PCB测试工艺及技术方法详解.doc

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少一些普通工艺问题

By Craig Pynn
　　欢迎来到工艺缺陷诊所。这里所描述的每个缺陷都将覆盖特殊的缺陷类型, 将存档成为将来参考或培训新员工的一个无价的工艺缺陷指南。
　　大多数公司现在正在使用表面贴装技术, 同时又向球栅阵列(BGA)、 芯片规模包装(CSP)和甚至倒装芯片装配迈进。可是, 一些公司还在使用通孔技术。通孔技术的使用不一定是与成本或经验有关 - 可能只是由于该产品不需要小型化。许多公司继续使用传统的通孔元件, 并将继续在混合技术产品上使用这些零件。本文要看看一些不够普遍的工艺问题。希望传统元件装配问题及其实际解决办法将帮助提供对在今天的制造中什么可能还会出错的洞察。

静电对元件的破坏
从上图, 我们使用光学照片与扫描电子显微镜(SEM, scanning electron microscopy)看到在一个硅片表面上的静电击穿。静电放电, 引入到一个引脚, 引起元件的工作状态的改变, 导致系统失效。在实验室对静电放电的模拟也能够显示实时发生在芯片表面的失效。如上面的照片所示, 静电可能是一个问题, 解决办法是一个有效的控制政策。手腕带是最初最重要的防御。

树枝状晶体增长
　　树枝状结晶发生在施加的电压与潮湿和一些可离子化的产品出现时。电压总是要在一个电路上, 但潮湿含量将取决于应用与环境。可离子化材料可能来自印刷电路板(PCB)的表面, 由于装配期间或在空板制造阶段时的不良清洁。
　　如果要调查这类缺陷, 不要接触板或元件。在失效原因的所有证据毁灭之前, 让缺陷拍成照片并进行研究。污染可能经常来自焊接过程或使用的助焊剂。另一个可能性是装配期间带来的一般操作污垢。 工业中最普遍的缺陷原因来自助焊剂残留物。
　　在上面的例子中, 失效发生在元件的返修之后。这个特殊的电话单元是由一个第三方公司使用高活性助焊剂返修的, 不象原来制造期间使用的低活性材料。

焊盘破裂
　　当元件或导线必须作为一个第二阶段装配安装时, 一般使用 C 形焊盘。例子有, 重型元件、 线编织或不能满足焊接要求的元件。在某些情况中, 品质人员不知道破裂的原因, 以为是PCB腐蚀问题。
　　上面的照片是一个设计陷井, 不是PCB缺陷。在焊盘上存在两个破裂, 但只有一个需要防止焊接而且一般防止焊接过程的方向。

锡球
　　锡球是对于任何引入免洗技术的工程师的一个问题。为了帮助控制该问题, 她必须减少其公司使用的不同电路板供应商的数量。经过这样, 她将减少使用在其板上的不同阻焊类型, 并帮助孤立主要问题 - 阻焊层。
　　锡球可能由许多装配期间的工艺问题引起, 但如果阻焊层不让锡球粘住, 该问题就解决了。如果阻焊类型不允许锡球粘住表面, 那么这就为工程师打开工艺窗口。锡球的最常见的原因是在波峰表面上从助焊剂产生的排气, 当板从波峰处理时, 焊锡从锡锅的表面弹出。

IC座的熔焊点
　　集成电路(IC)引脚之间的焊锡短路不是那么常见, 但会发生。一般短路是过程问题太高的结果。这种问题可能来自无钱工艺, 必须为将来的工艺装配考虑。
　　在座的引脚和/或IC引脚上使用锡/铅端子, 增加了短路的可能性。零件简直已经熔合在一起。问题会变得更差, 如果改变接触表面上的锡/铅厚度。如果我们全部使用无铅, 在引脚和座的引脚上的可熔合涂层将出现少, 问题能够避免。该问题也能够经过不预压IC来避免。

焊点失效
　　单面焊接点的可靠性是决定于焊锡数量、 孔对引脚的比率和焊盘的尺寸。上面的例子显示一个失效的焊点, 相对小的焊点横截面。
　　该例中的孔对引脚比率大, 造成焊点强度弱。随着从引脚到孔边的距离增加, 横截面上焊接点的厚度减少。如果有任何机械应力施加于焊接点, 或者如果焊接点暴露于温度循环中, 其结果将类似于所显示的例子。是的, 你能够增加更多焊锡, 但这只会延长寿命 - 不会消除问题。这类失效也可能由于对已经脆弱的焊接点的不当处理而发生。

