Cpk在医疗产品焊膏印刷控制中的应用

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• Source: 北京SMT专业委员会
• Date: 2016-11-08
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作者：北京航星科技有限公司 陈燕琼 殷国良
Cpk是英文Complex Process Capability index 的缩写，可以翻译为制程能力指数，是现代企业用于表示制程能力的指标，是某个工程或制程水准的量化反应，也是工程评估的一类指标，是指工序在一定时间里，处于控制状态(稳定状态)下的实际加工能力。它是工序固有的能力，或者说它是工序保证质量的能力。对于任何生产过程，产品质量总是分散地存在着。若工序能力越高，则产品质量特性值的分散就会越小；若工序能力越低，则产品质量特性值的分散就会越大。
制程能力是过程性能的允许最大变化范围与过程的正常偏差的比值，对其进行研究在于确认这些特性符合规格的程度，以保证制程成品不符合规格的不良率在要求的水准之上，可以作为制程持续改善的依据，用来确定流程是否将在容忍度范围内生产产品。 
同Cpk息息相关的还有两个参数：Ca和Cp，Ca是制程准确度、Cp是制程精密度，Ca反应的是位置关系，即集中趋势、Cp反应的是散布关系，即离散趋势，Cpk则是Ca及Cp两者的中和反应。Cpk、Ca、Cp三者的关系： Cpk = Cp * ( 1 - ｜Ca｜)，当选择对制程Cpk来作管控时，应以成本做考虑的首要因素，还有是其品质特性对后制程的影响度。计算Cpk取样数据至少应有20～25组数据，方具有一定代表性。计算Cpk除收集取样数据外，还应知晓该品质特性的规格上下限(USL，LSL)，才可顺利计算其值。
需要特别提到的是Cp（散布关系，即离散趋势），无偏离的Cp表示过程加工的均匀性（稳定性），即“质量能力”，Cp越大，该质量特性的分布越“苗条”，质量能力越强；在有偏离情况下，Cpk表示过程中心μ与公差中心M的偏离情况，Cpk越大，两者的偏离越小，也即过程中心对公差中心越“瞄准”。表示的是过程的“质量能力”与“管理能力”二者综合的结果。因此Cp与Cpk的着重点不同，需要同时加以考虑。当分布中心与公差中心重合时，工序能力指数记为Cp。当分布中心与公差中心有偏离时，工序能力指数记为Cpk 。
Cpk的评级标准（可以据此对计算出的制程能力指数作相应对策）：
A++级Cpk≥2.0  特优  可以考虑成本的降低；
A+ 级2.0>Cpk≥ 1.67 优 应当保持；
A  级1.67>Cpk≥1.33 良 能力良好，状态稳定，应当尽力提高到A+；
B  级1.33 ＞ Cpk ≥ 1.0一般 状态一般，制程因素稍有变化即有产生不良的危险，应利用各种资源及方法将其提升为A级；
C  级1.0 ＞ Cpk ≥ 0.67 差 制程不良较多，必须提升其能力；
D 级 0.67 ＞ Cpk 不可接受 其能力太差，应考虑重新整改设计制程。
了解以上有关Cpk、Ca、Cp的概念之后，即将其应用于某医疗产品的生产制程控制中。先对该产品的工艺流程进行一个简单的介绍：在陶瓷板上通过印刷焊膏，回流后制成焊球，再将植球后的陶瓷板作为一个类似于BGA的器件贴装到一块柔板上，如下图所示。
            
在此制程中，陶瓷板上焊球大小及高度的一致性决定着向柔性板上贴装回流后的焊接质量，而要获得一致性良好的焊球，我们将控制的重点定义在焊膏印刷后焊膏形状和高度的控制，利用SPI（锡膏印刷检查机）设备通过对测量数据分析进行质量监控和工艺调整。
本公司的SPI是2008年10月购买的德律泰电子、型号为TR7006型3D锡膏印刷检查机，如右图所示。TR7006采用三角量测原理，解析度为12um，最小可测元件为01005，机械精度为1um。
为了获得高质量的数据，必须对产生数据的测量系统有充分的理解和深入的分析——即MSA（测量系统分析）。根据《MSA在质量管理中的应用》论文中的方法，选取高度值计算SPI的Gage R&R，测量结果如下：

由量具重复性与再现性判定原则，此次测量出Gage R&R结果（1.80<10）是完全可以接受的 ，说明设备的可靠性(稳定性)符合要求。
在对SPI设备进行Gage R&R评定之后，即开始进行数据采集及Cpk的计算。
一、第一组试验：
1.、印刷焊膏后得到第一组具代表性的高度数据，并计算Cpk如下所示：
Min（LSL）    0.128    Min.    0.16116
nom    0.16    Max.    0.21837
Max（USL）    0.192    Average    0.17301
Cp    1.24792    Cpk    0.74064
S/N
1    0.17616    26    0.17896
2    0.16874    27    0.21837
3    0.16160    28    0.16780
4    0.17468    29    0.17114
5    0.17001    30    0.16938
6    0.16683    31    0.16381
7    0.17890    32    0.16394
8    0.17347    33    0.16116
9    0.17193    34    0.16686
10    0.17522    35    0.17398
11    0.17332    36    0.16507
12    0.16909    37    0.17123
13    0.17902    38    0.17655
14    0.16334    39    0.17656
15    0.16888    40    0.17493
16    0.17750    41    0.18112
17    0.17281    42    0.17770
