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IPC中文版

IPC-9850

表面贴装设备标准

集成设备附属委员会（5-41）

正式提案2001.5

译者序言

IPC5-41附属委员会，由SMT设备用户和供应商组成，制定了IPC-9850标准，它将描述贴装机器能力的性能参数标准化，从而简化了评估贴装机器能力的过程。

它结合了贴装产出和贴装品质，因此速度与精度参数相互依赖。

该标准也规定了一致的、可证实的、性能参数测量的方法。

最终结果将是一个共同的语言，运行用户和供应商对设备性能更有意义的沟通。

IPC（theInstituteforpackagingandinterconnect）:

封装与互连协会由300多家电子设备与印制电路制造商，以及原材料与生产设备供应商等组成，下设若干技术委员会。

SMEMA（theSurfaceMountEquipmentManufacturesAssociation）表面贴装设备制造商联合会现在已经并入IPC。

IPC还包括IPC设计者协会（主要是PWB印制电路板的设计者）、ITRI（InterconnectionTechnologyResearchInstitute）互连技术研究会和SMC（SurfaceMountCouncil）表面安装委员会。

1简介-6-

1.1范围-6-

1.2目的-6-

1.3历史背景-6-

1.4执行-6-

1.4.1限制条件-6-

1.4.2测试元件-7-

1.4.3测试板-7-

1.4.4测试方法-7-

测量仪器-8-

报告-8-

1.5表格形式-8-

1.6数据格式-8-

1.7术语解释-8-

1.8测试单元-9-

2参考文献-10-

3贴片机性能-11-

3.1贴片机特性表IPC-9850-F1-11-

3.1.1共性-11-

3.1.2性能认证-11-

3.2描述方法-12-

3.2.1背景-12-

元件可变性-12-

可贴片元件范围-12-

板可变性-12-

3.3机器性能参数-12-

3.3.1测试条件-13-

头/轴的数目-13-

头/轴的类型-13-

摄像头的类型-13-

送料器/送料托盘的数目-13-

吸嘴的类型-13-

吸嘴的数目-13-

贴装的板数-13-

每块贴装板上的元件数目-13-

3.3.2基本时间参数-13-

贴装时间-14-

传输时间（Tt）-14-

总体节拍时间-15-

节拍时间-15-

净产量-15-

3.3.3CMM测试参数-15-

稳定性-15-

精确度-16-

Cpk的规定极限-16-

用Cpk描述元件终端覆盖焊盘的精确度-16-

4不良比例和可靠性能表——IPC-9850-F2-20-

4.1不良比例-20-

4.2可靠性参数-21-

4.2.1辅助之间的贴装平均值（MPBA）-23-

4.2.2修理辅助的平均时间（MTTRa）-23-

4.2.3失效之间贴装平均数（MPBF）-23-

4.2.4修理失效平均时间（MTTRf）-23-

4.2.5总时间-23-

4.2.6非计划时间-23-

4.2.7操作时间-23-

4.2.8机器正常运转时间-23-

4.2.9预防性维护（PM）时间-23-

抓取失败率（PPM）-24-

4.3测试地点-24-

4.3.1机器数目-24-

4.3.2贴片机总数-24-

4.3.3抓取元件总数-24-

5测试能力确认——表IPC-9850-F3-25-

5.1稳定性和重复性能力规定-25-

5.2精确度能力-25-

6测试工具-27-

6.1贴装测试板说明-27-

6.2贴装测试板传送器说明-28-

6.3玻璃片规格-28-

6.4粘胶介质的应用-33-

6.5贴装程序-33-

6.5.11608C元件-33-

6.5.2SOIC-16元件-34-

6.5.3QFP-100和BGA-228玻璃元件-35-

6.5.4QFP-208玻璃元件-36-

7表格和图表-37-

附录A:

能力指数-40-

附录B:

Cpk值的规定极限值-41-

附录C:

机器能力测试中粘结剂的使用-42-

附录D:

