एसएमटी पिक एंड प्लेस प्रक्रिया में घटक शिफ्ट का सांख्यिकीय विश्लेषण

1. परिचय

Surface Mount Technology (SMT) is the dominant method for assembling electronic components onto printed circuit boards (PCBs). The pick-and-place (P&P) process, where components are positioned onto wet solder paste, is a critical step. A subtle but significant phenomenon in this stage is घटक विस्थापनरिफ्लो सोल्डरिंग से पहले चिपचिपे सोल्डर पेस्ट पर किसी घटक का अनपेक्षित खिसकाव।

परंपरागत रूप से, इस खिसकाव को नगण्य माना जाता रहा है, जो अक्सर मामूली प्लेसमेंट त्रुटियों को सुधारने के लिए बाद की रिफ्लो प्रक्रिया के "सेल्फ-अलाइनमेंट" प्रभाव पर निर्भर करता है। हालाँकि, जैसे-जैसे घटकों का आकार सब-मिलीमीटर स्केल तक सिकुड़ता जा रहा है और उद्योग में लगभग शून्य दोष दर की माँग बढ़ रही है, उच्च-उपज विनिर्माण के लिए इस खिसकाव को समझना और नियंत्रित करना अत्यंत महत्वपूर्ण हो गया है।

यह शोध पत्र एक महत्वपूर्ण कमी को संबोधित करता है: हालांकि पिछले अध्ययन मौजूद हैं, किसी ने भी एक पूर्ण, अत्याधुनिक उत्पादन लाइन के डेटा का उपयोग नहीं किया हैअनुसंधान का उद्देश्य है: 1) घटक शिफ्ट के व्यवहार का वर्णन करना, और 2) वास्तविक दुनिया के डेटा का उपयोग करके प्रमुख योगदान कारकों की सांख्यिकीय रूप से पहचान करना और उन्हें रैंक करना।

2. Methodology & Data Collection

2.1 प्रयोगात्मक सेटअप

Data was collected from a fully operational SMT assembly line, incorporating Stencil Printing (SPP), Pick-and-Place (P&P), and inspection stations (SPI, Pre-AOI). The study focused on छह अलग-अलग प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक घटकों पर सामान्यीकरण सुनिश्चित करने के लिए।

Key Measured & Controlled Variables:

• Solder Paste Properties: स्थिति (X, Y ऑफसेट), आयतन, पैड क्षेत्र, ऊंचाई/स्टेंसिल मोटाई।
• घटक कारक: प्रकार, PCB पर डिज़ाइन किया गया केन्द्रक स्थिति।
• प्रक्रिया पैरामीटर: Placement pressure/force from the P&P machine head.
• परिणाम चर: प्री-एओआई सिस्टम द्वारा कैप्चर किया गया मापा घटक शिफ्ट (एक्स और वाई दिशाओं में विस्थापन)।

2.2 सांख्यिकीय विधियाँ

एक बहुआयामी सांख्यिकीय दृष्टिकोण अपनाया गया:

• Descriptive Statistics & Visualization: परिवर्तनों के वितरण और परिमाण को समझने के लिए।
• मुख्य प्रभाव विश्लेषण: प्रत्येक कारक (जैसे, पेस्ट आयतन, घटक प्रकार) के परिवर्तन परिमाण पर व्यक्तिगत प्रभाव का निर्धारण करने के लिए।
• Regression Analysis: कई इनपुट कारकों और शिफ्ट परिणाम के बीच संबंध को मॉडल करने के लिए, उनके संयुक्त प्रभावों को मात्रात्मक रूप से व्यक्त करना।
• Hypothesis Testing: पहचाने गए कारकों के सांख्यिकीय महत्व की पुष्टि करने के लिए।

3. Results & Analysis

3.1 घटक विस्थापन व्यवहार

डेटा ने निर्णायक रूप से प्रदर्शित किया कि घटक शिफ्ट एक गैर-नगण्य, व्यवस्थित घटना है. शिफ्ट सभी प्रकार के घटकों में देखी गई, जिनके परिमाण अक्सर आधुनिक सूक्ष्म-घटकों के सहनशीलता सीमा से अधिक थे। शिफ्ट का वितरण पूरी तरह से यादृच्छिक नहीं था, जो विशिष्ट प्रक्रिया पैरामीटर्स के प्रभाव का सुझाव देता है।

3.2 योगदान कारक विश्लेषण

सांख्यिकीय विश्लेषण ने घटक शिफ्ट के प्राथमिक चालकों की पहचान की। कारकों को उनके सापेक्ष प्रभाव के आधार पर नीचे क्रमबद्ध किया गया है:

1. Solder Paste Position/Deposition Offset: एकमात्र सबसे महत्वपूर्ण कारक। जमा किए गए पेस्ट और PCB पैड के बीच गलत संरेखण एक असंतुलित वेटिंग बल उत्पन्न करता है, जो घटक को "खींचता" है।
2. PCB पर डिज़ाइन किया गया घटक स्थान: स्थान-निर्भर प्रभाव, संभावित रूप से बोर्ड फ्लेक्स, कंपन नोड्स, या पैनल भर में टूलिंग विविधताओं से संबंधित।
3. Component Type: Size, weight, and pad geometry significantly affect stability on the paste. Smaller, lighter components are more susceptible to shift.
4. Solder Paste Volume & Height: Insufficient or excessive paste affects tack strength and slump behavior.
5. प्लेसमेंट दबाव: हालांकि महत्वपूर्ण है, इस अध्ययन के विन्यास में शीर्ष तीन कारकों की तुलना में इसका प्रभाव कम स्पष्ट था।

3.3 प्रमुख सांख्यिकीय निष्कर्ष

4. Technical Details & Mathematical Framework

घटक शिफ्ट को एक बल असंतुलन समस्या के रूप में मॉडल किया जा सकता है। सोल्डर पेस्ट के पृष्ठ तनाव और श्यानता द्वारा प्रदान किया गया पुनर्स्थापन बल शिफ्टिंग बलों (जैसे, कंपन, पेस्ट स्लंप से) का विरोध करता है। संतुलन स्थिति के लिए एक सरलीकृत मॉडल को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

$\sum \vec{F}_{\text{restoring}} = \vec{F}_{\text{surface tension}} + \vec{F}_{\text{viscous}}} = \sum \vec{F}_{\text{disturbance}}$

जहाँ पुनर्स्थापन बल पेस्ट ज्यामिति और सामग्री गुणों का एक कार्य है: $F_{\text{surface tension}} \propto \gamma \cdot P$ (γ पृष्ठ तनाव है, P पैड परिधि है), और $F_{\text{viscous}} \propto \eta \cdot \frac{dv}{dz} \cdot A$ (η श्यानता है, dv/dz कर्तन दर है, A क्षेत्रफल है)। प्रतिगमन विश्लेषण ने मूल रूप से यह मात्रात्मक रूप से बताया कि कैसे पेस्ट ऑफसेट (बल असममिति को प्रभावित करता है) और आयतन (A और P को प्रभावित करता है) जैसे कारक इस समीकरण को असंतुलित करते हैं।

5. Experimental Results & Chart Description

चार्ट 1: कंपोनेंट शिफ्ट के लिए मुख्य प्रभाव प्लॉट। यह चार्ट Y-अक्ष पर माध्य शिफ्ट परिमाण और X-अक्ष पर प्रत्येक कारक (पेस्ट ऑफसेट, कंपोनेंट टाइप, आदि) के विभिन्न स्तरों को प्रदर्शित करेगा। "पेस्ट ऑफसेट" के लिए एक खड़ी ढलान दृश्य रूप से इसे सबसे प्रभावशाली कारक के रूप में पुष्टि करेगी, जो ऑफसेट त्रुटि और परिणामी शिफ्ट के बीच एक स्पष्ट रैखिक संबंध दिखाएगी।

Chart 2: Scatter Plot & Regression Line of Shift vs. Paste Position Error. मापी गई शिफ्ट (Y-अक्ष) बनाम मापी गई पेस्ट डिपॉजिशन त्रुटि (X-अक्ष) को दर्शाने वाले डेटा बिंदुओं का एक समूह। एक सकारात्मक ढलान और उच्च R² मान वाली एक फिटेड रिग्रेशन लाइन इन दो चरों के बीच प्रत्यक्ष, परिमाणयोग्य संबंध के मजबूत साक्ष्य प्रदान करेगी।

चार्ट 3: कंपोनेंट प्रकार के अनुसार शिफ्ट का बॉक्स प्लॉट। छह बॉक्स साथ-साथ, प्रत्येक एक कंपोनेंट प्रकार के लिए शिफ्ट की माध्यिका, चतुर्थक और आउटलायर्स दिखाते हैं। यह प्रकट करेगा कि कौन से कंपोनेंट प्रकार सबसे अधिक परिवर्तनशील हैं या बड़े शिफ्ट के प्रति अधिक प्रवृत्त हैं, जो "कंपोनेंट प्रकार" कारक के निष्कर्ष का समर्थन करेगा।