18    0.17268    43    0.17783
19    0.17417    44    0.17507
20    0.17412    45    0.17209
21    0.17665    46    0.16622
22    0.17805    47    0.16376
23    0.18514    48    0.17430
24    0.17682    49    0.16914
25    0.16297    50    0.17135
2、分析
通过以上数据计算Cpk，为0.74064，根据Cpk的评级标准可知，该制程属于C级、差，制程不良较多，必须提升其能力。
从理论上讲，提高制程Cpk的主要途径是：其一提高设备和模具的加工精度，消除制程中的不稳定因素带来的变差；其二加强设备和模具的点检和保养工作以便及时发现可能会在加工过程中带来的偏差；其三通过工艺改进以减少设备、模具的磨损.。提高Cpk只是一种理念，它只是制程过程中确保品质的前提，但具体的提高Cpk的主要做法还是工艺的改进和管理办法的改进。
分析以上数据我们可以看到，平均值为0.17301，偏离标准值0.16较多，为0.01301，制程的准确度低，集中趋势不太明显；另外，最小值为0.16116，最大值为0.21837，二者相差0.05721，而且近似平均分布在标准值的两侧，制程的离散趋势较差。
为什么焊膏厚度会比标准值大呢？这方面主要是钢网厚度和刮刀压力在起作用。钢网太厚，或者刮刀压力太小都会造成焊膏厚度太厚。
那又是为什么钢网厚度偏大，而焊膏厚度还是分散在标准值的两侧呢？这方面主要是因为焊膏脱膜时各点的张力不一致造成的，很关键的一个因素就是脱膜速度，脱膜速度太快，会造成印刷在各焊盘位置上的焊膏在脱膜时由于与钢网孔壁的张力不一致，在不同位置断裂，所以各焊盘点位的焊膏厚度分散在标准值的两侧。
3、工艺调整
了解以上信息后，我们分步骤对制程工艺作如下有针对性的调整：
首先我们将刮刀压力由原来的6.0Kg增大到9.0Kg，焊膏高度的平均值在0.167～0.172之间变化，没有明显改善；现有钢网厚度为0.20mm，重新制作钢网，厚度减小为0.15mm，将焊膏的脱膜速度由原来的1.0mm/s降低为0.2mm/s，其他工艺参数暂时不变，印刷焊膏，焊膏高度平均值为0.15057，趋近于标准值0.16，似乎调整过头了，Cpk仍然很小。
二、第二组试验
1调整工艺印刷焊膏后得到第二组具代表性的高度数据，并计算Cpk如下所示：
Min（LSL）    0.128    Min.    0.13436
nom    0.16    Max.    0.16245
Max（USL）    0.192    Average    0.15057
Cp    1.44709    Cpk    1.0206
S/N
1    0.16295    26    0.14483
2    0.15809    27    0.13750
3    0.14426    28    0.13797
4    0.14769    29    0.14771
5    0.15226    30    0.14387
6    0.15167    31    0.14487
7    0.14621    32    0.14130
8    0.14851    33    0.13948
9    0.15444    34    0.13891
10    0.15226    35    0.16088
11    0.15193    36    0.14604
12    0.15549    37    0.16033
13    0.15455    38    0.16055
14    0.13436    39    0.16245
15    0.15241    40    0.16165
16    0.15277    41    0.15486
17    0.15977    42    0.15528
18    0.15071    43    0.15560
19    0.16004    44    0.15476
20    0.14822    45    0.15406
21    0.15068    46    0.15643
22    0.15030    47    0.13729
23    0.14415    48    0.15589
24    0.14915    49    0.15037
25    0.14026    50    0.15246
2、分析
通过以上数据计算Cpk，为1.0206，根据Cpk的评级标准可知，该制程属于B级下限、状态一般，制程因素稍有变化即有产生不良的危险，应利用各种资源及方法将其提升为A级。
3、工艺调整
重新制作钢网后，焊膏高度平均值为0.15057，偏小；在钢网厚度已经调整为0.15mm的基础上，我们通过减小刮刀压力来弥补，将刮刀压力由原来的6.0Kg减小到3.6Kg。
三、第三组试验
1、调整工艺印刷焊膏后得到第三组具有代表性的高度数据，并计算Cpk如下所示：
Min
（LSL）    0.128    Min.    0.15023
Nom    0.16    Max.    0.17863
max（USL）    0.192    Average    0.16471
Cp    1.82734    Cpk    1.55863
S/N
1    0.15686    26    0.16915
2    0.15768    27    0.15968
3    0.16601    28    0.16659
4    0.17863    29    0.17072
5    0.16352    30    0.16475
6    0.16804    31    0.16595