不完整焊接圆角
　　上面的照片显示一个单面板上的不完整焊接圆角的一个例子。这个缺陷的发生, 由于许多理由。不完整的焊接圆角由不当的孔与引脚的比率、 陡峭的传送带角度、 过高的波峰温度和焊盘边缘上的污染所引起。照片显示不当的孔与引脚比率的一个清楚的例子, 这使得该联系的大量焊接很难达到。引脚对孔的比率的设计规则是引脚尺寸加上至少0.010"(0.25mm)。加上0.015"(0.38mm)的孔在焊接期间还可得到满意的焊点。一个经常忘记的问题是, 随着引脚对孔的比率增加, 焊接点的尺寸减少, 这正影响焊点的强度和可靠性。
　　上面的例子也显示铜焊盘上的去毛刺。在钻孔或冲孔期间, 板面上的铜已经在某些区域倾斜, 使得焊接困难。如果松香从或者基板或者基板与铜焊盘之间的结合点上涂在焊盘边缘上。

测试方法入门

By Brian Toleno and Greg Parks
　　本文介绍, 在你的设施内已经有稳定的、 容易跟随的、 可重复性的测试方法吗? 如果没有, 问题可能就在前面。
试想这种情形: 你的品质保证(QA, quality assurance)经理打电话给你: ”我们有一个问题, 需要你来这里马上处理。”
　　当你到达现场, QA经理给你看刚从生产线上来的一块电路板, 上面长有一些”白色的浮渣”。这是什么? 如果有, 多少白色浮渣应该允许? 现存的白色浮渣应该怎样测量?
　　为了回答这些问题, 你需要一个方法对研究中的白色浮渣进行测量。这个方法应该帮助你找出证据和有多少白渣存在。

开始测量方法(TM, test method)
　　什么是测量方法? 对过程控制、 品质保证和失效分析很重要的, 测试方法是概括用于获得有关测试主体, 如板、 元件、 焊锡与助焊剂, 数据的方法的详细程序。这些方法应该以这样一种方式写下, 以便它们容易跟随和能够再现。一个测试方法(TM)应该是可重复的, 以便在各种时间从不同测试所产生的结果能够相互比较。一个跟随困难和/或不够详细的测试方法可能引起问题。例如, 如果一个测试方法是写给已装配的电路板的清洁度测试的, 经过测量浸出溶液(extract solution)的导电率, 但没有规定进行浸出的温度, 这样可能得到错误的结果。
　　可能开头例子中的白色浮渣是一个清洁度的问题。为了找出原因, 你在内部测试一块板, 并送出一块同样的板给一个独立实验室测试。两个设施都进行一项清洁度测试, 经过在酒精/水溶液中浸出板和测量导电率, 以氯化钠(NaCl)当量的形式报告结果。
　　不幸的是, 两个设施跟随的测试方法没有规定浸出的温度。你的实验室在30°C进行测试, 得到1.4µg/cm2的氯化钠当量; 独立实验室在40°C进行测试, 得到2.0µg/cm2的氯化钠当量。因为你的标准(测试标准)对这个测试定义1.56µg/cm2的氯化钠当量的污染水平为失效, 因此从你的实验室出来的板标记为经过, 而从独立实验室出来的板标记为失效, 即使它们应该给出同样的结果! 现在, 双方度必须重复测试, 每个都以相同的浸出温度来进行测试。
　　如果测试方法正确地写下, 所有测试参数都定义, 包括进行浸出时的温度, 那么这个问题能够避免。本例是重点说明突出的问题。遗漏, 或不好好定义较细小的事项也可能给未来的使用者带来问题。
　　测试方法不应该与标准(失效标准)混淆。反过来也一样。测试方法与标准应该具有协同的关系。标准能够引出一个测试方法, 有时甚至可能讨论测试方法的一些细节。理想地, 测试方法不应该定义一个标准, 以便它可由一个更大的用户群使用。如果一个公司制造的产品用于要求性能很关键的场合, 如生命支持器具, 而另一家公司生产的产品用于”一次性”的电子设备, 每个公司可能有不同的接收标准。如果哪家公司的测试方法含有接收标准, 那么另一家公司使用这些标准时就有问题。当测试方法不含有标准时, 每个实验室都可应用自己一套接收标准, 使用相同的测试方法。当接收标准与测试方法分开时, 测试方法的可应用性增加了。如果接收标准被包括在一套出版的测试方法内, 而不是分开的, 实验室可产生其自己的测试方法, 每一个都有些不同, 并包含其自己的接收标准。这种情况会限制公司之间、 测试实验室与顾客之间的有关产品品质的通信数量与清晰度。

