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1、首届中国( 天津) 国际绿色电子制造技术与产业发展研讨套S M T 产品质量检测技术史建卫袁和平( i 哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点试验室黑龙江，哈尔滨1 5 0 0 0 12 日东电子科技( 深圳) 有限公司，深圳，5 1 8 1 0 3 )摘要随着科学技术的笸展S M T 面临两大挑战：电子产品的微小型化和组装材料的无铅化，这给产品质量检捌技术带来了一定的影响。本文针对主要的检测手段I C T ，A O I 和X - r a y 检测，简单论述了各自的优缺点以及相应地改进措施关健词：S M TI C Th O lX - r a y 检测无铅化1 引言随着国际半导体工业的发展，微小
2、封装器件、片式元件制造工艺不断发展与完善。国外电子产品正朝着小体积多功能方向发展，表面贴装技术( S M T ) 逐步得到酱及。目前片式元件的最小尺寸已到0 2 0 1型，并朝着0 ，3 m m 小间距发展。同时环境保护日益受到人们的重视，目前无铅焊接工艺也引起人们的高度重视。无铅化和元器件的微小化对质量检测方法提出更高的要求。我国的改革开放为国内电子工业带来了高速发展伴随着入世国内外的消费者对国产电子产品 制造工艺的要求也越来越高。为了适应市场需求，加强国内企业与国外同行的竞争力，国内电子产品制造商正加速技术改造。先进的电路组装技术、组装设备正被国内制造商采用。先进设备的使用带来了生产率的提
3、高，生产规模的增大，经济效益的提高，相应地传统的质量保证手段难以满足要求。本文主要针对常用三种检测手段，简单论述各自优缺点以及相应地改进措施。2 常用的几种检测手段2 1I C T 测试I c 7 即在线电路测试，它是在设计芯片和P c B 板时引入菊花链结构，使得组装后的焊点形成网络，从而通过检测网络通断来判断焊点是否失效。通常I C T 测试用于再流焊后。由于当今的S g r 工艺中使用的I c 引脚间距逐渐趋于0 3 m 为主。贴片元件也微型化，0 2 0 1 型料逐渐流行。电路的组装密度逐渐趋于0 3 3 0 4 5 z z 间距。面对电路板日益微型化、高密度化的装配技术，传统的针床I
4、 C T 测试，只能对5 0 m i t 以上的测试闻距进行有效检测，而低于其值的间距，I c T就不能有效检测。原因主要是由测试探针与被测板之间的良好接触、探针的定位精度条件决定。一方面由于细间距后探针的弹力不够，导致传统针床探针接触不良而带来误判。当测量间距小于5 0 m i l 时，就要采用更 细小的探针，但是探针更小时会带来弹力降低，无法穿透焊点表面助焊层、杂质或接触不良。图1 为I C T 探针结构及测试示意图。 另一方面由于定位不良带来的误判。对于针床式电路测试，需要考虑测试点与测试针之间的相对定位问题。尤其是高密度装配的条件下，各项细小的位置误差( 如焊盘误差、定位孔和销配台误差
5、、植针加工误差、探针活塞误差、针头偏斜误差、定位销倾斜误差等) 成了必须考虑的问题，这些误差或其累积很容易造成探针与测试点不对中，带来误判。图2 为测试点与探针的相对定位示意图。总之，面对当前的高密度电路板由于传统针床的制作技术及工艺问题所导致的不可测问题，影响了 C T 的测试效率，降低了I C T 对细间距测试点的检测能力。第1 页首届中窝( 天津) 国际绿色电子制造技术与产业发展研讨会图iI C T 探针结构及测试示意圈圈2 测试点与探针的相对定位示意圈2 2A O I 检测A O I 检测即自动光学检测，在现代高效率电子生产过程中已被大量使用。它可以提高在线测试( I C T )或功能
