Derin Okuma — AOI ve SPI Denetim

Bant sonunda kırmızı ışık

Bir SMT hattında konveyör saatte 1.200 kart taşır. Her kartın üzerinde 800 ila 3.000 lehim noktası vardır ve bunların her biri 0,3 milimetre çapında olabilir. İnsan gözü bu noktaların bir kısmını ancak büyüteçle, saniyede birkaç tanesini denetleyebilir. Hat ise saniyede bir kartı geçirir.

Araya bir kamera sistemi girer. Kart daha lehim fırınına girmeden önce pasta noktalarına bakar, fırından çıktıktan sonra da lehim eklemlerine. Kırmızı ışık yandığında operatör ekrana döner ve karar verir. Peki makine tam olarak neye bakıyor, neyi göremiyor?

Pastaya bakan göz ile lehime bakan göz

SPI, yani lehim pastası denetimi, fırından önceki aşamada çalışır. Pastanın hacmini, alanını, yüksekliğini ve konumunu ölçer. AOI ise fırından sonra devreye girer ve oluşmuş lehim eklemini, bileşenin varlığını, polariteyi, kaymayı denetler. İkisi aynı hattın iki farklı penceresidir.

Ayrım kritik. Pasta hatası fırına girmeden düzeltilebilir. Lehim hatası ise çoğu zaman kartın tamamen elden geçmesini, bazen de hurdaya gitmesini gerektirir. Bir SPI istasyonu, hat sonunda oluşacak kusurun yaklaşık yüzde 70'ini kaynağında keser. O yüzden SPI'nin geri ödeme süresi AOI'den kısa çıkar.

Peki bu iki istasyon neden aynı hatta iki kez para harcatır? Çünkü hataların bir kısmı yalnızca iki aşamanın karşılaştırılmasıyla görünür hale gelir. Fırın öncesi pasta yüksekliği normal ölçülmüş ama fırın sonrası lehim topu oluşmuşsa, sorun pastada değil fırın profilindedir. Tek istasyon bunu asla söyleyemez.

Faz kayması ve üç boyutlu yükseklik

Kamera tek başına yeterli değildir. Pasta parlak ve yarı saydamdır, düz bir görüntüde hacim bilgisi kaybolur. SPI sistemleri bu yüzden faz kayması yöntemini kullanır. Projektör pastanın üzerine bir sinüs dalgası deseni yansıtır, desenin kayması ölçülür ve her pikselin yüksekliği hesaplanır.

Tipik bir SPI, 10 ila 25 mikrometre yükseklik çözünürlüğünde çalışır. Pasta yüksekliği genelde 80 ila 150 mikrometre bandındadır. Yani sistem, pastanın tepesini bir saç telinin yarısı kalınlığında bir hassasiyetle haritalar. Ölçüm süresi kart başına 3 ila 8 saniye arasındadır ve bu süre hattın çevrim süresine sığmak zorundadır.

Hız ile çözünürlük doğrudan takas edilir. Kamera çözünürlüğünü iki katına çıkarmak ölçüm süresini kabaca iki katına çıkarır. 1.200 kart/saat hızında hat çevrimi 3 saniyedir. SPI'ye 3 saniyeden fazla verilirse hat durur, çünkü SPI hattın en yavaş halkası haline gelir. O yüzden SPI genelde hattın kendisinden değil, bir ara tampon konveyörden beslenir.

Faz kayması yönteminin kör noktası vardır. Aynasal yüzeyler ve çok dik kenarlar deseni bozar. Pasta kenarındaki dik duvar, projektör ışığını kameraya değil yana yansıtır ve o piksel ölçülemez. Sistem bu pikselleri "geçersiz" işaretler ve pasta hacmini eksik hesaplar. Gerçek pasta normal, ölçüm düşük çıkar, alarm çalar. Yanlış alarmın bir kısmı buradan gelir.

Ölçüm geometrisinin sınırı da vardır. Projektör ile kamera arasındaki açı, gölge boyunu belirler. Açı büyüdükçe yükseklik çözünürlüğü artar ama yüksek bileşenlerin arkasında kalan pasta gölgede kalır. Açı küçülünce gölge azalır, yükseklik ölçümü kabalaşır. O yüzden SPI kafası bileşen yerleşiminden önce, yani kart bomboşken ölçüm yapar. Sıralama tesadüf değildir.