为什么需要测试方法?
　　测试方法的需要有许多理由。一个主要的应用是过程控制(process control)和品质保证。对过程控制有一个测试方法, 可保证对监测过程所收集的数据每一次都是以相同的方法产生的。另外, 有一个测试方法可允许相同的测试在许多不同的地方进行, 保证从每个设施得出的数据都是能够与其它设施所产生的数据比较的。那么各种测试设施可说同一种语言。这个方面同样是重要的, 当测试方法的应用是用来区分或给予资格供应商。供应商能够参照一个众所周知的测试方法, 在描述其产品的数据表上报告结果。然后一个潜在的客户能够对来自其它供应商的材料进行的相同测试, 比较在材料数据表中记录的每个数据的结果。
　　可能在开头例子中的白色浮渣是与助焊剂有关的。因此, 现在你不得不决定今后使用谁的助焊剂。助焊剂必须具有低于3%的固体含量。你以前的供应商和你的公司已经同意使用IPC标准TM-650 2.3.34来决定固体含量。你接触两个新的供应商, A和B, 要求她们同样的信息, 使用相同的测试方法。供应商A报告其助焊剂含有2.6%的固体, 供应商B 报告3.9%的固体含量。因为这两个供应商进行与原来供应商相同的测试方法, 因此三个值能够相互比较。在这个信息的基础上, 你的公司开始对使用哪个助焊剂供应商作出有知识的选择。

测试方法如何应用?
　　测试方法是标准与接收准则的应用与监测的重要工具。这些标准和测试准则用于各种情况。正如所讨论的, 这些标准, 和与之一起使用的测试方法, 可用来给予资格新的材料供应商。另一个重要的应用是在过程控制之中。再一次, 提供接收标准, 相应的测试方法用来监测被测试来跟踪过程的参数。只要测试方法是以持续的方式应用, 从测试产生的数据可用来监测过程。在这个例子, 和一个与标准和接收准则有关的测试方法的任何其它应用中, 测试方法和标准必须设计成相互适应。如果发布一个标准或者一个特殊的接收准则, 那么跟随这个与标准对应的特殊测试方法是重要的。如果给出一个标准, 为该标准产生数据的测试方法改变了, 那么标准是无效的。
　　回到开头的例子, 你已经最终跟踪这个问题到你正在使用的助焊剂中的一个污染。现在, 你需要决定就表面绝缘电阻率而言, 是否新的助焊剂将满足你的规格。你决定一个标准, 在85%HR/85°C条件下在七天之后大于4.00 x 109Ω。这个标准是使用一个0.4mm的线和0.5mm的间隔的测试梳状电路来决定的。当测试新的助焊剂时, 得到3.00 x 109Ω的表面绝缘电阻值。当测试更仔细地考查时, 使用了0.5mm的线和0.4mm的间距的板, 它使试验无效。试验又使用正确的测试板和前面经过的助焊剂进行。
　　使用已经发布的标准和测试方法如其所写一样是明智的。虽然个别公司应该设计其自己的测试方法, 但她们也应该开发与这些试验方法相应的标准。事实上, 当开发新产品和工艺时, 开发内部标准和测试方法来帮助认定这些新产品和工艺的合格性是有益的。

结论
　　测试方法是电子材料制造的一个重要方面。已经发布的方法和相应标准的可用性允许更好的过程控制(process control)和品质保证(quality assurance)。另外, 这些测试方法在失效分析和新产品与材料的研究开发中是有用的工具。测试方法的广泛的使用性允许在电子材料制造行业更好的信息沟通。
怎样能够获得测试方法和标准?
　　试验方法与标准经常能够从互联网上订购或下载。一些发布测试方法和标准的组织包括:
美国国家标准协会(ANSI, American National Standards Institute), 网址: web.ansi.org; 11 West 42nd St. New York, NY 10036; [phone].
国际电工委员会(IEC, International Electrotechnical Commission), 网址: http://www.iec.ch/; 3, rue de Varembe, P.O. Box 131, CH-1211 GENEVA 20, Switzerland; [phone].
美国电子工业协会(IPC, Association Connecting Electronics Industries), 网址: http://www.ipc.org/; 2215 Sanders Rd., Northbrook, IL 60062-6135; [phone].

三维锡膏检查

By Robert Kelley and David Clark
　　本文介绍, 随着表面可贴装先进封装的几何形状的减小, 而产品包装密度的增加, 与锡膏有关的问题作为缺陷的主要来源继续处在许多制造商的问题清单的最前面, 而且混合着这样一个事实, 即这些新元件的返工越来越难和昂贵。可是, 综合的、 三维(3-D) 锡膏检查能够帮助消除锡膏缺陷和降低返工成本。
当人们想像自动光学或者表面贴装检查的时候, 她们首先想到的经常是在SMT线尾部的检查。想像的是一部机器, 能够检查焊点内的缺陷、 误放或丢失的元件、 元件值的错误、 和其它各种能够在最终产品中了结的工艺问题。这种类型的检查能够防止缺陷性产品走出工厂, 可是对改进产品质量的作用很小。一个更有效的方法是防止这些缺陷首先发生。1

