1. مقدمه
فناوری نصب سطحی (SMT) روش غالب برای مونتاژ قطعات الکترونیکی بر روی بردهای مدار چاپی (PCB) است. فرآیند برداشتن و قراردادن (P&P)، که در آن قطعات بر روی خمیر لحیم مرطوب قرار میگیرند، یک مرحله حیاتی محسوب میشود. یک پدیده ظریف اما مهم در این مرحله، جابجایی قطعه است — حرکت ناخواسته یک قطعه بر روی خمیر لحیم چسبناک قبل از فرآیند لحیم کاری رفلو.
به طور سنتی، این جابجایی ناچیز در نظر گرفته میشد و اغلب به اثر "خودترازی" فرآیند رفلو بعدی برای اصلاح خطاهای جزئی قرارگیری متکی بود. با این حال، با کوچک شدن ابعاد قطعات به مقیاس زیرمیلیمتر و افزایش تقاضای صنعت برای نرخ عیوب نزدیک به صفر، درک و کنترل این جابجایی برای تولید با بازدهی بالا امری حیاتی شده است.
این مقاله به یک شکاف مهم میپردازد: در حالی که مطالعات قبلی وجود دارند، هیچکدام از دادههای یک خط تولید کامل و پیشرفته استفاده نکردهاند. هدف این پژوهش عبارت است از: ۱) توصیف رفتار جابجایی قطعه، و ۲) شناسایی و رتبهبندی آماری عوامل کلیدی مؤثر با استفاده از دادههای واقعی.
2. روششناسی و جمعآوری داده
2.1 تنظیمات آزمایشی
دادهها از یک خط مونتاژ SMT کاملاً عملیاتی، شامل ایستگاههای چاپ استنسیل (SPP)، برداشتن و قراردادن (P&P) و بازرسی (SPI, Pre-AOI) جمعآوری شد. این مطالعه بر روی شش نوع متمایز از قطعات الکترونیکی متمرکز شد تا تعمیمپذیری نتایج تضمین شود.
متغیرهای کلیدی اندازهگیری و کنترل شده:
- ویژگیهای خمیر لحیم: موقعیت (انحراف X، Y)، حجم، مساحت پد، ارتفاع/ضخامت استنسیل.
- عوامل قطعه: نوع، موقعیت مرکز طراحی شده روی PCB.
- پارامترهای فرآیند: فشار/نیروی قرارگیری از هد دستگاه P&P.
- متغیر نتیجه: جابجایی اندازهگیری شده قطعه (جابجایی در جهتهای X و Y) ثبت شده توسط سیستمهای Pre-AOI.
2.2 روشهای آماری
یک رویکرد آماری چندوجهی به کار گرفته شد:
- آمار توصیفی و مصورسازی: برای درک توزیع و بزرگی جابجاییها.
- تحلیل اثرات اصلی: برای تعیین تأثیر فردی هر عامل (مانند حجم خمیر، نوع قطعه) بر میزان جابجایی.
- تحلیل رگرسیون: برای مدلسازی رابطه بین چندین عامل ورودی و نتیجه جابجایی، و کمّیسازی اثرات ترکیبی آنها.
- آزمون فرضیه: برای تأیید معناداری آماری عوامل شناسایی شده.
3. نتایج و تحلیل
3.1 رفتار جابجایی قطعه
دادهها به طور قطعی نشان دادند که جابجایی قطعه یک پدیده سیستماتیک و غیرقابل اغماض است. جابجایی در تمام انواع قطعات مشاهده شد، که اغلب از محدودههای تحمل برای قطعات ریز مدرن فراتر میرفت. توزیع جابجاییها کاملاً تصادفی نبود، که نشاندهنده تأثیرپذیری از پارامترهای خاص فرآیند است.
3.2 تحلیل عوامل مؤثر
تحلیل آماری، محرکهای اصلی جابجایی قطعه را مشخص کرد. عوامل بر اساس تأثیر نسبی آنها در زیر رتبهبندی شدهاند:
- موقعیت/انحراف رسوب خمیر لحیم: مهمترین عامل واحد. عدم همترازی بین خمیر رسوب داده شده و پد PCB، یک نیروی ترکنندگی نامتعادل ایجاد میکند که قطعه را "میکشد".
