摘要:理想的焊点应具有良好的可靠性及完好的电性连接和机械连接。要做到这一点需要有正确的可靠性设计(DFR),确保焊点合格产品在使用环境下能达到其设计寿命；另外在生产完成以后,还应采用必要的检测手段以剔出不合格品。研究证明,利用AXI进行测试可有效地防止将焊点不良的产品交付客户,同时还能降低制造成本。
关于可靠性设计的必要性目前已有很多文章进行了介绍,但很少有文献谈及如何以技术有效且更加经济的方式来保证焊点良好。虽然也发布了一些工艺指导书及工业标准,但对焊点是否良好进行验证仍然非常困难而且可重复性较差。
自动X射线检查仪(AXI)提供了一种经济有效的方法,可以保证焊点的品质。AXI利用内置的算法检验焊点结构完整性,这种算法可建立影像灰度与焊锡厚度的映射,密度映射使AXI知道产品焊点是否具有结构完整性。据AXI用户表示,利用AXI可以查出不良焊点的位置,提高产品可靠性。
焊点品质与现场故障
一个孤立的焊点是无所谓可靠不可靠的,只有当电子零件通过焊点与基板相连时,焊点的可靠性才有意义。材料的特性,以及产品使用条件、设计寿命和可接受故障率等加在一起,决定了表面贴装焊接件的可靠性,良好的焊点是保证电子产品可靠性所必需的首要条件。
焊点质量对防止焊点失效非常重要,特别是在短期应用中,但是人工视觉检查却无法有效地发现焊点缺陷。在使用MIL检验标准的时代,要检查产品的可靠性是徒劳的,据分析,几乎50%的焊点失效都是现场失效,即它们都通过了主观性人工视觉检查工业标准。
此外,根据AT&T贝尔电话实验室的研究,人工视觉检查不仅主观性强,而且不可靠。对同一个产品检查两次,四个检验员中任何两个只有28%的意见是一致的,而全部四个人则只有6%的统一意见。
焊点研究
为确定质量低劣的焊点是否普遍存在,业界做了一个工程庞大的研究,收集了超过十亿个焊点的检验数据,数据来自于北美和欧洲15家大型印刷电路板组件(PCA)生产商几个月的AXI检验结果,这些公司总市值超过8,000亿美元。
检测结果见图1,为保证数据公正,图中每个缺陷都经过人工视觉检查验证。结果焊点不良占总缺陷数的28%(图中红色部分),说明焊点不良普遍存在。这些与可靠性有关的缺陷无法通过在线测试(ICT)发现,虽然有些缺陷能被人工检查出而不会流到客户手中,但是对于现在的高密度封装技术,人工视觉检查能力有限,无法可靠地发现所有不良焊点,而对球栅阵列(BGA)器件,要通过人工视觉检查来找出不良焊点更是完全不可能的事情。
AXI检测原理
在线测试通过对PCA进行电性量测来确定缺陷,结果不正常就说明有缺陷存在,但还要更进一步的分析才能确定缺陷的位置和性质。
与之相反,AXI通过对每一个焊点与已知的结构完整焊点密度信号作比较来发现缺陷,它量测的参数有平均锡厚、焊点跟部厚度和锡量等,然后将量测数据同已知可接受数据作比较。
和ICT相比,AXI一般可达到95%以上的缺陷覆盖率,X射线与ICT覆盖的缺陷相互重叠又相互补充(图2)。由于AXI独特的缺陷覆盖范围,所以它更能够提高产品的可靠性,可检出锡量不足、圆角形状不良、润湿不好以及其它焊点不良。虽然仍有很多制造商依靠人工视觉检验来检出缺陷,但对这些缺陷来讲,AXI是一种既可靠且重复性高的检验技术。
焊点分析之一:细间距翼形脚元件
图2显示了一个208脚细间距翼形引脚元件中的两个引脚(第3脚和第156脚)切片图及X射线影像,它们分别是这个元件焊点品质最好和最差的两个引脚,我们可以把两个引脚的焊点切片图与放大的X射线图所显示的实际差异联系起来进行分析。
从可靠性角度来看,这个元件的引脚不是最优设计,好的可靠性设计脚跟长度至少应为引脚宽度的三倍,这里的脚跟长度还不到引脚厚度的两倍,而厚度一般比宽度还要小。这么短的脚跟非常僵硬,即使其它引脚状态良好,在整体热膨胀不匹配时也会出现摆动,因此增加了焊点跟部或端部圆角处破裂的可能性。
第3脚跟部及端部的锡量对细间距引脚来说是足够的,但第156脚却不够。此外,焊点的几何外形还显示润湿不足,同时锡量也不够,这种形状会对前后焊点产生张力,很可能造成焊点过早失效。
图2显示了第3脚与156脚焊点跟部、中部及端部的相对尺寸,相比之下可以更清楚地看到第156脚隐藏的缺陷。