贴片后采用光学坐标检测元件的推荐方法-43-

附录E：

贴装板上元件的位置-50-

附录F：

精度测试板上元件的位置（待开发）-54-

附录G：

如何进行GR&R测试、GR&R电子表格简介-55-

附录H——GR&R电子表格的介绍-57-

附录I——贴装测试板托架-59-

附录J——“终端覆盖焊盘率计算.xls”电子表格使用介绍-60-

1

简介

1.1范围

这个标准是以说明书的形式对贴片机的贴装能力进行描述的。

也就是在一定的贴装精度和贴装速度关系条件下，检验某一规格的贴片机是否与说明书相符合。

1.2目的

采用一定的参数、测试程序和方法对贴片机的性能进行说明、评估和长期认证。

IPC-9850将这些参数、测试程序和方法进行了标准化。

用这些标准化的工具来获得出现在本标准中的信息并报告之。

1.3历史背景

随着表面贴装技术（SMT）的发展，用户始终面对着在特定的生产环境中能使贴片机保持最佳工作状态的问题。

能够精确对中、快速贴装元件到印刷线路板（PWB）的焊盘布局上（pattern）是贴片机的一个优势，也是选择贴片机的起码标准。

贴装速度最快而对材料的损伤最少的贴片机才是最好的贴片机。

最初，通用的评定贴片机的方法是看其贴装产出率。

根据这一标准，贴片机为用户贴装了大量的产品，能够目测到贴装错误的产品才是废品。

在当时，最少的废品和最耐用的机器就是最好的机器。

对于现代贴片机的高产量和可靠性的评定，需要收集大量的评估产量和可靠性的有效数据。

这个标准提供了一个新的衡量现代贴片机产量和可靠性的工具，性能结果还是以传统的形式表现。

此外，除了产量和可靠性的要求，对贴片机的需求也越来越广泛。

元件尺寸逐渐减小，元件的引脚越来越密，贴装位置越来越紧凑。

而且，印刷线路板（PWB）上的元件和产品的种类显着增加。

现在的贴片机必须更高速精确贴装以降低成本。

这就对贴片机提出了更多的要求。

在过去，贴片机厂商采用自己的参数和方法来说明机器的生产能力和产量。

众多的评估手法造成在相似类型机器之间进行优劣性比较的难度增大。

为了获得比较数据，用户不得不采用相同条件下不同机器现场开工比较的方法。

这种方法浪费了用户的大量时间，同时要求厂商有雄厚的资本。

这个标准将描述贴片机贴装能力的性能参数标准化，从而达到了简化评估过程的目的。

同时，也将贴装产量和贴装质量联系起来，即贴装速度和贴装精度是相互影响的。

标准也规定了测量贴片机贴装能力参数的方法。

从而减少了由于客户怀疑机器功能是否正常而造成客户与厂商之间的潜在矛盾的发生。

这里采用的方法是始终如一的、有据可察的，是客户与厂商之间通用的方法。

这些方法是通过从所有的SMT工艺变量中分离贴片机的性能参数来获得的。

包括印刷锡膏、元件质量、包装类型和PWB质量等参数。

这个标准中的速度和质量评估方法指出，所做的测试是把标准元件贴到洁净的玻璃板上的粘性介质上进行的。

经验表明表面贴装设备要想在生产中运行良好必须先在粘胶介质上运行良好。

而且，提高在粘胶带上的工艺能力通常也就是加强在生产中的工艺能力。

虽然这种方法不能用来预测产品的质量，但可以用来尽可能的减少设备、产品、工艺和操作之间的变量。

虽然最终目标是评估机器在真实PWB上的贴装能力，但是以实际生产中的精度和速度进行测试是不现实的。

我们希望将来的在线监测系统能够提高测量元件的位置和方向的能力。

在将来有可能实现使用在线的贴装后（POST-PLACEMENT）（在回流焊前）AOI处理系统来测量贴片机的贴装能力。

由于高速贴装和细间距元件贴装设备之间没有明显的界限，在本标准中没有将其分成两种类型的机器。

客户可以根据厂商提供的数据来决定那一款是最好用的机器。

1.4执行

1.4.1限制条件

这个标准是由一系列表面贴装设备的最基本的参数组成的。

在某些场合下补充规定是有其价值的。

标准中选用的参数集中有作为厂商通用说明中要求的核心部分最佳子集。