- موقعیت طراحی شده قطعه روی PCB: اثرات وابسته به مکان، که احتمالاً به خمش برد، گرههای ارتعاشی یا تغییرات ابزار در سطح پنل مرتبط است.
- نوع قطعه: اندازه، وزن و هندسه پد به طور قابل توجهی بر پایداری روی خمیر تأثیر میگذارد. قطعات کوچکتر و سبکتر مستعد جابجایی بیشتری هستند.
- حجم و ارتفاع خمیر لحیم: خمیر ناکافی یا بیش از حد بر استحکام چسبندگی و رفتار افتادگی تأثیر میگذارد.
- فشار قرارگیری: اگرچه مهم است، اما تأثیر آن در پیکربندی این مطالعه کمتر از سه عامل برتر بود.
3.3 یافتههای کلیدی آماری
بینش کلیدی از دادهها
این پژوهش، افسانه کوره رفلو به عنوان یک راهحل جهانی را رد کرد. برای بسیاری از قطعات ریزپایه مدرن، جابجایی اولیه از توانایی نیروهای مویینگی برای خودترازی فراتر میرود و منجر به عیوب دائمی مانند ایستادن قائم (tombstoning) یا کج شدن قطعات میشود.
4. جزئیات فنی و چارچوب ریاضی
جابجایی قطعه را میتوان به عنوان یک مسئله عدم تعادل نیرو مدل کرد. نیروی بازگرداننده ارائه شده توسط کشش سطحی و ویسکوزیته خمیر لحیم، در برابر نیروهای جابجایی (مانند ارتعاش، افتادگی خمیر) مقاومت میکند. یک مدل ساده شده برای شرایط تعادل را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
$\sum \vec{F}_{\text{restoring}} = \vec{F}_{\text{surface tension}} + \vec{F}_{\text{viscous}}} = \sum \vec{F}_{\text{disturbance}}$
که در آن نیروی بازگرداننده تابعی از هندسه خمیر و خواص ماده است: $F_{\text{surface tension}} \propto \gamma \cdot P$ (γ کشش سطحی، P محیط پد است)، و $F_{\text{viscous}} \propto \eta \cdot \frac{dv}{dz} \cdot A$ (η ویسکوزیته، dv/dz نرخ برش، A مساحت است). تحلیل رگرسیون اساساً چگونگی عدم تعادل این معادله توسط عواملی مانند انحراف خمیر (تأثیرگذار بر عدم تقارن نیرو) و حجم (تأثیرگذار بر A و P) را کمّیسازی کرد.
5. نتایج آزمایشی و توصیف نمودارها
نمودار ۱: نمودار اثرات اصلی برای جابجایی قطعه. این نمودار میانگین بزرگی جابجایی را روی محور Y در برابر سطوح مختلف هر عامل (انحراف خمیر، نوع قطعه و غیره) روی محور X نمایش میدهد. شیب تند برای "انحراف خمیر" به صورت بصری آن را به عنوان تأثیرگذارترین عامل تأیید میکند و رابطه خطی واضحی بین خطای انحراف و جابجایی حاصل را نشان میدهد.
نمودار ۲: نمودار پراکندگی و خط رگرسیون جابجایی در مقابل خطای موقعیت خمیر. ابری از نقاط داده که جابجایی اندازهگیری شده (محور Y) را در برابر خطای رسوب خمیر اندازهگیری شده (محور X) ترسیم میکند. یک خط رگرسیون برازش شده با شیب مثبت و مقدار R² بالا، شواهد محکمی از رابطه مستقیم و قابل کمّیسازی بین این دو متغیر ارائه میدهد.
نمودار ۳: نمودار جعبهای جابجایی بر اساس نوع قطعه. شش جعبه کنار هم، که هر یک میانه، چارکها و نقاط پرت جابجایی را برای یک نوع قطعه نشان میدهد. این نمودار نشان میدهد کدام انواع قطعات بیشترین تغییرپذیری یا تمایل به جابجاییهای بزرگتر را دارند و یافته عامل "نوع قطعه" را تأیید میکند.