物体的形状
　　锡膏工艺还是SMT的脊椎骨。如果锡点机械上失效, 那么产品最可能将在不久的未来完全失效。一个锡点强度的最可靠预报值之一就是其形状。焊点的正确形状, 即弯液面(meniscus), 一般保证强度和应力释放的足够的横截面积。焊点形状的最好预测值之一是锡膏的量。如果焊盘上太少锡膏, 那么它最可能将造成一个薄弱的焊点。另一方面, 太多 锡膏可能导致成形差的焊点和短路。
焊点检查的在线(in-line)工艺控制是经过将检查工具放在缺陷最经常发生的地方来完成的。两个最常见的应用是锡膏检查和元件贴装检查。在这些位置的适当的检查机器可提供各种好处。

在线工艺控制
　　首先, 经过在一般发生的地方查找缺陷, 在线检查可更容易地、 以较低成本在回流炉阶段完成之前处理返工问题。例如, 丝印(screen)差的锡膏能够从印刷电路板(PCB)上洗掉, 板重新印刷。在线锡膏检查系统能够发现的其它常见缺陷包括桥接、 锡膏不足或过多、 和锡膏位置不正(图一和二)。在回流之前, 误放或丢失元件也容易地纠正。在回流焊接之后, 纠正这种缺陷危及损坏板或元件。在回流之后指出一个缺陷的真正原因是困难的。最常报告的线尾(end of line)装配缺陷是锡桥。虽然桥接经常是由于过量锡膏, 但在回流之后很难肯定这个判断, 因为其它因素如元件引脚或贴装可能出错。使用在程(in-process)锡膏检查能够消除焊锡缺陷作为问题的一个来源, 并帮助澄清工艺中问题的其余原因。经过从过程中消除锡膏缺陷, 问题的其余原因能够暴露和发现。
　　其次, 一个好的在线检查工具不但是将好的从坏的产品中分类出来。经过提供对重要参数的精确、 可重复的测量, 很容易地从一个自动系统获得有价值的过程控制(process-control)数据。这种数据提供给SMT装配工艺一个有价值的窗口。信息不但包括从每块在建(built)板上的缺陷, 而且它”看到”正常工艺变量和识别缺陷的原因。X轴R图表是经常推荐作为一个在锡膏印刷过程中查找异常变化的好方法。(图三)
第三, 提供在线过程控制的检查工具能够用于加速过程的调整和帮助减少产品介入周期。SMT工艺的前沿(leading edge)不断变化, 随着材料、 元件和装配方法的引入, 以减少成本和改进产品性能。因此, 当装配工艺变化时, 应该重新认证和检定, 以保证高效率。在许多情况中, 能够对现有的生产方法进行工艺研究, 着眼于进一步改进效率。有了来自监测关键工艺步骤的在线检查工具的可靠数据, 这种工程工作 可更容易地进行。

重点放在变量
　　锡膏检查一般把重点放在那些是焊点质量的最佳预测值的变量上面: 锡膏的量、 高度、 面积、 位置和是否锡膏弄脏。为了精确测量锡膏的体积和高度, 要求某种类型的3-D 传感器。另一个要求是, 该工具不但完成经过/失效的检查, 而且进行测量。反过来, 测量应该满足精度与可重复性的要求, 以使得该检查系统可胜任测量工艺。一个没有所要求精度的系统可能影响产品品质。使用不够稳定性、 可重复性和精度的工具进行任何检查都将不是有效的, 最可能将引起延误和减少产量。

更小的封装与间距
　　表面贴装元件(SMD)的两个发展也推动对锡膏检查的需求。
　　元件尺寸。只有在最近几年内0402和0201无源(passive)元件的引入才在新设计中变得普遍起来。可是, 随着其不断增长的应用, 出现问题的机会继续增加。每一个尺寸减少都意味着必须正确地使用甚至更少的锡膏沉积(deposit), 在剩下的装配与运输期间将零件固定在板上。
　　芯片规模的封装技术(CSP, chip scale package)。CSP是阵列类型的(array-type)元件, 即其锡点是位于封装的下面, 使得检查更加困难。因此, 检查锡膏应用工艺步骤更为容易, 以保证最终产品具有所要求的品质特征。另外, CSP比其相应的高引脚数的元件更小。因此, 焊盘尺寸更小, 引脚间距更紧。由于这些原因, CSP已经是有关其在表面贴装应用中可靠性的几个研究的目标。它们再次肯定焊接点的可靠性是关键的, 如果产品要满足与QFP(quad flat pack)和球栅阵列(BGA)封装有关的可靠性。
这意味着对先进封装的锡膏印刷是更加困难的。模板(stencil)上的更小开孔意味着用来将元件附着到PCB的每个孔的锡膏量越少。而且随着间距和焊盘尺寸的缩小, 开孔的面积减少比其孔壁面积快得多。这增加了在印刷期间锡膏黏附到模板而不干净地释放到板上的倾向。监测锡膏印刷工艺过程也变得更加困难, 由于沉积的尺寸减少加上其在PCB上的数量增加。