6. विश्लेषण ढांचा: एक केस स्टडी उदाहरण

परिदृश्य: एक कारखाना पैनल पर स्थान B12 पर एक विशिष्ट 0402 capacitor के लिए Post-AOI failures में 0.5% की वृद्धि देखता है।

इस शोध के ढांचे का अनुप्रयोग:

1. डेटा ट्राइएज: B12 स्थान पर पेस्ट के लिए SPI डेटा और B12 पर 0402 कंपोनेंट के लिए Pre-AOI डेटा को अलग करें।
2. फैक्टर चेक - पेस्ट पोजीशन: B12 पर पैड्स के पेस्ट ऑफसेट (X,Y) का माध्य और मानक विचलन की गणना करें। पैनल औसत से तुलना करें। एक व्यवस्थित ऑफसेट प्रमुख संदिग्ध होगा।
3. Factor Check - Location & Component Type: पुष्टि करें कि क्या पैनल पर अन्यत्र अन्य 0402 घटक विफल हो रहे हैं। यदि नहीं, तो "घटक प्रकार (0402)" और "डिज़ाइन किया गया स्थान (B12)" की अंतर्क्रिया—शायद एक कंपन हॉटस्पॉट—इसमें शामिल है।
4. Root Cause & Action: यदि पेस्ट ऑफसेट कारण है, तो उस विशिष्ट स्थान के लिए स्टेंसिल प्रिंटर को कैलिब्रेट करें। यदि यह स्थान-विशिष्ट कंपन है, तो उस पैनल ज़ोन के लिए डैम्पिंग लागू करें या कन्वेयर गति समायोजित करें।

यह संरचित, डेटा-संचालित दृष्टिकोण रैंक किए गए कारक सूची का एक जांच मार्गदर्शक के रूप में उपयोग करते हुए, लक्षण से मूल कारण तक कुशलतापूर्वक आगे बढ़ता है।

7. उद्योग विश्लेषक का दृष्टिकोण

मुख्य अंतर्दृष्टि: This paper delivers a crucial, data-backed reality check: the "self-alignment safety net" in reflow is broken for advanced SMT. The authors convincingly shift the quality paradigm upstream, proving that P&P shift is a primary defect generator, not a negligible artifact. Their use of real production data, not lab simulations, gives the findings immediate credibility and operational urgency.

तार्किक प्रवाह: अनुसंधान तर्क मजबूत है। यह एक उद्योग धारणा को चुनौती देकर शुरू होता है, सबसे प्रासंगिक वातावरण (कारखाना फर्श) से साक्ष्य एकत्र करता है, जटिलता को समझने के लिए उपयुक्त सांख्यिकीय उपकरण लागू करता है, और दोषियों की एक स्पष्ट, क्रमबद्ध सूची प्रदान करता है। कई घटक प्रकारों पर ध्यान केंद्रित करने से एकल मामले से अति-सामान्यीकरण रोका जाता है।

Strengths & Flaws: मुख्य शक्ति निर्विवाद है—real-world validity. यह सैद्धांतिक नहीं है; यह मोर्चे की पंक्तियों से एक नैदानिक रिपोर्ट है। कारकों की रैंकिंग प्रक्रिया इंजीनियरों के लिए तत्काल कार्य योजना प्रदान करती है। मुख्य दोष, ऐसे अध्ययनों में आम है, है "मशीन कारकों" की ब्लैक-बॉक्स प्रकृति। हालांकि कंपन या कन्वेयर अस्थिरता का उल्लेख किया गया है, लेकिन उन्हें एक्सेलेरोमीटर डेटा या इसी तरह के डेटा से मात्रात्मक रूप से नहीं नापा गया है। अध्ययन देखे गए बदलावों को मापने योग्य मापदंडों (पेस्ट, स्थिति) के साथ सहसंबद्ध करता है, लेकिन व्यापक मशीन स्वास्थ्य को एक मापे गए के बजाय अनुमानित योगदानकर्ता के रूप में छोड़ देता है। उपकरण IoT डेटा के साथ गहरा एकीकरण अगला तार्किक कदम होगा।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: SMT लाइन प्रबंधकों और प्रक्रिया इंजीनियरों के लिए, यह शोध तीन कार्यों को अनिवार्य करता है: 1) SPI और Pre-AOI डेटा को उन्नत करें निष्क्रिय निगरानी से सक्रिय प्रक्रिया नियंत्रण इनपुट तक। पेस्ट ऑफसेट और शिफ्ट के बीच सहसंबंध सीधा और कार्रवाई योग्य है। 2) लागू करें स्थान-विशिष्ट प्रक्रिया रेसिपीयदि पैनल पर घटक की स्थिति महत्वपूर्ण है, तो कैलिब्रेशन और निरीक्षण योजनाओं को इसे प्रतिबिंबित करना चाहिए, सर्व-उपयुक्त पैनल दृष्टिकोणों से दूर हटते हुए। 3) "स्वीकार्य" सीमाओं का पुनर्मूल्यांकन करें सहनशीलता बैंडों को संभवतः कसने की आवश्यकता है।

