PCB组装检测技术.ppt

PCB组装检测技术及典型缺陷分析 内容提要 PCB检测技术发展检测技术典型组装缺陷检测技术的应用可测试性设计结束语 一 PCB检测技术发展 初期采用人工目检 结合仪表或仪器测试 仪表或仪器组合测试 IEEE488等 出现电子线路板 PCB 组装技术以来 其技术发展基本上是人工焊接 插装 自动化插装焊接 表面贴装 混装 这样一个路线 PCB的组装检测技术也随之有着阶段性发展 结合计算机技术 工业仪器仪表通讯接口标准的发展 逐步产生 针床式在线测试 功能测试 飞针在线测试 结构性工艺检测 X光 自动光学检查等 一 PCB检测技术发展 PCB及其可测元器件的静态技术指标 组装过程中产生的故障和缺陷检查 组装检测的内涵 开路 短路 阻容感元件静态参数偏差 缺件 错件 工艺过程监测 极性反 焊量不足或过量 焊球或锡珠 焊点空洞 移位 二 PCB检测技术 1 组装检测的目的 找出存在的故障 故障定位 诊断 分析故障原因 减少返修和废品几率 提高工艺技术水平 适用 即识别缺陷的能力 准确和精确度 可靠 速度 统计分析 经济可承受 2 组装检测要求 任何一种检测技术均不可能完全100 覆盖PCB组装故障分布情况 在经济条件允许的情况下组合应用多项检测技术能够达到或接近95 的组装故障覆盖率 二 PCB检测技术 纯插装 纯表面贴装 3 PCB组装类型 单面贴插混装 A 单面PCB 二 PCB检测技术 纯贴装 单面贴单面插装 3 PCB组装类型 双面贴单面插装 B 双面PCB 二 PCB检测技术 C PCB类型与检测技术的关系 单面 双面 检测适用的装置或工装夹具 高密度 可测试程度 新型元器件 如BGA CSP FP COB等的检测 检测方法或装备 组装工艺 检测方案的设计 复杂程度 检测局限性 测试程序开发周期 直通率及品质 客户质量要求与供方的满足程度 成本 人 夹具 开发周期 消耗等方面 3 PCB组装类型 二 PCB检测技术 D 组装缺陷的统计分布 3 PCB组装类型 二 PCB检测技术 4 检测技术及其分类 A 人工目检 MVI 灵活 局限于表面故障检查 效率低 一致性差高劳动强度 易疲劳 故障覆盖率仅为35 左右 主要借助5 40倍左右放镜进行高密度 细间距PCB检查工作 1个检验员 2个检验员 3个检验员 4个检验员 绿色 意见一致部分蓝色 意见不一致部分 二 PCB检测技术 4 检测技术及其分类 B 人工测试直接得到测试的量化指标 测试速度较快 测试规程较难开发 人员劳动强度大 一致性好 投资成本高 需配备多种信号源 仪表 仪器 人员素质要求极高 先进的仪表仪器可以组成PCB的功能测试平台 如GPIB VXI等总线系统 二 PCB检测技术 4 检测技术及其分类 C 在线测试 ICT 可测PCB技术性能参数 较高的故障定位 具备一定的故障诊断功能 计算机编程 测试速度极快 自动生成统计报告 测试程序开发需要一定的周期 不同产品需有相应的针床夹具 对设计的可测试性要求高 功能上的分类 制造故障诊断 MDA 仅用于组装故障 元件级 工艺过程 的检测 相对于PCB故障覆盖率较低 限于静态参数的检测 价格低 通用性强 易编程 组合功能测试 FT 用于产品的功能测试 属动态测试 故障覆盖率高 但编程难度极高 价格昂贵 有一定的通用性 二 PCB检测技术 4 检测技术及其分类 C 在线测试 ICT 形式上分类 针床式 bed of nails 又可分为单面 双面两种 在MDA和功能测试上都有该种形式 测试点的标准间距2 54mm 1 27mm 最小0 63mm 但极少 在某种程度上与当今EDA软件的无网格布线有矛盾 需选配多种样式的探针 并制作相应的针床夹具 