企业生产过程控制

过程控制

如果实施正确，过程控制方法与工具将帮助达到过程能力、稳定性和可重复性。过程控制是一系列仔细计划和周密设定的事件，当按照计划完成时，典型地将包括以下事项（第5、6、7和9项可能需要采取过程调整）：

定义装配要求、装配过程、过程参数和过程品质计划

存档装配程序

培训和发证雇员

开始限量生产

收集变量数据

计算过程能力

收集特性数据

开始批量生产

继续数据收集

所有过程都有变量，统计过程控制(SPC, statistical process control)提供基本的工具，可用于测量和监测过程变量。有两种类型：普通原因和特殊原因。普通原因变量是那些自然地存在于一个稳定的和可重复的过程中。特殊原因变量是那些出现在由于特殊的（可归属的）原因，如没有符合已建立的过程参数，而缺乏能力的过程中。

过程控制必须基于事实。控制图表，简单地说，就是一段时期上分布的柱状图，记录和显示收集的数据。变量数据是以过程为焦点，通过测量特征(feature)来得到，例如，胶点的直径。特性(attribute)数据，也是产品为焦点，代表计数，例如，在一块完成的PCB装配上焊接点缺陷的数量。有六个基本的控制图表：

X条形显示平均的一系列测量的变量

R显示一系列测量范围的变量

C显示缺陷数量的变量

U显示每个单位缺陷数量的变量

P显示断裂缺陷的变量

Np显示有缺陷的单位数量的变量

控制图包含控制和规格极限。控制极限，也叫做上(UCL)和下(LCL)控制极限，是变量的边界。它们是基于实际的过程表现。规格极限是工程利用的外部边界，也有上(USL)和下(LSL)极限。当数据在控制极限内并形成随机形态时，过程是稳定的和可重复的。需要观察的事件包括失控点和三个统计模式：运行(runs)、周期(cycles)和趋势(trends)。

高级SPC使用者也可计算过程能力指数，通常叫做Cp和Cpk。过程能力(Cp)将一个过程的柱状图与规格极限比较，而改正的过程能力(Cpk)是用来处理

Cp内在的几个不足点。1.0的Cp表示过程能力还可以，但最少1.33的Cp 才是所希望的。

每百万的缺陷机会(DPMO, defects-per-million-opportunities)是另一个显示产品品质的方法。简单地说就是每个单位上的缺陷数除以缺陷机会，乘以一百万。缺陷机会就是每个板上焊接点的数量。

过程控制(Process Control)

随着作为销售市场上具有战略地位的英特网和电子商务的迅猛发展，OEM 面临一个日趋激烈的竞争形势，产品开发和到位市场的时机正在戏剧性的缩短，边际利润的压力事实上已有增加。同时合约加工商(CM)发现客户要求在增加：生产必须具有资格并持有执照，产品上的电子元件必需有效用和有可追溯性。这样，文件的存档已成为必不可少的了。

当今，成功的制造商已经消除了其所需的人员与信息之间的时间和距离。管理更加紧密地与运作相连，反过来，运作人员在相互之间和与设备之间更加紧密地相联系。如果存在一个21世纪的成功电子制造商的定义特征，那就是准确控制、评估和改进其工艺过程的能力。

改进的逻辑过程

在计算机和电信市场的制造商的带领下，制造商们正贯彻逻辑步骤，以使得PCB制造过程的连续改进达到一体化。如图一所示，路线十分直接了当。

以自我测试开始，在一个行进的过程测试的闭环中达到最高点，过程改进的八个步骤，虽然相互关联，但每一个都重要。

图一、以自检开始，以行进中的评估“闭环”结束，过程的改进步骤的相互关系清晰可见。

1. 定义目标。起点是改进制造过程的最基本的元素，由于其通用的范畴，

而往往被忽视或难以决定。必须为整个制造运作而不是其某些部分，制定目标和目的。提出的问题是基本的：希望从产品得到什么？当顾客购买产品时，应该得到什么？

当完全探讨这些问题，则可设立整个制造舞台通用的清楚的目标和目

的。然后，运作中的每一个人将明白这些观点怎样影响过程中的他那个特定部分，令人厌恶的组织分支内的目标不一致的问题将消除。决定这些目标的力量是多方面的，但大部分是市场驱动的。所有潜在的因素(例如，内部能力与期望，供应链分枝等)应该在一开始时详尽地讨论。2. 建立度量标准。关键的度量标准，或测量定义的目标与目的是否满足的