6. چارچوب تحلیل: یک مثال مطالعه موردی
سناریو: یک کارخانه افزایش ۰.۵ درصدی در خرابیهای Post-AOI را برای یک خازن ۰۴۰۲ خاص در موقعیت B12 روی پنل مشاهده میکند.
کاربرد چارچوب این پژوهش:
- اولویتبندی داده: جداسازی دادههای SPI برای خمیر در موقعیت B12 و دادههای Pre-AOI برای قطعه ۰۴۰۲ در B12.
- بررسی عامل - موقعیت خمیر: محاسبه میانگین و انحراف معیار انحراف خمیر (X,Y) برای پدهای B12. مقایسه با میانگین پنل. یک انحراف سیستماتیک، متهم اصلی خواهد بود.
- بررسی عامل - مکان و نوع قطعه: تأیید اینکه آیا سایر قطعات ۰۴۰۲ در جای دیگر پنل نیز خراب میشوند یا خیر. اگر نه، تعامل "نوع قطعه (۰۴۰۲)" و "موقعیت طراحی شده (B12)" — که شاید یک نقطه داغ ارتعاشی باشد — مطرح است.
- علت ریشهای و اقدام: اگر انحراف خمیر علت باشد، دستگاه چاپ استنسیل را برای آن موقعیت خاص کالیبره کنید. اگر یک ارتعاش خاص مکان است، میراگری پیادهسازی کنید یا سرعت نوار نقاله را برای آن ناحیه پنل تنظیم کنید.
7. دیدگاه تحلیلگر صنعت
بینش اصلی: این مقاله یک بررسی واقعیت حیاتی و مبتنی بر داده ارائه میدهد: "توری ایمنی خودترازی" در رفلو برای SMT پیشرفته شکسته شده است. نویسندگان به طور قانعکنندهای پارادایم کیفیت را به سمت بالادست جابجا میکنند و ثابت میکنند که جابجایی P&P یک مولد عیب اولیه است، نه یک پدیده ناچیز. استفاده آنها از دادههای تولید واقعی، نه شبیهسازی آزمایشگاهی، به یافتهها اعتبار فوری و فوریت عملیاتی میبخشد.
جریان منطقی: منطق پژوهش قوی است. با به چالش کشیدن یک فرض صنعتی شروع میشود، شواهدی از مرتبطترین محیط (کارخانه) جمعآوری میکند، ابزارهای آماری مناسب را برای رمزگشایی پیچیدگی به کار میگیرد و یک فهرست واضح و رتبهبندی شده از مقصران ارائه میدهد. تمرکز بر انواع مختلف قطعات، از تعمیم افراطی از یک مورد واحد جلوگیری میکند.
نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت کلیدی انکارناپذیر است — اعتبار دنیای واقعی. این نظری نیست؛ یک گزارش تشخیصی از خط مقدم است. رتبهبندی عوامل، یک برنامه اقدام فوری برای مهندسان فرآیند فراهم میکند. ضعف اصلی، که در چنین مطالعاتی رایج است، ماهیت جعبه سیاه "عوامل ماشین" است. در حالی که ارتعاش یا ناپایداری نوار نقاله ذکر شدهاند، اما با دادههای شتابسنج یا مشابه کمّیسازی نشدهاند. این مطالعه جابجاییهای مشاهده شده را با پارامترهای قابل اندازهگیری (خمیر، موقعیت) مرتبط میکند، اما سلامت کلی ماشین را به عنوان یک عامل استنباطی، نه اندازهگیری شده، باقی میگذارد. یکپارچهسازی عمیقتر با دادههای اینترنت اشیاء تجهیزات، گام منطقی بعدی خواهد بود.