6、测试( F T ) 的通过率、降低目检和I c T 的人工成本、避免使I C T 成为产能瓶颈、甚至取消I C T 、缩短新产品产能提升周期以及通过统计过程控制( S P C ) 改善成品率等等。图3 为A O I 工作原理。A O I 与其它测试技术相比，可用于生产线上的多个位置，其中3 个检测位置是主要的：1 锡膏印刷之后，可发现印刷过程的缺陷，将因为锡膏印刷不良产生的焊接缺陷降低到最低。2 再流焊前，检查是在组件贴放在板上锡膏内后和P C B 送入再流焊炉前完成，降低来自锡青印刷以及贴片产生的缺陷。3 再流焊后，采用这种方案最大的好处是所有过程中的不良都能够在这一阶段检出，因此不会有缺陷
7、落剑客户手中，其工艺流程如图4 所示。第2 页曰固团圃围困图团圆圈 匝首届中国( 天津) 圆际绿色电子制造技术与产业发展研讨套图3 A O I 工作原理图圈4 0 l 置再流焊后的工艺流程A O I 技术的优缺点：1 检查和纠正P C B 缺陷，在过程检测期间进行的成本远远低于在最终测试和检测之后进行的成本通常相差t 几倍2 能够尽早发现重复性错误3 能为工艺技术人员提供S P C 资料( 图5 为A O I 技术与S P C 关系图)圈5A O I 技术与S P C 关系4 能适应P C B 组装密度进一步提高的要求，对于1 0 0 5 ，0 6 0 3 或是更小的0 4 0 2 片式组件都
8、可检测5 测试程序的生成十分迅速，其测试程序可直接由C A D 资料生成，十分快捷 6 能跟LS M T 生产线的生产节拍，检测可靠性高无铅化对A O I 技术的影响t由于无铅钎料大多为非共晶合金，在钎料从熔融状态变为完全成为固体的冷却过程中。有大约第3 页首届中国( 天津) 国际绿色电子制造技术与产业发展研讨套1 0 左右的温差( 从液态是不会马上变为固体的) ，因此冷却速度较慢时，因各金属殖分萌磊面时间不同，会出现固体、液体共存的情况，于是表面就变得无光泽。不同粗糙度与反射特性的相对关系见图6 。散射魔射田6 衰面粗糙度和反射特性的相对关系由于共晶钎料的焊点表面比较光滑，而且其表面粗糙度在
9、粗糙程度上也没有太大的差异，所以它容易形成强烈的境面反射。相对而言，无铅钎料根据冷却条件不同，也会有共晶钎料所具有的光泽情况，然而造成无光泽感的漫反射的倾向仍然很大。如果漫反射太强，会在外观上变得无光泽、发白。针对无铅钎料这种特性，采用彩色高亮度方式k 0 I 对其进行检测，即使钎料表面漫反射很强，也仍然是有效的。彩色高亮度方式就是改变色彩不相同的圆环光源的亮度，去照射基板面上的焊点，对应于焊点表面各要素的仰角而反射回来的光线，用正上方的C C D 摄像机拍摄下来，将焊点的三维角度信息转换为二维的图像，对应于不同角度的平面，焊点面被分为红色、绿色和蓝色等几种颜色，从而 可以辨识其形状。图7 为
10、彩色高亮度工作方式原理图，图8 为焊点部分的放大图。蓝圈7 彩色高亮度工作方式原理图8 焊点部分的放大圈第4 页( ( ；)蓝光( 哟首届中国( 天津) 国际绿色电子制造技术与产业发展研讨会彩色高亮度是用色调来描述形状，这也是即使焊点外观七已经变白，但采用高亮度方式依然会有效的基本原因。在这种方式下，焊点平面会转化成红色，缓慢倾斜面会转化为绿色，急剧倾斜面会变 成蓝色，这对境面反射和漫反射面都是成立的。对于共晶钎料，R G B 的各自波形是尖锐的，对于三个仰角明显显示出R G B 的各个强度( 如图9 ) 。而对于非共晶无铅钎料，相邻的色调混合在一起的比例随着仰角增大而不断增加，各自的波形变钝
11、( 如图1 0 ) 。但是各平面的R G B 强度中，如果着眼于强度晟大的一个，仍然成立。因而从形状信息向色调 信息转换的过程中，不会发生任何问题。8 八八八，! 、 。缸色( R )蟓色( G ) i 蓝邑【B )平坦面一墟慢惭件面；土l I 甘* 击相对于基板面的庸度图9 共晶焊点波形圈一二红色 R ) 绿色( o ) 蓝色一相时于基韫面的仰角圈1 0 无镪焊点波形圈2 3X _ r a y 检测对B G A ，C S P 与F c 封装器件下的焊点来说，微聚焦X - r a y 检测是一种确认无异的良好使用的检测方法。由于4 i 断提高产品的可靠性要求，这种方法也可应用到传统的T H T