Eşik ayarı bir mühendislik kararıdır

Her denetim sistemi bir eşikle çalışır. Pasta hacmi hedefin yüzde 80'inin altındaysa ya da yüzde 120'sinin üstündeyse alarm çalar. Bant daraltıldığında yakalama oranı artar ama yanlış alarm da artar. Yanlış alarm, operatörün ekrana dönmesi, incelemesi ve karar vermesi demektir.

Ölçülebilir bir denge vardır. Yakalama oranı yüzde 95'e çıkarıldığında yanlış alarm oranı tipik olarak yüzde 5 ila 15 bandına tırmanır. Operatörün her yanlış alarm için harcadığı süre 20 ila 40 saniyedir. Saatte 1.200 kart geçen bir hatta bu, vardiya başına saatlerce duruş demektir. Eşik ayarı bu yüzden kalite kararı değil, kapasite kararıdır.

Eşiğin nereye oturduğunu belirleyen şey kusurun maliyetidir. Bir lehim köprüsü kartı 45 dolarlık hurdaya çeviriyorsa eşiği daraltmak mantıklıdır. Aynı köprü yalnızca 2 dolarlık bir elle düzeltmeyle geçiyorsa dar eşik para kaybettirir. Yani eşik, kusurun yakalanma olasılığıyla değil, kaçırılma maliyetiyle ayarlanır.

Bir de kusurun nerede oluştuğu önemlidir. Fırın öncesi yakalanan pasta kusuru, kartı yeniden işleme sokmadan temizlenebilir. Fırın sonrası yakalanan aynı kusur, lehimi sökmek, pastayı yeniden basmak ve kartı ikinci kez fırına sokmak demektir. İkinci fırın geçişi bileşene termal stres yükler ve kartın güvenilirliğini düşürür. SPI'nin değeri bu yüzden yalnızca hurda tasarrufu değil, ikinci fırın geçişini önlemesidir.

Eşik ayarının bir de zaman boyutu vardır. Pasta partisi değiştiğinde viskozite kayar, aynı şablon aynı hacmi basmaz. Fırın sıcaklık profili kaydığında lehim yüzeyi matlaşır ve AOI'nin parlaklık referansı tutmaz. O yüzden eşikler statik değil, parti bazlı yeniden doğrulanır. Çoğu fabrikada bu doğrulama her parti başında değil, vardiya başında yapılır. Aradaki kayma kimsenin görmediği bir kusur penceresidir.

AOI'nin görmediği şey

AOI, fırından çıkmış lehimi denetler. Ama lehimin içini göremez. Bir lehim ekleminin yüzeyi pürüzsüz görünürken içinde boşluk olabilir. Boşluğa void denir ve AOI'nin optik kafası onu yüzeyden ayırt edemez. Void oranı yüzde 25'i geçtiğinde eklem termal döngüde çatlamaya başlar ama kart fabrikadan sağlam çıkar.

Bunu yakalamanın yolu farklı bir fiziktir. X-ray, lehimin içinden geçer ve yoğunluk farkını görüntüler. BGA ve QFN gibi bacakları görünmeyen paketlerde AOI neredeyse kördür, X-ray zorunludur. Ama X-ray istasyonu 300.000 ila 600.000 dolar bandındadır ve çevrim süresi saniyeler değil, onlarca saniyedir. O yüzden X-ray genelde hatta değil, numune bazlı bir kalite istasyonuna kurulur.

AOI'nin bir başka sınırı yanlış alarm profilidir. AOI, iyi kartı kötü sanma eğilimindedir çünkü görüntü işleme eşiği ile karşılaştırır. Lehim parlaklığı partiden partiye değişir, fırın sıcaklığı kayar, kart rengi farklılaşır. Sistem bunları kusur sanar. Tipik bir AOI'de yanlış alarm oranı yüzde 10 ila 30 arasındadır ve bu, SPI'den belirgin biçimde yüksektir.

AOI'nin bir de hız sınırı vardır. Yüksek çözünürlüklü denetim, kart üzerinde birden fazla kamera geçişi gerektirir. Tek geçişte tüm kartı taramak için kamera sayısını artırmak gerekir ve bu, istasyon maliyetini doğrudan yukarı çeker. 1.200 kart/saat hızında AOI'ye ayrılabilen süre yine 3 saniyedir. Süreye sığmak için AOI genelde 2 ila 4 kamerayla kurulur ve çözünürlükten feragat eder. Feragat edilen yer, tam da küçük lehim çatlaklarının göründüğü yerdir.