量化因素，是建立基准线以及测量过程进度所必须的。有许多测量过程的方法，但选择的度量标准必须提供评估结果的最好方法。

电子产品中，已出现四个主要度量标准：

生产量，或，当机器运行时制造产品数量所决定的设备有效运行。机器运行期间完成的板的数量越大，生产量越大。

利用率，或，机器运行时间所决定的设备本身的运行。连续以每周七天、每天24小时运行的设备是以最大的利用率在运行的。

报废，或浪费的材料，包括装配期间损坏的或放弃无用的元件，由于装配返工或整个装配报废而必须拿掉或修理的已贴装的元件。

品质，或简单地，把正确的东西放在正确的位置，以保证产品性能达到设计规格。

3. 标识运作。一旦度量标准得到满足，影响它的运作必须得到标识。然后，

程序可以得到实施，过程可以得到改进，把度量标准应用到定义的目标。这个概念就是标识关键的运作，使其可以测量，并可采取对目标有意义影响的行动。

例如，对生产量来说，关键因素可能是机器编程。程序保证最优化的贴装模式，使得机器以最快的速度运行吗？编程是手工完成的吗？如果是，自动编程工具可以改进性能和生产量吗？其它问题可能包括：是否在适当的时间有正确的维护，有现有的程序来保证吗？元件的拾取、恢复或重试操作会减少实际的机器效率吗？

对利用率来说，什么因素支持(或破坏)不分昼夜的运行？产品数据是否正确和迅速地提供给机器操作员和设备本身，使得不确定以及制造“错误产品”的可能得到避免？

转换开关–从一个产品转换到另一个产品–可能对利用率有戏剧性

的影响。必须尽量减少机器上的转换，为接纳新产品而处理零件和送料器设定的变化。同样，产品在生产线上运行的次序以有形的方式用重要影响，如时间和成本(图二)。为了快速地产品转换，必须强制做到，在转换前把最新的产品规格和清楚的程序建立指导发放出来。

图二、“动态”设定，产品运行的次序可能对设备的利用率有很强的影响。决定优化的次序可以极大地改进过程。

对报废而言，产生浪费的过程和运作必须标识出来。送料器设定正确

吗？零件用完后，补充是否快速、准确？有没有提供给操作员这些步骤所要求的数据？

其它问题：已经选择了生产运行的正确程序吗？和车间的元件相符合吗？机器性能本身应该评估：是否所有元件都拿起和贴装，或者，是否丢失率对报废有重大影响？机器性能是否在行进的基础上有文件记录？

品质度量标准回到直接了当的指令：把正确的零件放在正确的位置，以保证产品性能达到设计要求。为了保证，必须告诉操作员正确的程序，即，所有车间内装配、测试和包装的步骤。是否工程与制造之间的通信可保证设计更改直接地反映在制造程序中？最后，传统的品质检查–产品是否真的制造正确？

4. 测量过程。一旦影响定义目标最大的运作与程序已经标识，它们可按照

已建立的度量标准来测量。过程测量将逻辑上来自于过程本身，一些简单得足以手工评估(即，在纸上)，而其它的将要求通过信息系统来精密复杂地监视。事件包括时间、范围、内容、精度和反应，或者，制造商对过程中或过程本身变化的有效反应的能力。不需要说，成功的制造商中间的运行已清楚地趋向于精密复杂的实时过程控制–变成日常事务的一部分的一种承诺。