返工成本
　　证明任何的在线检查工具的经过方法是估计有和没有这个能力时的生产成本。除了检查系统外, 它包括编程、 维护的成本和监测的结果。它也要求对涉及产生和修理缺陷产品的成本估算。在较新和较小的封装类型情况中, 更紧密的工作区域和更高的精度将要求用于返工, 返工经常必须在更脆弱的板和元件上进行。结果, 在某些产品的情况中, 将达到得失平衡的点, 可能报废缺陷板更合算, 装配另外的而不是企图去返工。当出现有底部灌充材料的CSP的时候, 情况更是如此。
随着返工变得更加困难和在某些情况不可行, 剩下的唯一选择可能是接受增加的成本或改进第一次经过合格率(FPY, first-pass yield)。如果制造商选择后者, 只有改进对缺陷最多数量有关的工艺步骤才有意义, 即, 最常见的是, 锡膏印刷工艺2。当相同的问题在下个工艺步骤之前发生时, 纠正的成本一般能够减少10倍或更多3。

可靠性
　　可靠性是所有产品的一个重要考虑, 但对医疗、 汽车、 手提通信和便携式计算机, 可靠性有全新的重要性。许多这类产品必须可靠地工作, 甚至当遭受到温度极端或机械冲击和振动时。因此焊接点的完整性无疑是窄小系统的重要考虑。虽然CSP和0201最终将在各种产品中找到其位置, 但它们最近的使用将是手提通信和便携计算产品, 其中更小的尺寸是迫切的。
锡膏的量在所有焊接点的可靠性中起关键的作用。最近的研究已经显示, 对于CSP , 锡膏量(太多或太少)是长期锡点完整性的关键4。一个能够测量锡膏体积的在线锡膏检查系统可用于生产期间跟踪这个参数。还有, 现在的许多检查系统结合使用统计过程控制(SPC, statistical process control)工具, 帮助工程师找到工艺趋势, 和在生产出不合规格的零件之前采取纠正行动。

结论
　　对于在今天的SMT制造中一般所见的高生产量, 在线锡膏检查可得到有吸引力的收获。除了较低的返工成本外, 一个能够在印刷锡膏的时候检查每块板的系统优势变得重要。因为锡膏印刷工艺内来难以控制, 常见的不但是随机的而且是系统的缺陷, 其中许多连续产生缺陷的板可能经过。在这种情况中, 所产生缺陷板的数量可比那些确认为问题发生的板数量大许多倍。
　　在线锡膏检查提供比其它检查方法多的好处。这些包括实时分析工艺和模板印刷工序性能的能力。进一步, SPC可帮助操作员看到其造成缺陷之前在工艺中的趋势。如果缺陷产生, 它们在昂贵的返工或报废要求之前就被发现。最后, 自动锡膏检查可帮助改进FPY和减少返工成本。

印刷后的三维检测及检测设备现状

科研处 郝宇, 第一研究室 李桂云
本文简要论述了焊膏沉积后使用的检测方法, 并将二维检测技术与三维检测技术进行了比较, 经过比较重点介绍了三维检测技术的优点及各种检测设备的技术性能。
     关键词: 三维检测; 焊膏沉积; 印刷检测设备

     随着电子组装的更高密度、 更小尺寸、 更复杂的PCB混合技术的纵深发展, 使得用肉眼对印刷后的质量进行检测已成为历史。尽管工艺设备更加先进, 仍强调要对PCB的质量严格把关, 因为在电子组装过程中产生的缺陷中有70％的缺陷源自焊膏印刷工艺, 在沉积较细间距的元件时更是如此。另外, 在沉积焊膏过程中产生的漏印、 焊料过多或过少等缺陷会给随后的工序(元件贴装)带来桥接、 短路和墓碑现象, 使最终生产出来的产品的质量和可靠性得不到保证。为此, 人们越来越重视印刷后的焊膏检测。当前, 表面组装检测设备制造厂家提供了几种不同的印刷后检测方法及各种不同的焊膏沉积检测设备, 从价格相当低廉的手工、 脱机检测设备到100000美元的高档、 高速在线检测设备。应在充分了解和权衡比较二维检测设备和三维检测设备之间、 脱机检测设备和在线检测设各之间、 样品检测和整块板子检测之间的利弊后, 为你自己的组装生产线选择适用的焊膏检测设备。