这一核心部分将来将作为技术规定进行修订。

此外，因为软件和硬件在每一种独立类型的机器上有着多种可能组合，标准不可能包含所有的组合形式。

这些特征和选择对特定机型的整体能力都有影响，这些复杂性将留给用户去体会。

而且，用户有义务理解标准中给出的每一个参数的限制条件和误差，才能得出正确的性能结论。

1.4.2测试元件

选择QFP-100、QFP-208、BGA-228、1608C电容和SOIC-16这五种类型的元件为贴装元件的代表。

详见表3-1和第6节。

在考核一部贴片机时，其中的一个目的就是评估贴片机引起的误差。

隔离贴片机对贴装误差的影响，能很好的减少其他因素对贴装误差评审工艺的影响，这也正是本标准想要厂商能够作到的。

采用最好的元件可以很好的减少元件对贴装错误估计的影响。

这样元件误差的影响减小到最小，与SMT元件间的变量联系起来。

例如，选择1608C电容芯片作为测试样品主要是因为其侧边的制造精度高，外形方正。

之所以不选择芯片电阻，是因为它的顶部外缘的制造形式，在贴片机的CMM摄像头下不能靠侧边或底边很好的定位。

但由于陶瓷的芯片电容为球形，所以在确定它的电极时仍然存在一些问题。

选择SOIC-16集成电路作为一个标准元件，是因为它相对低的成本和坚固的结构。

SOIC-16元件可以代表很大范围的标准化粗间距引脚元件。

几乎所有类型的贴片机都可以处理SOIC-16器件，因此使用SOIC-16为样板，可以对不同的贴片机进行比较。

而且1608C和SOIC-16都采用了经济的带式包装，此种包装方式能使贴装速度达到最大从而得到了广泛的应用。

不管1608C还是SOIC-16都要符合JEDEC标准。

玻璃元件能给贴片机中的视觉系统带来无弯曲引脚和其他缺陷的完美图像。

玻璃元件还具备基准Mark点，可以加速坐标测试器（CMMs）的测量速度。

CMM通过测量玻璃元件上的基准Mark点，而不是玻璃元件真实特征，来计算玻璃元件特征的位置。

只有通过NIST认证有效的玻璃元件基准Mark点才可以用来表现玻璃元件特征的位置。

在贴片机测试中不对玻璃元件基准Mark点进行处理，这些点对正常的视觉系统操作没有什么影响。

明确定义基准Mark点有利于减少整体误差，包括测试仪器本身的部分误差，尤其重要的是密间距元件（QFP和BGA）的规定误差要求非常严格。

在这个标准中，选用了两种QFP和一种BGA玻璃元件为代表元件。

尤其是QFP-100、QFP-208和BGA-228这三种元件可以用来对很大范围的具有特定IC盘和复合贴装功能的射片机（chip-shooter）进行比较。

当利用玻璃元件时，为了维持连续性，料盘中的玻璃元件应该保持相同的方向。

可以利用标准中定义的相同的基本方法对其他类型的SMT元件进行分析。

采用玻璃元件代表微小BGA（micro-BGA）和倒装芯片（flip-chip）元件，很显然扩充了厂商和用户所希望考虑的因素。

标准的后面会提到相关其它类型元件的附加规定。

1.4.3测试板

标准中的测试方法是，将元件贴到洁净的玻璃板上的粘胶介质上。

这种方法有两个优点。

第一，玻璃板的尺寸稳定，与环氧树脂玻璃PWB原料不同，玻璃板不容易收缩和卷曲。

第二，可以利用标准光学坐标测试仪（CMM）对元件外形进行照明。

CMM可以快速准确测量大量元件。

为了使评估过程简单化，采用相同玻璃板贴装不同类型元件进行评估和认证。

标准中提到的板称为贴装认证板（PVP）。

PVP的特殊位置上有位置精度符合NIST标准的基准Mark点。

这些点可以作为贴装和测试仪器的参考点。

在标准中与测试板匹配的元件如下（每次一组）：

a）36个QFP-100

b）30个QFP-208

c）100个BGA-228

d）80个SOIC16

e）400个1608C（电容）

粘胶介质的使用需要有经验基础。

粘胶的量应该足够粘着元件，但又不能过多，过多会与背光亮度干涉。