यह कार्य स्मार्ट विनिर्माण और इंडस्ट्री 4.0 के व्यापक रुझानों के साथ संरेखित है, जहाँ इस प्रकार के शोध "A Cyber-Physical Systems approach to SMT assembly quality prediction" (Zhang et al., IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2021) निरीक्षण स्टेशनों और प्रक्रिया उपकरणों के बीच बंद-लूप प्रतिक्रिया की वकालत करता है। यह पेपर उन बुद्धिमान लूपों के निर्माण के लिए आवश्यक विशिष्ट कारण-प्रभाव संबंध प्रदान करता है।

8. Future Applications & Research Directions

निष्कर्ष नवाचार के लिए कई रास्ते खोलते हैं:

• Predictive Process Control: Integrating the regression models into a real-time system. SPI data could predict potential shift for each component, allowing the P&P machine to dynamically adjust placement coordinates to पूर्व-क्षतिपूर्ति अपेक्षित गति के लिए।
• मूल कारण विश्लेषण के लिए AI/ML: डेटासेट का विस्तार करके मशीन स्वास्थ्य पैरामीटर (कंपन स्पेक्ट्रा, सर्वो मोटर धाराएं) शामिल करना और मशीन लर्निंग (जैसे, रैंडम फॉरेस्ट्स, ग्रेडिएंट बूस्टिंग) का उपयोग करके पारंपरिक रिग्रेशन के दायरे से परे गैर-रैखिक अंतःक्रियाओं और छिपे हुए कारकों को उजागर करना।
• Advanced Materials & Solder Paste Formulations: उच्च "टैक स्ट्रेंथ" या अनुकूलित रियोलॉजिकल गुणों वाले सोल्डर पेस्ट्स पर शोध, जो प्लेसमेंट के बाद घटकों को बेहतर ढंग से स्थिर कर सकें, जिससे पहचानी गई बल असंतुलन समस्या का सीधे समाधान हो।
• मानक विकास: यह कार्य IPC जैसे उद्योग संघों के लिए एक अनुभवजन्य आधार प्रदान करता है, ताकि रीफ्लो से पहले घटक प्लेसमेंट के लिए अधिक कठोर, डेटा-संचालित स्वीकृति मानदंडों (जैसे IPC-A-610) के साथ मानकों को अद्यतन किया जा सके।

9. References

1. Figure 1 adapted from standard SMT process flow literature.
2. Lau, J. H. (2016). इलेक्ट्रॉनिक्स पैकेजिंग में सोल्डर पेस्ट. Springer. (सोल्डर पेस्ट सामग्री गुणों के लिए).
3. Whalley, D. C. (1992). सतह माउंट घटकों के लिए असेंबली प्रक्रिया का एक सरलीकृत मॉडल. सर्किट वर्ल्ड। (प्लेसमेंट के दौरान बलों पर प्रारंभिक कार्य)।
4. ली, सी. (2019)। एसएमटी रीफ्लो सोल्डरिंग का एक वैज्ञानिक मार्गदर्शक। इलेक्ट्रोकेमिकल पब्लिकेशन्स। (सेल्फ-अलाइनमेंट की सीमाओं पर चर्चा करता है)।
5. मोंटगोमरी, डी. सी. (2017)। डिज़ाइन एंड एनालिसिस ऑफ़ एक्सपेरिमेंट्स। विले। (उपयोग की गई सांख्यिकीय विधियों का आधार)।
6. Zhang, Y., et al. (2021). SMT असेंबली गुणवत्ता पूर्वानुमान के लिए एक साइबर-फिजिकल सिस्टम्स दृष्टिकोण। IEEE Transactions on Industrial Informatics. (भविष्य के स्मार्ट विनिर्माण संदर्भ के लिए)।
7. IPC-A-610H (2020). इलेक्ट्रॉनिक असेंबली की स्वीकार्यता। आईपीसी एसोसिएशन।