AXI系统可自动测出焊点的品质差别,这些差别通过与可接受的标准数值作比较而得出。标准数值由工程师根据相应的可量测品质特性来定义,这样AXI就能自动区分良好与不良的焊点。相反,使用人工视觉检验,检验员对很难看到的缺陷只能作主观判断。
焊点分析之二:表面贴装连接器
图3是两个不同的表面贴装连接器焊接引脚切片图及相应的X射线影像,右边的连接器引脚看起来像浮在焊锡顶部,明显不如左边的连接器焊接牢固。
对一个未经训练的人,看到这些X射线影像可能得不出和焊点品质有关的重要信息,但是通过AXI对焊点量测,并自动计算得到图4下部的图表,就能很清楚地看出各焊点的品质差异。
AXI算法对所有高密度区域(暗色)进行平均来确定焊点的跟部位置,这些区域是焊点跟部圆角产生的,通常这种技术能很好地确定出跟部位置。但这里连接器的焊点根本没有跟部圆角,因此根据这个方法算出密度最大的位置不是跟部,而是引脚下面焊点实际开始的地方,图中示出了实际跟部位置估计的相对密度/厚度。尽管焊点跟部位置确定有误,但由于跟部与中心的比较结果不符合牢固焊点的特性,所以AXI识别算法仍能正确地标示出这是一个不良焊点。
若跟部厚度大于中心厚度,说明跟部有圆角,差异越大跟部圆角越大。图4右边的X线影像图中焊点跟部与中心的差异很小,但左边焊点的差别却很大。
表面贴装连接器通常没有机械定位柱,因此其焊点必须承受各种拔插力,还有连接器本身和PCB之间热膨胀不匹配产生的张力,所以没有定位柱的表面贴装连接器焊点必须在机械上可靠,且尽可能坚固。AXI能有效发现不符合这些标准的焊点。
焊点分析之三:贴片电阻
图4中的贴片元件一端根本没有上到锡,不管是人工视觉检验还是X射线检验都能很容易地发现。X射线检验能自动100%发现这种不良焊点,但人工视觉检验却不能肯定,特别是对有大量小零件的产品更是如此。
这个贴片电阻端面底部的金属镀层仍然与PCB焊盘有少许焊锡连接,所以这种缺陷无法在电性或功能测试中显现出来。但是在环境强度模拟实验(ESS)或短时间使用后,这个潜在的缺陷可能导致焊接破裂,造成电性完全开路,形成很难发现的间歇性开路。
对可靠性更大的威胁来自于不是圆角形状的焊点,以及两个焊点产生的力量不均衡。前者可能造成焊点过早破裂,而后者会使元件向有圆角焊点转移,从而更增加了不良焊点的受力。
图5中两个焊点的密度/厚度测量显示,二者数值有很大的区别,同时也告诉我们,使用自动X射线检查仪,能非常明确地检测出潜在的不良焊点并将其标示出来。
经济效益分析
现在,制造商们可以做很多详细的测试,如ESS和切片实验等,以保证良好的焊接品质,但是大多数厂商都不会做这些测试,因为成本上不允许。除保证焊接品质外,是否经济上可行是考量采用AXI与否的重要因素。
从实际经济效益上讲,使用AXI对厂商会有非常积极的回报,除了减少潜在的现场故障外,一些AXI用户还介绍说有以下好处:
?降低ICT和功能测试的返修率
?加快产品面市时间
?缩短制造周期
?降低ESS故障率
?取消ESS
?样机测试成本更低,覆盖率更高
使用AXI的经济效益取决于产品、规模、可靠性要求、各测试段维修成本、现场故障率、故障造成的后果以及其它因素,一般来说,板子越大、越复杂,或者探查困难,AXI在经济上的回报就越大。
现场故障所造成的损失可能是惊人的,维修费用可从几美元到几十万甚至上百万美元不等。为举例说明减少现场故障在经济上的效果,我们作以下假设:
?一块板有约5,000个焊点
?现场故障维修费用 c1=400元
?板子检验费用 c2=3元
?一台AXI一年检验板数 n=400,000
?现场故障减少百分比 p
?成本节约 S=(c1×p×n)-(c2×n)
利用这些假设,可以计算出因现场故障率降低而节约的费用。假如现场缺陷率降低1%,可节约40万元；降低2%可节约200万元；降低3%可节约360万元等等。使用AXI能节约成本的理由非常简单:AXI可取代人工视觉检验,并能更有效地找出缺陷,所以不良焊点的维修费用也非常低,而且AXI检验时也不需要接触到PCB。这些原因再加上近几年AXI设备的改进,可使得AXI带来非常好的经济效益。
[Circuits Assembly]
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