附录C将说明如何使用粘胶介质。

1.4.4测试方法

这个标准主要用来确保测试工具能够正确描述工艺。

为用户提供有效的测试工具检验厂商提供的数据是否属实。

同时，也为厂商保证了用户能正确评估机器性能。

CMM可以用来作为评估表面贴装工艺的标准，必须具备明显高于贴片机的精确度和重复性的精确度和重复性。

CMM要求的测试能力主要取决于被测元件类型和厂商提供的规定限制条件。

测试系统性能的可行性的方法称为可重复再现性法则（GaugeRepeatabilityandReproducibility－GR&R）。

这种方法决定了测试系统能够对相同的产品进行连续的反复的测试。

这种方法要求测量不确定性（6倍的GR&R误差）的绝大部分都在被测产品的说明范围内。

GR&R法则不保证测试精度，只保证连续性。

需要采用其他的测量方法证明CMM测量程序得到的结果是正确的。

附录G将进行论述。

CMM的精度只能通过反证法测得。

标准中所选的量具是刻有选定元件形状的符合NIST标准的玻璃测试板。

玻璃板在CMM上测量，然后将CMM测得的位置报告与测试板合格说明书中的元件图像真实位置进行比较，从而得到结论。

1.4.4.1测量仪器

所选的测试仪器应该满足或超过GR&R和特定元件的特定评估程序下精度限制的要求。

自动光学坐标测试仪由于具有较高的测试速度而被许多贴片设备厂商和用户普遍使用。

为了获得可靠的统计结果需要进行大量的数据测量，这要求测试系统有极快的测试速度。

虽然这种方法很有效果，但也有很多限制条件。

最初的CMMs系统是用于机器生产中的，其光学系统和测试工具对于表面贴装元件来说并不是最优的。

在贴装评估过程中利用了洁净的PVP板的仪器使得在CMM上得到高质量的图像成为可能。

元件被贴装到PVP板上、被照亮，然后进行位置测试。

CMM的缺点是成本高、灵活性差。

由于采用了许多特征以得到坚固的结构、精确的位置和优质图像，使得CMM的成本很高。

CMM要有精密的刻度和随环境条件改变的灵敏度，这些导致了它不能是便携式。

1.4.4.2报告

测试结果以标准表格的形式记录。

表IPC-9850-F1是贴装性能表。

这张表有两个截然不同的功能。

第一，表明某类型机器的通用性能；第二，证实该系列机器的特殊性能。

表中还列有通过仿真得到的速度和精度值。

表IPC-9850-F3中是证实CMM能力的评估参数表格，为表IPC-9850-F1中的数据的正确性提供有力依据。

表IPC-9850-F2是可靠性表格，表中所列是用户反馈的典型结果。

与贴装性能表不同，性能表格是引证厂商保证的性能，可靠性表格只是表明贴片机可靠性水平数据，它是用户在工厂中使用厂商提供的贴片机时收集到的表面数据。

但是，这个可靠性表格确实为贴片机工业提高其可靠性、有效性和可维护性奠定了基础。

1.5表格形式

第7节中列有所有需要的表格副本。

1.6数据格式

关于贴装误差数据的统计学处理，我们假设它们服从正态分布（高斯定理）。

但不一定总是如此。

数据有其他分布形式并没有内在的错误。

不管怎样，根据环境的不同，对于规定的两个极限指标Cpk值（1.33和2.0），总会有一部分是符合Cpk极限值的，分别少于99.9968%和99.999%。

如果机器精密贴装的错误贴装极限值是否与Cpk值1.33或2.0相一致对用户是至关重要的，那么用户在认证具有极其接近正态分布数据的机器时一定要谨慎。

1.7术语解释

基准点：

设在底板——如PWB和玻璃板上——贴装视觉系统用来确定位置和方向的参考点。

元件：

用来组装成电子产品的表面贴装部件。

贴装误差：

元件贴装的真实位置与贴装程序中数据指定的元件贴装位置的物理距离。

玻璃元件：

通过NIST认证的刻有单一元件图像和基准点的玻璃板。

Xdev：

X方向的贴装误差（平行于PVP板标签“9850认证”的方向）。

Ydev：

