. IPC-7525C. (2022). إرشادات تصميم الاستنسل. IPC. (معيار صناعي يسلط الضوء على أهمية طباعة الاستنسل).
4. Isola, A. et al. (2017). Image-to-Image Translation with Conditional Adversarial Networks. CVPR. (ورقة CycleGAN، المشار إليها كمثال لنموذج قائم على البيانات يتعلم تعيينات معقدة - مشابهة لتعيين معلمات العملية لنتائج الانحراف).
5. SEMI.org. (2023). خارطة طريق التغليف المتقدم. SEMI. (خارطة طريق صناعية تؤكد على الحاجة لدقة وضع على مستوى الميكرون).

9. منظور محلل صناعي