5. 选择工具。关键因素包括效率、对过程偏移的反应速度和数据收集与分

析错误的最小化。提供的某些工具是占优势的：

统计过程控制(SPC, Statistical process control)和交互过程优化(IPO, Interactive process optimization)被广泛地用于量化和改进生产量。SPC提供所有与信息系统通信的设备的实时状态的图表显示。

它也用来作图表和提供对自动储存在运行数据库的信息的可视化和实时监测。例如，SPC图表提供访问生产(看工具条)、吸嘴和料盒管理数据、运行状态和现时与历史的操作事件数据。这些工具最精密复杂之处可以结合数据区域来产生用户图表和报告，可相对定义的控制参数对其评估，以提供失控情况的自动报警。

IPO提供从自动转换和CAD数据优化，到就绪的生产程序的所有东西。

典型的，IPO使用多级和多产品的优化步骤来转换CAD文件到增加生产设备效率而减少设定时间的“处方”。现在的程序使用图形用户介面(GUI, Graphical User Interfaces)来使得在过程中任何点进行自动优化的简单编辑。通过提供多已经数据库，IPO给用户对用来产生程序的零件信息一个提升的控制；其优化过程提供整条生产线机器的平衡的设定时间，而使料车和工作台的运动最少。这个工具的关键优势是，把多个产

品和其元件作为一个整体或“混合”进行优化。其结果是，运行中的所有产品的单一设定，使设定和转换时间最少，而提供有力的控制。主要目标是建立一条降低所有生产制造时间的，生产和机器程序最大化的生产线。

用于测量利用率标准的流行的工具包括，动态设定管理(DSM, Dynamic Setup Management), 元件确认与跟踪(CVT, Component Verification and Tracking)，生产线管理者和主机通信/产品数据管理软件。DSM工具是增加的生产线管理系统，提供对特定生产线的交互管理产品运行的能力。DSM计算递增的一列产品的送料器设定变化，以使所花的生产时间最少；它是基于估计的运行和设定时间的总和。DSM对合约制造商特别重要，高混合、低产量的生产环境使得转换的最少化成为首选。CVT工具结合硬件和软件系统，使用拴在系统上的条形码扫描器。CVT 扫描器让操作员完成单个产品或全部产品混合的设定全过程。这些系统允许双料车单独地设定，允许设定现时产品的一个料车的同时，另一个料车已准备好下一个产品。零件、销售商、批号、数量和操作员数据储存在CVT工具里，作为一个辅助受益，以支持元件的可追溯性。典型的，用于新产品设定的相同CVT屏幕也用于跟踪元件的用尽，因此简化两个操作。

生产线管理者提供多元的自动转换。它们可监查转换，当转换完成时停止和释放组板；下载产品和把它指向特定的设备；并且开始新的产品顺序，为生产作必要的调整(如，宽度轴)。生产线管理者通常扫描每个组合板，把其产品和那些运行在生产区的进行比较，若不同则开始转换。转换的自动化大大地改善了利用率。

主机通信工具使用产品概念，来吸收操作员需要用来在生产线上运行产品的所有信息。有了这些工具，主管可以设定那些要下载或上载的数据；这消除了操作员出错的机会和减少快速转换时的不确定性。

送料器管理系统(FMS)和元件管理系统(CMS)是应用于报废度量标准的通用工具。(SPC和CVT也应用于这个度量标准。) FMS跟踪工厂内送料器资源的位置和生产统计资料。因为送料器有关的错误可能是报废元件的主要原因，FMS把工厂看作送料器可能放置的几个区域。因此，工具通常要求送料器以条形码作标记，作为送料器装载操作的一部分来扫描。从送料器吸取和报废的元件计数自动的和每个送料器联系在一起。然后，工具可用来识别和找到需要维护的送料器。因为送料器是从机器上安装和拆卸的，FMS工具自动地跟踪和分配计数和错误数量给每个送料器。