12、 与一般的s 耵焊点检测检 测内部微孔与视力光学观察不到的焊接缺陷。由于铅对x 光线的吸收与P C B 及元器件材料。如铜、环氧树脂等对x 光线的吸收要强些，因而焊点能够被容易的显示出明显的对照差异。无铅化后，对许多X _ r a y 检测提出了严重的挑战。在微聚焦x 光系统中，被检测样本是被扇型光束穿透而在检测屏上( 大多数为一增辉器) 上产生x 光明影图像。所得到的图像分辨率主要取决于x 光管聚焦的尺寸，典型的是在几微米范围内，但新颖的毫微米级聚焦管也能达到小于l 微米。放大倍数由光学原理得出，见图1 l 。给定目标的可检测性能取决于目标物体的特性差异而形成X 光图像亮度强弱的差异，差异是
13、由于不同目标区域吸收穿透x 光不同而造成的。图1 2 为不同厚度、密度材质对X - r a y 的吸收情况，其中A 与B 为相同厚度、不同密度材质，B 与C 为不同厚度、相同密度材质。圈1 2 不同厚度、密度材质对】卜T a y 吸收情况第5 页首届中国( 天津) 国际绿色电子制造技术与产娃发展研讨会根据图像增辉器的经验准则我们能确定吸收的差异值必须至少大于2 才能清晰地检测山。实 际上，x 光吸收依照下面指数规律进行计算：，r- i 彳。础坤卜彩( p x ) j1 )式中：T I o 足x 光透过样本前后的强度比值；材料的影响是由物质吸收系数D 确定的，这也取决于x 光辐射量子的能量E ；
14、p 代表厚度为x 的材料密度。在微聚焦X - r a y 检测中常用的x 光能量范围为3 0 1 6 0 k e y 。物质吸收系数“p 直接由原子量z决定( 见表1 ，大约按z 3 的比例而增加) 。表1 一些无铅装联常用金属元素的z 值，密度与K 值元素Z密度( g ，3 )K - E d g e k c V 】B i8 39 89 0 5P b8 21 1 38 8 0A u7 91 9 38 0 7S n5 0 32 9 2A g4 7l O52 5 5C u2 99 09 OC62 2O 3当前大多数无铅钎料是由B i 或更常用的s n 基钎料，如S n h g C u 合金。与S
15、n P b 焊料相比，对B i的x 光吸收比较能满足期望要求的，但s n 焊料对x 光吸收能力低的多。因而显著的差异是可想而知的，检测实际表明，S n h g C u 焊接点形成的图像与S n P b 相接近。这一点也能从物质吸收系数p ( e ) 来理解( 图i 3 一a ) ，锡的K 吸收边缘低于3 0 k e y ，因此物质吸收系数甚至比铅和锡铅合金高，直至铅K 吸收边缘8 8 k e y 。模拟曲线( 图1 3 一b ) 显示锡焊点也是理想的，来传输小的多的辐射在图像增辉器更为敏感的能量范围内( 3 0 1 0 0 k e y ) 。- 铅、镊和铋的物质吸收幕数相当于x 光量子B 量的
16、作用b 放射管电压为I O O K V 的条件下。钨阻板连续x 光谱穿透l m m 厚的螺层( 红) 和铅层( 蓝)圈1 3 物质与吸收系数关系翻无铅化之后物质吸收差异程度减小，不容易检测。现在新型的数字式检测器已经开发出来，其差第6 页首届中国( 天津) 国际绿色电予制造技术与产业发展研讨套 异须藕磊示而瓦丽蕊两雨两石蠡丽否一3 组合测试技术每种检测手段都有各自的检测范围( 如图1 4 ) ，没有一种检测手段是万能的。在实际S M T 产品质 量检测中，我们应该根据不同检测技术的优缺点和发现缺陷的能力，进行有机组合( 如图15 ) ，这样才能把产品缺陷降到最低程度。A X I，I n s u f f l e l e n tP o o rW e t t t n gM a r g i n a lj o i n t sE x e 5 c s s ，E x e c s s 、 E r i n g T