بینشهای قابل اجرا: برای مدیران خط SMT و مهندسان فرآیند، این پژوهش سه اقدام را الزامی میکند: ۱) ارتقای دادههای SPI و Pre-AOI از نظارت غیرفعال به ورودیهای کنترل فرآیند فعال. همبستگی بین انحراف خمیر و جابجایی مستقیم و قابل اقدام است. ۲) پیادهسازی دستورالعملهای فرآیند خاص مکان. اگر موقعیت قطعه روی پنل مهم است، برنامههای کالیبراسیون و بازرسی باید این را منعکس کنند و از رویکردهای یکسان برای کل پنل فاصله بگیرند. ۳) بازبینی آستانههای "قابل قبول" برای رسوب خمیر و دقت قرارگیری در پرتو این یافتهها، به ویژه برای قطعات ریز. احتمالاً نیاز به تنگتر شدن باندهای تحمل وجود دارد.
این کار با روندهای گستردهتر در تولید هوشمند و صنعت ۴.۰ همسو است، جایی که پژوهشهایی مانند "یک رویکرد سیستمهای سایبر-فیزیکی برای پیشبینی کیفیت مونتاژ SMT" (Zhang و همکاران، IEEE Transactions on Industrial Informatics، ۲۰۲۱) از بازخورد حلقه بسته بین ایستگاههای بازرسی و ابزارهای فرآیند حمایت میکنند. این مقاله روابط علت و معلولی خاص مورد نیاز برای ساخت آن حلقههای هوشمند را ارائه میدهد.
8. کاربردهای آتی و جهتگیریهای پژوهشی
یافتهها چندین مسیر را برای نوآوری باز میکنند:
- کنترل فرآیند پیشبینانه: یکپارچهسازی مدلهای رگرسیون در یک سیستم بلادرنگ. دادههای SPI میتوانند جابجایی بالقوه هر قطعه را پیشبینی کنند و به دستگاه P&P اجازه میدهند تا مختصات قرارگیری را به صورت پویا برای جبران پیشگیرانه حرکت مورد انتظار تنظیم کند.
- هوش مصنوعی/یادگیری ماشین برای تحلیل علت ریشهای: گسترش مجموعه داده برای شامل کردن پارامترهای سلامت ماشین (طیفهای ارتعاشی، جریان موتورهای سروو) و استفاده از یادگیری ماشین (مانند جنگلهای تصادفی، گرادیان بوستینگ) برای کشف تعاملات غیرخطی و عوامل پنهان فراتر از محدوده رگرسیون سنتی.
- مواد پیشرفته و فرمولاسیونهای خمیر لحیم: پژوهش در مورد خمیرهای لحیم با "استحکام چسبندگی" بالاتر یا خواص رئولوژیکی سفارشی برای تثبیت بهتر قطعات پس از قرارگیری، که مستقیماً به عدم تعادل نیروی شناسایی شده میپردازد.
- توسعه استاندارد: این کار مبنای تجربی برای کنسرسیومهای صنعتی مانند IPC فراهم میکند تا استانداردها (مانند IPC-A-610) را با معیارهای پذیرش سختگیرانهتر و مبتنی بر داده برای قرارگیری قطعه قبل از رفلو بهروز کنند.
9. مراجع
- شکل ۱ اقتباس شده از ادبیات استاندارد جریان فرآیند SMT.
- Lau, J. H. (2016). Solder Paste in Electronics Packaging. Springer. (برای خواص ماده خمیر لحیم).
- Whalley, D. C. (1992). A simplified model of the assembly process for surface mount components. Circuit World. (کار اولیه در مورد نیروها در حین قرارگیری).
- Lea, C. (2019). A Scientific Guide to SMT Reflow Soldering. Electrochemical Publications. (در مورد محدودیتهای خودترازی بحث میکند).
- Montgomery, D. C. (2017). Design and Analysis of Experiments. Wiley. (پایهای برای روشهای آماری استفاده شده).
- Zhang, Y., et al. (2021). A Cyber-Physical Systems approach to SMT assembly quality prediction. IEEE Transactions on Industrial Informatics. (برای زمینه تولید هوشمند آینده).
- IPC-A-610H (2020). Acceptability of Electronic Assemblies. IPC Association.