CMS工具跟踪工厂内的元件库存清单。和FMS一样，它把工厂按区域划

分，在这里可以找到元件，并当元件移动时，CMS跟踪它们。高级的CMS 工具显示现时的元件信息，定义区域内的零件位置，低存数元件报警，以查明接近所定义的用尽极限的元件料盘数量，和与元件有关的过程度量标准的图表(例如，按零件/销售商/批号的报废)。

或许，在评估标准中最动态的发展是，品质的文件编辑工具的应用。它们可用来描述制造过程和给生产车间派发专门的工作指示，消除了只提供单一的解决方案给包装信息，如装配图纸、程序安排图表和操作指示，所造成的效率低下。文件编制工具迅速把工厂推向无纸张运作，这里，所有要求的信息放在单一的文件内，可独立于其它工具使用。文件编制的运行可在单台计算机上、手工装配站或生产线上，消除了报告乱放或无效的工作指示的混乱。重要的是，通过把制造信息结合在单一的数据包中，文件编制工具提供了一个标准来制造产品和促进车间内ISO9000的认识。最后，在品质计量标准的测量中占主导的其它工具包括，检查工具、生产线管理者和主机通信装置。

如前面所说，品质检查工具可以是手工的或自动的，看其应用而定。在生产线上累加缺陷的能力证明是自动工具最大的实惠，它允许改进的跟踪，提供寻找关键制造问题的指示。大多数制造商采用一系列的工具，跨过主要的度量标准工作，来增强工具投资的回归，同时支持度量标准

的关键前提：追寻既定的目标和目的(图三)。

图三、过程控制工具表，可看出利用率横跨几个主要标准。

6. 评估标准。随着目标和目的的制定、标准达到一致和得到制定、关键的

运作在行进的基础上用选择的工具得到标识和测量，是时候评估这测量了。这对于描述制造性能的历史和把结果与目标相比较是必要的。只有当呈现了过程及其变量的准确图形后，才可以向希望的方向迈进。7. 改进过程。当手上持有制造过程的准确图形时，那些不支持目标的区域

将变得清楚。然后，作出调整，以达到改进度量标准和减少棘手的偏移的目标。

8. 评估改进。现在，基本的目标达到了吗？这一步实际上是第六步的评估

过程的听诊，改进和评估变成运作中的一个行进部分。那些掌握这个连

续准则的人将具备在当今迅速变幻的市场中成功的极具竞争性的法宝。结论

实施这八个步骤的最终理由是极其简单的：即，生存。制造商所面对的市场压力将不会随着时间而减少。市场之间的边界正在消失，竞争更加激烈。成功的人能够对客户反应是迅速、高效并带有很强的控制，因为他们的顾客的要求不会变得越少。通过增加产出、利用率最高化、减少报废以及通过履行行进中的过程控制改进来改善品质，原设备制造商(OEM)和合约制造商(CM)将能够降低成本、改善效益、开发和维持生意，以及抓住开朗的客户忠诚。

过程品质控制：通往零缺陷制造的途径

In-process Quality Control: The Route to Zero-defect Manufacture 采用AOI的最终目标将决定生产线上哪里放置AOI，并将产生什么过程控制信息。

随着印刷电路装配变得更小和更密，自动光学检查(AOI, automated optical inspection)设备越来越多地用来监视和保证印刷电路板(PCB, printed circuit board)的品质。另外，带有专门目的的有效使用AOI可以产生不同类型和详细程度的过程控制信息。

有四类实施AOI的检查目标：

最终品质(End quality)。把注意力主要集中在最终品质的制造商对产品走下生产线时的状态感兴趣。当生产问题非常清楚、产品混合度高、和数量和速度为关键因素的时候，优先采用这个目标。AOI通常将放置在生产线最尾端附进。在这个位置，设备可以产生大范围的过程控制信息。