1　检测使成本上升
     电子行业专家们一致认为焊接缺陷是由焊膏印刷不良造成的。因此, 提高印刷质量、 或减少进入下一步工序的有缺陷电路板的数量, 将有助于提高最终的质量, 并经过降低返修量和减少废品率可实现降低成本的目的。

1．1　尽早发现缺陷
     经对在线测试阶段所检测的有缺陷的电路板的返修或报废品所带来的成本进行了大概统计, 发现控制印刷工艺会给焊膏印刷带来很多显著的优点。任何一种缺陷都会消耗资金, 而印刷后检测只能帮助减少缺陷数量, 并不能彻底消除缺陷。可是, 事实上在电路板成本没有增加之前, 在加工过程中进行检测, 以求得尽早识别缺陷, 的确能够降低由缺陷所带来的额外成本, 提高一次性检验合格率对基础生产线起到很大作用。
     清洗电路板以便再利用要比返修或重新测试的成本低得多。在印刷后对缺陷进行修复的成本估计为0.45美元, 在在线测试后修复同样缺陷的成本近似30美元。不考虑美元比价, 这种关系仍保持不变。因此, 在加工过程中尽早发现缺陷不是什么麻烦事, 而是节约成本的一个良好契机。
1．2提高可靠性
      在印刷工艺中附加检测工序可提高组装后电路板的可靠性, 原因有两个: 首先, 检测减少了返修量, 另外; 返修后的焊点易于损坏, 而且比合格的焊点更易破裂。其次, 焊膏量不足也有可能形成易破裂的焊点, 虽然当时能够经过在线测试, 可是以后也会断裂。
     有这两种问题的电路板虽都能经过最后的测试, 却容易在运行时发生故障。成品中存在的这些问题会使用户不满意或使保修费很高。
1．3必要的检测  
     由于更密的引线间距、 更小的球栅阵列焊球和更精确的印刷间隙的要求, 使更多的PCB组装厂家在组装工艺中增加了焊膏检测工序。而在一些合同组装厂, 是根据用户的要求才增设检测步骤。
     根据技术要求, 而必须实施焊膏检测时, 那么下一步就是确定哪一种检测设备最适合于特定的应用。

2　选择检测设备
     可在几个制造厂家中选购焊膏检测设备。每个制造厂家都提供有不同速度、 性能和价格的检测设备, 不过都报导了焊膏高度、 体积和面积的测量结果(表1)
     印刷后的检测设备主要有两类: 人工脱机检测设备, 包括视觉检测和台式测量工具; 自动在线检测设备, 包括内置于印刷机中的样品检测系统和整块印制板扫描检测设备。

2．1视觉检测
     长期以来一直使用视觉检测这种简单的方法就足以确定样品”合格或不合格”, 直到今天更小器件、 更高引线数和更细间距元件的问世, 才使得这种方法不适用了。使用发光的放大镜或校准的显微镜, 由经培训的操作人员检查样品印制板, 并确定什么时候需进行校正操作。视觉检测在工艺监测中是成本最低的一种方法, 而且在印刷工艺中其校正操作步骡的成本是最合理的。
     可是, 视觉检测方法带有人们的主观意识: 操作人员与操作人员之间的检测结果是不同的。视觉检测工具没经过校准, 不能够给出工艺控制所需的数据。从实际情况来看, 随着超细间距与 BGA器件的不断普及, 也就不再使用视觉检测方法, 因为它已不再是监测印刷工艺的行之有效方法。

2．2　人工激光检测
     为减少缺陷, 下一步的操作是使用人工台式舱机检测设备。这些测量工具使用了非接触式激光技术来测量焊膏高度和记录。经过对操作人员稍微进行一下培训, 这些设备一般就可产生一致性的结果, 不会由于操作人员的不同而使检测结果也不同。
     激光三维检测设备使用激光束建立测量的参考点。这种设备可报告在激光束所照射到的焊盘上的某个点时测量的单一焊膏高度, 一般为焊盘的中心。这种类型的测试仪还可用焊盘的长度乘以焊盘的宽度得出面积测量值。然后, 将面积测量值乘以高度测量值, 即可计算出体积测量值。
     脱机检测设备使用的基本工艺控制是将样品电路板从生产线中卸下来, 进行标准测量, 并记录下检测的结果数据。新的PC式的检测设备可将数据存储起来, 提供给SPC(统计工艺控制)进行分析。然而, 在印刷其它有缺陷的电路板之前, 脱机检测设备还不能立即查出缺陷。