7    0.15897    32    0.17007
8    0.17093    33    0.16679
9    0.16989    34    0.15932
10    0.17212    35    0.15023
11    0.16944    36    0.16953
12    0.16408    37    0.15913
13    0.17195    38    0.15436
14    0.15759    39    0.15733
15    0.17034    40    0.15861
16    0.17172    41    0.15478
17    0.16035    42    0.15903
18    0.16966    43    0.16035
19    0.16170    44    0.16799
20    0.17417    45    0.16528
21    0.16991    46    0.16363
22    0.16503    47    0.16594
23    0.16599    48    0.16268
24    0.16584    49    0.16714
25    0.15922    50    0.16660
2、分析：通过以上数据计算Cpk，为1.55863，根据Cpk的评级标准可知，该制程属于A级、良，能力良好，状态稳定，应当尽力提高到A+。
工艺无止境！前文已经提到，这是一款医疗产品，除了每一块产品有很高的价值量外，医疗行业“人命关天”的性质也迫使我们追求更高的制程稳定性。
从以上数据可以看出，制程的离散趋势仍然较差，究竟怎样才能提高制程的离散趋势呢？我们仔细研究了陶瓷基板的焊点间距，发现陶瓷基板上焊点的横向间距与纵向间距是不相同的，陶瓷基板上焊点的横向间距为0.95mm，陶瓷基板上焊点的纵向间距为0.80mm，陶瓷基板上焊点的横向间距要比纵向间距大0.15mm；另外我们通过观察印刷完成后钢网上残留焊膏的量，认为圆形的钢网开孔可能不利于焊膏的脱膜，需要验证将钢网的开孔改成其他形状后是否会更加有利于脱膜。
3、工艺调整
有了以上分析和想法后，我们将钢网开孔改成了横向椭圆形，纵向上不变，横向上扩孔20%。
四、第四组试验
1、调整网板开孔印刷焊膏后得到第四组具有代表性的高度数据，并计算Cpk如下所示：
Min（ LSL）    0.128    Min.    0.15004
nom    0.16    Max.    0.16981
Max（ USL）    0.192    Average    0.16083
Cp    2.32591    Cpk    2.26558
S/N
1    0.15409    26    0.16277
2    0.16365    27    0.16264
3    0.15841    28    0.16702
4    0.16502    29    0.16326
5    0.16472    30    0.15885
6    0.16795    31    0.16351
7    0.16126    32    0.15669
8    0.16753    33    0.15722
9    0.16216    34    0.15004
10    0.16192    35    0.15617
11    0.16772    36    0.15675
12    0.16483    37    0.15828
13    0.15962    38    0.15034
14    0.16101    39    0.15625
15    0.16300    40    0.15544
16    0.16032    41    0.16431
17    0.16131    42    0.16251
18    0.16981    43    0.15546
19    0.15858    44    0.15832
20    0.16419    45    0.15523
21    0.16552    46    0.16064
22    0.15908    47    0.15409
23    0.16688    48    0.16175
24    0.15938    49    0.16793
25    0.16134    50    0.15675
2、分析
通过以上数据计算Cpk，为2.26558，根据Cpk的评级标准可知，该制程属于A++级、特优，可以考虑成本的降低。
五、总结
至此，该医疗产品的焊膏印刷终于得到了有效控制。在工艺改进过程中，为了获得最佳的试验效果，排除许多人为因素和不确定的环境因素，我们在制程中增加了大量的步骤来确保消除干扰因素。当制程Cpk达到特优级别是，同时应该考虑成本的降低。例如，我们在试验阶段对于洁净度的要求就过于苛刻，在印刷前后反复多次利用人工目检来判定裸板洁净度和印刷焊膏后的质量，可以通过有针对性的实验效果验证后，逐步将该工序减少直至取消；另外，为了减少锡膏的浪费，我们将标准长度300mm的刮刀改短为180mm的特制刮刀，既满足了该医疗产品有效印刷宽度约90mm的要求，又减少了每次在钢网上停留的焊膏量。
对Cpk的研究和分析，也使我们掌握了该医疗产品的关键工艺控制点，例如将陶瓷板用高温胶带定位在铝合金托盘上，可以防止印刷脱膜过程中由于表面张力而使钢网将陶瓷板粘离托盘；另外，通过多次的生产总结和经验，温度控制在21±3℃和湿度控制在36±3%RH可以获得最佳的印刷效果。将以上总结的关键工艺控制点运用实施在以后的生产实际过程中，有利于规避许多质量问题，使该医疗产品的合格率能够平稳的保持在较高的水平。

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