过程跟踪(Process tracking)使用检查设备来监视生产过程。典型地，包括详细的缺陷分类和元件贴放偏移信息。当产品可靠性很重要、低混合度的大批量制造、和元件供应稳定时，制造商优先采用这个目标。这经常要求把检查设备移动到几个地方，在线地监视具体的表现。过程控制信息通常比采用最终品质目标少，但是它可以直接地找到特殊的过程问题。支持特殊过程步骤的过程控制信息可能比采用其它目标更定量化。

在线测试(ICT, in-circuit test)第一次通过率(FPY, first-pass yields)反应过程能力和ICT步骤的任何难点。AOI设备通过发现缺陷板和在第一次ICT之前把缺陷板发送到修理，来改善ICT的通过率。当生产批量很大而需求时间短，要使测试和发运产品成为关键问题的时候，制造商优先采用这个目标。因为AOI是放置在生产线的最后端点附近，所以过程控制信息典型地是定性的。

特征化(Characterization)。在危险性使用装配的生产中，即，医疗或军事应用中，检查设备必须调整到发现所有可能的异常。其结果是几乎不存

在遗漏率，但是它会产生误报，要求较长的检查时间。AOI典型的用于生产线最尾端，检查焊锡点，但可以移去监测特殊过程。对这个目标的关键生产因素是生产类型、现场失效的危险性和允许的监测时间。可产生定性和定量的过程控制信息，看检查设备的位置和设定而定。

在许多应用中，对于任何这些目标，AOI机器设定将没有什么不同。不同之处在于检查机器如何使用。例如，检查机器典型地只标志严重的缺陷，可是，如果特征化作为检查目标，使用者可能浏览到的(或让检查设备报告)只是不够严重的、不足以完全反映产品特征的异常。检查设备必须支持全部这些检查目标，并可从一个移动到另一个。类似地，过程控制信息可能由于设备的用途而不同。例如，虽然元件贴装信息可以用回流焊后检查来收集和检查，但是这些信息的利用将于回流焊前检查收集的不同。在这个站点，与贴装机器错误的缺陷相关性可能更小。

实施策略(Implementation Strategies)

机器所放置的位置可以实现或阻碍检查目标，不同的位置可产生相应不同的过程控制信息。AOI放置位置是由下面因素决定的：

特殊的生产问题。如果生产线有特别的问题，检查设备可增加或移动到这个位置，监测缺陷，尽早发觉重复性的问题。

实施目标。对于检查设备，没有一个最好的位置来处理所有的生产线缺陷

(表一)。如果实施AOI的目标是要改进全面的最终品质，把机器放在过程的前面可能没有放在后面的价值大。机器放在前面的一个论据是为了避免对已有缺陷的产品再增加价值。还有，在过程的早期维修缺陷的成本大大抵于发货前后的维修成本。可是，许多缺陷是在生产的后期出现的，意味着不管前面发现多少缺陷，发货前还是需要全面的视觉检查。

放置位置(Placement Location)

虽然AOI可以放在装配过程的如何部分的后面，但是有三个检查位置是主要的：

锡膏印刷之后(after solder paste deposit)(图一)。如果锡膏印刷过程满足要求，那么ICT发现的缺陷数量可戏剧性的减少1。印刷不良可能同下列问题是有联系的：

焊盘上焊锡不足。

焊盘上焊锡过多。

焊锡对焊盘的重合不良。

焊盘之间的焊锡桥。

在ICT上，相对这些情况的缺陷概率直接与情况的严重性成比例。轻微的少锡很少导致缺陷，而严重的情况，如根本无锡，几乎总是在ICT造成缺陷。焊锡不足可能是元件丢失或焊点开路的一个原因。尽管如此，决定哪

里放置AOI需要认识到元件丢失可能是其它原因下发生的，这些原因必须放在检查计划内。这个位置的检查最直接地支持过程跟踪和特征化。

这个阶段的定量过程控制数据包括，贴放偏移和焊锡量信息，而有关印刷焊锡的定性信息也会产生。

回流焊前(Pre-reflow)(图二)的检查是在元件贴放在板上锡膏内之后和PCB送入回流炉之前完成的。这是一个典型地放置检查机器的位置，因为这里可发现来自锡膏印刷以及机器贴放的大多数缺陷。