Y方向的贴装误差（垂直于PVP板标签“9850认证”的方向）。

θdev：

旋转贴装误差（元件在X-Y面上的质心位置）。

突出量：

引脚宽度部分，在引脚的顶部，超出焊盘的部分。

主要是由X、Y和θ误差综合造成。

援助：

在下面3种场合下无意中中断设备的运行：

●通过外部干涉恢复运行（如控制器或用户终端，也可以是人或主机）

●没有可替换的机械部件（区别贴装元件），不同于厂商指定的损耗部件。

●与操作说明没有更多的不同。

贴装时间：

贴片机拾取和贴装所有元件的累计时间。

这个时间周期包括基准的读取时间和吸嘴的更换时间。

错误：

与操作说明书的操作说明不同的无意中的中断或变化，但不同与援助。

尤其是某些贴装部件必须更换或已经关机仍然向后以继续生产。

净生产量：

贴片机一小时内在认证PVP板上贴装元件的数量（CPH）。

预防性保养（PM）：

厂商提供的保养表中要求的机器休息时间。

重复性：

在复合板上贴装复合元件时的贴装误差的标准偏差。

间隔时间：

维持指定的贴装工艺能力时贴装一个元件所必须时间，不包括传输时间、测基准的时间和更换吸嘴的时间。

总间隔时间：

维持指定的生产工艺能力时贴完认证板上的所有元件所需时间，不包括传输时间、基准测试时间和吸嘴更换时间。

传输时间：

基板传入和传出贴片机的总体时间，不包括基板在工作区内的传输时间。

●传入和传出工作区

●在工作区内夹紧/松开基板的时间

焊接区：

通常指IPC-T-50术语解释中提到的PWB板上的终端面积的一部分，但不排除连接和/或接头元件，通常也指焊盘（pad）。

1.8测试单元

文件中的所有尺寸都采用国际单位制，括弧中的为英制单位。

所有涉及的元件也采用国标，如1608C就等同于0603（60mil×30mil）型元件。

2

参考文献

IPC-A-610电子产品贴装的可接受性

IPC-SM-782表面贴装设计和焊接范围标准

IPC-T-50互连和包装电路板的术语解释

SEMIE10-0699E定义和测试仪器可靠性的标准

MSA-2测试系统分析1995年2月第二版

IPC/EIAJ-STD-001电子产品焊接和贴装标准（有时也叫国际焊接标准）

3

贴片机性能

3.1贴片机特性表IPC-9850-F1

该表有两个不同的功能（见表7）。

第一，列出了该型号贴片机的通用性能；第二，通过序列号确认每一台机器的装运性能。

表的上方分成两个部分。

左上方填写厂商和机器型号。

右上方的表格只当要装运时才能用到：

●序列号

●生产时间和日期

下面分四部分对表格正文进行介绍：

Ⅰ得到表格Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ报告数据所需的测试条件：

●头/轴数

●头/轴型号

●摄像头型号

●吸嘴型号

●吸嘴数

●构成板的区域数

●每区元件数

由报告的结果可以知道设备上的软硬件安装情况。

Ⅱ介绍了元件贴装生产循环中的基本时间参数。

参数为：

●生产时间（s）

●传输时间（s）

●间隔时间（s）

从基本时间参数中可以得到净生产量（CPH）。

Ⅲ和Ⅳ这两部分表示，在Ⅰ的设置条件下收集Ⅱ的数据时CMM测得的板上贴装的参数：

●重合性（一个标准偏差）

●对于指定的极限参数Cpk=1.33的精度

●对于指定的极限参数Cpk=2.0的精度

●终端焊区覆盖率为50%时的Cpk值

●终端焊区覆盖率为75%时的Cpk值

附录D是计算元件中心位置以得到测量误差的两种可能算法。

3.1.1共性

使用IPC-9850标准时，使用标准中的算法得到的公制表格IPC-9850-F1，该表就表示特定机型的贴装能力。

完全拷贝该表，它就成为贴片机文档和性能包的一部分（也就是将其应用到所列机型中，成为通用表）。

3.1.2性能认证

在向用户交货前，应用表IPC-9850-F1对每一部机器进行性能认证。