2.3　内置于印刷机中的自动检测系统
     几家印刷机制造厂推出了内置式二维和三维焊膏检测系统或故障查找系统。然而, 内置于印刷机中的检测系统与丝网印刷机共享硬件, 由于丝印机必须在暂停的状态下才能进行检测, 因此降低了印刷速度。
     大多数内置式检测系统都使用摄相视觉技术来评价焊膏面积、 覆盖率和校准。除了检测印记外, 还可用这个摄相机检查丝网, 查看模板开口是否阻塞和焊膏过多。
     一些印刷机制造厂家给印刷机增设了体积测量功能, 其方法是将激光束高度测量与视觉系统相结合, 这样, 将面积乘以一个中等焊盘高度测量值, 即可计算出体积。这种方法可重复性差, 有时可监测到可能会产生在焊盘末端的焊盘缺陷, 但不能识别砖形焊料的不规则性。

2．4自动三维在线样品检测设备
     与内置在印刷机中的检测系统相比, 自动在线样品检测设备有两个主要优点。首先, 由于这种设备是独立的系统, 因此能够不利用印刷机的硬件, 不需要停机就可进行检测。其次, 样品检测设备的测量性能使你能够获得精确的、 可重复的测量结果。
     而印刷后的在线检测设备不能测量每块印制板上的每个焊盘, 为收集SPC数据, 这种设备应用有效的统计技术可检测出很多板子上的现场操作出现的关键问题。由IBM公司的一名工艺开发工程师进行的一项研究证明将样品检测设备用于BGA焊盘是绰绰有余的。但依然存在有偶然发生缺陷的可能性, 实际上, 缺陷率比末经检测的缺陷率低得多。
     印刷后常见的样品检测设备是在线上设计, 安装在传送带上, 紧接在丝网印刷机后面, 连续检测印刷工艺中用户要求检测的样品(一般为细间隙或BGA)。检测设备可将实际的焊盘测量值与预置的参数进行比较, 并通知操作人员焊膏印记何时偏离预先规定的范围。
     样品检测设备不同于激光台式和整块印制板扫描设备, 其使用了配置有探测器的光敏器件, 能连续拍摄目标焊膏印记的快印图片。该图像可建立检测区域的高分辨率外观图。先求出所有高度数据的总和, 并乘以己知的图像面积即可计算出焊膏体积。
     与整块印制板扫描设备比较, 样品检测设备有几个优点。首先, 能够在几分钟之内对其进行预置并编程, 而整块印制板扫描设备可能需要几个小时进行预置。设置后, 经培训的人员就能监测样品检测设备, 不需具备工程技能。收集的数据自动显示在监视器上供操作人员观看, 并以标准格式存储起来以便进一步的分析。其次, 可根据检测速度与生产线速度的匹配情况调节检测样品的数量, 这样在检测中就不会花费太多的时间。最后, 配置的灯技术可对有缺陷倾向的位置进行精确的测量。
     其缺点是: 由于样品检测设备不能检测每块印制板上的每个位置, 缺陷漏检的机会高。在规则的图形中不会出现定义的偶然缺陷; 当使用样品检测技术时, 依然有可能存在漏检的现象。

2．5自动在线整块印制板检测设备
     高速整块印制板检测设备是这一领域的最高档设备, 其能评估每块印制板上的每个检测点。这种设备成本高, 不过速度非常快、 而且能够检测在生产线上运行的整块印制板。
     整块印制板检测设备利用激光束进行逐条生产线上的整块印制板的扫描, 收集每个焊盘的所有测量数据, 并将实际测量值与须置的合格极限值进行比较。这种设备可检验各种不同类型的印记, 包括偶然出现的缺陷, 如; 由模板开口堵塞引起的焊盘漏印。全扫描还可显示出焊膏沉积图形的印记, 包括坍塌、 凹陷和焊料隆起。
     整块印制板检测设备的主要优点是: 实际上能够指出每个印刷缺陷的位置, 并能够收集板上每个焊盘的实际高度、 面积和体积数据。对于潜在成本较高的缺陷或是单元成本高的情况, 整块印制板检测是比较适用的。应用于汽车、 军事或航空领域的印制电路板必须满足高可靠性技术要求, 常常需要100％的检测。

2.6　自动光学检测(AOI)设备
     自动光学检测设备是当前唯一的一种能够与组装生产线保持同步速度并行操作检测焊膏沉积质量的设备。其每小时可检测100000多个元件, 也就是说在线AOI设备可对板上的沉积点进行100％的检测。这种设备采用了图像分析软件、 测量元件、 确认其值及极性和保证贴装精度的边缘视觉技术。应用了标准的CAD和Gerber　file编程。还应用了统计工艺控制(SPC)软件工具, 并建立了数据库, 而且与返修工作站建立了网络联系。其与自动在线整块PCB检测设备有很多相似的功能。它最显著的特点是用途广泛, 不但能够检测印刷质量, 还可检测其它工序的质量, 如: 贴装机的精度等。