在这位置产生的定量的过程控制信息，提供射片机和密间距元件贴装设备校准的信息。这个信息可用来修改元件贴放或表明贴片机需要校准。这个位置的检查支持所有AOI实施目标。

回流焊后(Post-reflow)(图三)检查是SMT工艺过程的最后步骤，在发货前完成的ICT、功能测试和系统测试之前。这是AOI最流行的选择，因为这个位置可发现全部的装配错误。回流焊后检查提供高度的安全性，因为它识别由锡膏印刷、元件贴装和回流过程引起的错误。这个位置的检查支持所有AOI实施目标。

虽然在这点可产生定量的信息，但可能困难于将错误与确定性的原因关联起来。尽管如此，所产生的定性的信息可提供全过程状态的最准确的指示器，因为在这个位置，SMT过程已经完成。

如果说每个位置对识别某个特殊缺陷都可能理想主义的话，实施AOI的挑战就是将检查设备放到一个可以尽早识别和改正最多缺陷的位置。

过程控制信息(Process Control Information)

AOI设备产生两种类型的过程控制信息。定量的信息，如元件偏移的测量，可用于监测贴片设备的状态。其后的逻辑是贴装精度是全部的生产过程品质的一个好的指示器。定性信息可通过直接报告缺陷信息来决定全部装配过程的品质。该信息可用于决定制造过程的系统缺陷。分析信息的步骤如下。

选择一个控制图作为主监视图。这个图经常在检查机器或返工站显示。操作员观察图表来决定是否过程超出公差。对监测元件贴装的回流焊前的检查站，图表典型地是一个元件偏移的离散图。当绘出的点超出预设的极限，操作员可以纠正缺陷，可能的话调整贴片机。对回流焊后的应用，主监视图将或是一个Pareto图，或是一个FPY图。图四显示一个典型的FPY品质控制图。该图比较来自从AOI设备和PCA返工工位的操作员所产生的FPY 数据。因为FPY是全面过程线性能的良好指示器，所以该图一般作为一个关键的过程监视工具。在任何时候，操作员可以选择一个点来作进一步的调查，并且可产生一个更详细的缺陷分类图。

图五是一个总结Pareto图分类的缺陷的报告。象这样的过程控制图典型地

是当FPY图出现某种异常的时候提出的。该图告诉过程工程师什么类型的缺陷正在出现。在本例中，最重要的缺陷是锡桥，它占了缺陷的42%。线性图显示与Pareto条形图有联系的缺陷的累积百分率。它表明最多的三种缺陷占产品上发生的错误的75%。如果这些缺陷被消除，那么可得到重大的过程改进。再进一步深究这数据，可以决定焊锡短路的位置。

图六显示焊锡短路缺陷发生在哪里。通过逐个位置的检查特殊缺陷的发生，过程工程师可更好地决定缺陷的根源。在本例中，最多缺陷的位置造成锡桥总数量的15%。由于这个至关重要，缺陷的根源将要求进一步的调查。定性品质控制图给操作员和过程工程师改进寻找缺陷根源和突出系统缺陷的工具。

AOI的未来(Future of AOI)

AOI工业正努力迈向零缺陷制造的最终目标，当然现在还未达到。现在的情况是一系列的统计数量告诉过程工程师什么已经发生，但是还不能告诉操作员什么将会发生。类似地，推测缺陷根源是借助于AOI系统产生的控制图类型，但系统很少可以自己决定根源。元件贴装/元件偏移检查循环只不过刚刚开始接近一个点，这个点就是回流焊前检查机可以直接对贴片机发出偏移改正信号，修改其贴装程序。

对过程品质控制而言，AOI的未来将涉及智能软件系统，该系统将统计数