Denetim sisteminin kendi kusuru

Her denetim sistemi kendi hatasını üretir. Kaçırılan kusur (false negative) müşteriye gider ve saha arızası olur. Yanlış alarm (false positive) operatöre gider ve kapasiteyi yer. İkisinin toplamı, sistemin gerçek maliyetidir ve bu maliyet kataloğa yazılmaz.

Sahaya giden kusurun maliyeti, fabrika içindeki kusurun maliyetinden kat kat yüksektir. Bir otomotiv kartında kaçırılan lehim çatlağı, garanti kapsamında kart değişimi, işçilik ve marka hasarı demektir. O yüzden otomotiv ve medikal sektöründe yakalama oranı yüzde 99'un üzerine zorlanır ve yanlış alarmın kapasite maliyeti kabul edilir. Tüketici elektroniğinde ise tersi yapılır.

Sistemin kendi kusurunu ölçmenin tek yolu vardır. Bilinen kusurlu kartlardan oluşan bir test seti hazırlanır ve sisteme düzenli aralıklarla verilir. Buna kalibrasyon seti denir. Set güncellenmezse sistem yavaşça kayar ve kimse fark etmez. Çoğu fabrikada bu set yılda bir güncellenir, oysa üç ayda bir güncellenmesi gerekir.

Kalibrasyon setinin bir de ölçek sorunu vardır. Set ne kadar büyükse sistem o kadar iyi ayarlanır ama seti hazırlamak ve etiketlemek pahalıdır. Yüz kartlık bir set, binde bir görülen kusur tipini hiç içermez. Nadir kusur, tanım gereği sette yoktur ve sistem onu ilk kez sahada görür. Denetim sisteminin en pahalı hatası, hiç görmediği kusurdur.

Piyasa Hafızası

2011 yılında Murata, Tayland'daki Ayutthaya tesislerini vuran selde üretimini durdurmak zorunda kaldı. Tesis, dünya çok katmanlı seramik kondansatör arzının önemli bir bölümünü karşılıyordu ve su altında kalan hatlar aylarca çalışamadı. Küresel elektronik üreticileri aynı anda hem bileşen bulamadı hem de elindeki kartları denetleyecek kapasiteyi yeniden planlamak zorunda kaldı. Olay, tek bir tedarikçiye bağlı bir hattın denetim kapasitesinin de o tedarikçiye bağlı olduğunu gösterdi. SPI ve AOI sistemleri kart üretimini ölçer ama ölçtükleri kartın bileşenini kimin ürettiğini söylemez.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Hat sonunda milyonda 500 kusur, saatte 1.200 kartta kabaca saat başına 0,6 hatalı kart demektir. SPI bu kusurun yüzde 70'ini fırın öncesinde keserse, saat başına 0,42 kart hurdaya gitmekten kurtulur. Kart başına 45 dolar ile bu, saatte yaklaşık 19 dolar tasarruf eder.

Duyarlılık burada başlar. Kusur oranı milyonda 500'den milyonda 2.000'e çıkarsa tasarruf dört katına çıkar ve SPI kendini birkaç ayda öder. Oran milyonda 100'e düşerse geri ödeme yıllara yayılır. Aynı makine, aynı fiyat, tamamen farklı bir yatırım kararı. Denetim sisteminin değeri hattın kalitesine değil, hattın kalitesizliğine bağlıdır.

Neye bakarsan onu bulursun

Denetim sistemleri kendi kurulumuna sadıktır. SPI'yi pastaya odaklarsan pasta kusurlarını, AOI'yi lehime odaklarsan lehim kusurlarını görürsün. İkisini birlikte kurmak, tek bir istasyonu mükemmelleştirmekten daha çok kusur yakalar çünkü hataların bir kısmı ancak iki aşamanın karşılaştırılmasıyla ortaya çıkar.

Eşik ayarını kalite departmanına bırakmak pahalıya patlar. Yakalama oranı ile yanlış alarm oranı aynı madalyonun iki yüzüdür ve ikisi birlikte hat kapasitesini belirler. Operatörün ekrana dönme süresi, eşiğin gerçek maliyetidir.

Yatırım kararı hattın kusur oranına bağlıdır. Temiz bir hat, en pahalı denetim sistemini bile gereksiz kılar. Kirli bir hat, en ucuz sistemi bile kara çevirir. Denetim, üretimin aynasıdır ve ayna neyi gösterirse göstersin, asıl soru hattın ne ürettiğidir.