在SMT生产线中放置AOI系统

By Ray P. Prasad
　　本文介绍几种检查方法, 分析了如何选择在SMT生产线放置AOI系统的位置。
有各种检查和测试方法使用在电子工业中。视觉检查方法是最普通和低成本的, 但非常依靠操作员的。X射线方法成本高、 速度慢, 能力有限。自动光学检查(AOI, automated optical inspection)速度较快但价格昂贵。在线测试(ICT, in-circuit test)和功能测试有时也作检查工具使用, 但其能力也是有限的。本文, 我将讨论视觉和AOI方法。

视觉检查
　　最普遍和广泛使用的检查方法是视觉检查, 使用2~10倍的放大镜或显微镜。J-STD-001要求对于引脚间距大于0.020"的所有元件使用2~4倍的检查。对于引脚间距0.020"或以下的密间距元件要求10倍的放大系数。更高的放大系数应该只用作参考。
　　视觉检查的主要问题是, 决定于操作员, 因此, 是主管的。例如, 如果相同的装配给不同的检察员, 她们将报告不同的品质水平。对这个情况的一个普通反应是减少人为因素, 转向众多的自动检查系统中的一种。
自动光学检查(AOI)
　　由于电子工业元件进入到更密间距个球栅阵列(BGA)元件, 锡点的视觉检查已经变得或者很困难或者不可能。还有, 如前面所讨论的, 甚至是在可行的时候, 视觉检查也是非常取决于操作员。因此, 工业已经转移到自动检查系统。市场上有许多系统, 价格范围很大。新的机器不断介绍到市场。
　　在选择所需的机器时, 你需要决定你想要AOI系统作什么。例如, 你想机器指出丢失的元件、 元件的极性、 贴装精度、 锡膏印刷或焊点的品质吗? 重要的是记住, 多数AOI机器当用来确认错误极性或丢失的元件时工作正常, 但用来精确地确认焊锡点的品质可能是具挑战性的。
　　不论使用哪一种设备类型, 一般的AOI系统的要求应该包括精度、 可重复性、 速度、 计算机辅助设计(CAD)兼容性、 和误失效与误接收(当使用机器作锡点品质检查时的一个非常普遍的问题)。
　　有时, 错误认为自动检查系统可用来过程控制, 经过改变适当的变量来实时地纠正缺陷。对于大多数系统, 现在这可能是有希望的想法, 因为许多需要防止问题的改变都要求人为的干预。
　　实时地控制焊接点品质的唯一方法是, 假如焊接与检查系统集成在一起。用这样一个集成系统, 焊接点或者停止或者继续, 取决于单个焊接点热量输入要求。在在传统的回流焊接工艺如对流中简直不可能。现在, 具有闭环检查特性的激光焊接系统能够买得到, 来达到这一目标。
可是, 没有真正能够指出一个给定缺陷和确认其原因的系统。缺陷分析可能要求人为干预和工程判断。例如, 自动检查系统很大程度上依靠焊点的质量和密度(少锡、 多锡或无锡)。可是, 有不止一个原因的缺陷可能永远不能只放入这三类中的一类, 以满足自动检查系统的需要。少锡可能由空洞、 焊接圆角不足或锡膏不足所引起。对这些缺陷的改进行动是不同的, 需要人为的判断和干预。

检查主导思想
　　有两种检查主导思想: 缺陷防止或缺陷发现。适当的方法应该是缺陷的防止, 因为其重点是在过程控制和经过实施改正行动来消除缺陷。在这样一个方法中, AOI机器或者放在SMT生产线的锡膏印刷机之后, 或者放在元件贴装之后。
　　使用发现哲学的人把检查机器放在SMT线的很后方 - 在回流焊接炉之后。这是制造工艺中的最后步骤, 以保证没有坏品逃出工厂。
　　从主导思想上说, 许多人不认同检查的预防方法。如果你同意这个思想, 那么你应该在生产线哪里放置AOI系统呢?
　　第一个选择是将AOI系统放在锡膏印刷正后面。因为许多缺陷与锡膏量和印刷品质有关, 这是AOI系统的一个好位置。这样一个系统应该监测什么呢? 只有锡膏的X-Y尺寸, 包括误印或锡膏体积(X-Y-Z)? 锡膏体积测量将比X-Y测量慢, 但提供更有用的数据。这个在某些应用中比其它应用更为关键。例如, 对于陶瓷排列包装, 锡膏体积对达到所希望的焊点品质非常关键。
　　第二个选择是把AOI系统直接放在射片机之后。这里, 可检查误放或放错的小元件, 包括电阻和电容, 以及BGA和密间距元件的锡膏品质与体积, 这些元件是用生产线内射片机之后的不同的贴片机贴装的。使用其视觉能力, 它们一般对较大的包装有更好的精度。
　　第三个选