厂商为用户提供IPC-9850-F1表，该表中具有采用标准中的算法得到的至少一种贴片元件的数据。

厂商会提供最具代表性的那台机器能贴装的（提供给用户的那台机器）贴装元件的数据，至少是用户和厂商公认的。

如果使用表IPC-9850-F1认证某台机器的性能，那么就会提供机器的序列号和生产日期。

只有对1608C的性能认证是特例。

特例是指，确认机器装运性能时，厂商可以选择只测试板上的1，5，9，13，17和20这几行进行测试（第一行是指“IPC9850测试板”标签上方的第一水平行元件）。

这个特例主要是为了减少厂商为准备装运所花时间。

尤其是，为了减少CMM的测试时间和大量板上元件贴装后测试前等待测试的时间。

毕竟根据标准的程序，测试板上要贴装400个元件。

对于IPC-9850-F1中提供的厂商认为在贴片机贴装能力范围内的元件也应在机器类型评估时评估。

此外，对于其他类型元件应增加厂商认定。

如果这样做，应遵循下面的流程：

至少有30个元件/玻璃元件，或者适合“8×8”测试板尺寸的数量。

四个方向必须同样利用（除非贴片机不具有多面贴装能力）。

测试板基准内的所有面积都要用到。

贴装模型应该布局平衡，密度合理，从左到右，从上到下。

板是运行的。

如果模型中少于100个部分，每个部分都要测量。

如果布局中至少有100个部分，而且每行的方向相同，那么列中的系统样本精度必须测试；如果每列的方向相同，则行中的系统样本精度必须测试。

3.2描述方法

3.2.1背景

过去有很多评估贴片机性能的方法。

本标准中选用非接触光学CMM对关于测试板基准点的元件位置的测试。

之所以选用这种方法，是因为厂商和用户对CMM都有很广泛的了解，并开发了利用CMM设备的评估方法和测试工具。

为获得指定参数的数字值，描述方法设计成可重复性和重合性的，且与特定的用户产品不相关。

为了达到这一目的，指定了一个标准PVP板作为所有程序的通用测试基板。

（见6.1节）测试的媒介上压有一层有胶的薄层，用来扑捉和把持贴装元件。

描述程序的结果是得到一系列的性能参数。

这些参数通过四块PVP板进行评估。

四块板必须连续贴装，将它们视做生产环境中比邻的四块PWB板。

因为只对四个连续的板进行测试，利用机械的PWB板前或后缓存器为其它的板得到适当的脉冲率。

只要厂商提供的PVP传送器能够正确传送一块PVP板，就可以在测试中使用厂商提供的传送器。

附录Ⅰ是委员会成员们设计的一款PVP板传送器。

3.2.1.1元件可变性

采用玻璃元件代替QFP-100、QFP-208和BGA-256贴装元件可以减少由于元件间的物理区别造成的可变性。

6.3节中将专门介绍玻璃元件。

根据离散元件的高质量和包装问题特性，对其的贴装测试采用6.5节中指定质量的SOIC-16和1608C元件。

3.2.1.2可贴片元件范围

标准的PVP板是用来接受不同类型的贴装元件的，在设计每块板的同时也设计了每种元件在板上的贴装布局。

这样做是为了避免某种机器不能贴装所有指定的元件。

尤其是设计的高速贴片机没有贴装QFP或BGA元件的能力，没有设计密间距元件贴片机快速贴装1608C的能力。

每种元件的贴装位置见附录E。

每一个厂商都利用贴装优化程序对贴装指令进行优化，哪个吸嘴贴装哪个元件，哪个相机要动作。

毕竟希望所有的轴/吸嘴都尽可能得到均衡利用，在特定的轴/吸嘴完成的贴装动作中所有的吸嘴和旋转连接件都尽可能的利用到（可以手动优化布局，排除部分吸嘴）。

在最小化状态下，板组只需用到一个贴片头和相机合作。

用户有责任决定采用一个或多个贴片头和相机结合动作，使一种类型的机器的速度和精度结合得到最佳的优化结果。

3.2.1.3板可变性

为了获得每个元件在板内和板子之间的变量源，对四个板子进行组装。

在寻找基准点的过程中，利用四个板子捕捉板间的贴装变量。

基准点的读取工艺主要是为了判定板的方向而进行的基准点