能够实现多点电路隔离 功能强大 测试速度快 二 PCB检测技术 4 检测技术及其分类 C 在线测试 ICT 飞针式 FixturelessTester FlyingProber 目前有四针和八针式两类 八针式多用于印刷板制造时的光板测试 仅适用于制造故障检测 无需针床夹具 但测试速度慢 测试点最小间距达0 18mm 最多两个测试隔离点 二 PCB检测技术 4 检测技术及其分类 D 自动光学检查 AOI 近年来极为普及 技术上得益于计算机 集成电路 光学图像处理技术的发展 其次由于PCB高密度 超细间距 微型元件的应用广泛 类型上属非接触无损检测 分为黑白 彩色两种 用以替代人工目检 组线应用较灵活 多种工艺位置均可 限于表面可见故障检查 速度快 检查效果一致性好 对PCB 元器件的色度 亮度的一致性要求高 二 PCB检测技术 4 检测技术及其分类 E 自动X光检测 AXI 也属非接触无损检测范畴 但具备对铅锡合金等重金属的透视能力 对组装和制造而言 其性能及用途上又大致分为两个应用领域 半导体工业和板级电路组装 半导体工业用X光机其分辨率达20微米左右 而板级电路组装能够识别0 2mm间距焊点 X光检测技术在板级电路组装的应用仅在90年代初期开始实际使用 最早应用于军事电子设备的板级电路制造 后由于电子产品的PCB中PGA BGA CSP等新型封装器件广泛使用 逐步投入商业运作 目前虽已有批量 但因价格不菲 仅在少部分EMS企业中得到应用 二 PCB检测技术 4 检测技术及其分类 E 自动X光测试 AXI 不需特制夹具 基本类型 2D检测即穿透式 其图像亮度靠控制X光管电压电流来控制 对于单面组装PCB类型最为适宜 速度快 60焊点 秒左右 能够衡量焊点平面指标 双面元器件图像有叠加效应 价格相对较便宜 二 PCB检测技术 4 检测技术及其分类 E 自动X光测试 AXI 3D检测即旋转三维同步断层扫描 类似于医学CT 其图像亮度保持一致 尤为适合双面高密度组装的PCB 速度快 60 70焊点 秒左右 焊点X光图像无叠加效应 仅有部分阴影 适合焊点的细节参数的检查 因结构及控制复杂 价格昂贵 二 PCB检测技术 4 检测技术及其分类 E 自动X光测试 AXI 3D检测 片式电阻检测 通孔插装焊接测试 J形引脚测试 鸥翼引脚测试 二 PCB检测技术 5 新型检测技术 A 非向量测试 80年代开始应用于ICT 主要克服高密度PCB的IC引脚电焊接质量 针床式或飞针式的MDA均有此选项 数字电路引脚开路测试利用并检测数字集成电路各引脚间形成的PN结效应 将信号输入和输出的探针逐次在IC各引脚移动 从而判断IC好坏 焊盘与引脚的电连接质量 数字电路引脚开路测试 二 PCB检测技术 5 新型检测技术 A 非向量测试 电容感应引脚开路测试利用电路在一定频率电流信号激励下 被测IC引脚与测试点之间的交流变化信号值 位于被测元器件引脚上方或下方的电容传感器间感应的交流电压信号 见图传感器将该交流电压值 在检测设备中经过滤波 放大转换成为可被测量仪表识别的测试数值 将该数值与标准的测试数值相比较以判断相应引脚焊接质量 IC引脚电容感应开路测试 二 PCB检测技术 5 新型检测技术 B 边界扫描测试 该项技术的应用基础是在被测对象输入 输出端子中增加边界扫描单元电路 目的是减少测试点数量 能够验证被测对象的功能 结构故障 简化测试程序 提高可测试率 从理论上而言 该项技术可应用于器件和PCB两个层次上 具体技术标准参见IEEE1149 1 适合于复杂 大规模电路的器件和PCB检测应用 但有一定的成本要求 多用于ICT上 边界扫描单元结构及测试原理 三 典型组装缺陷 A 开路 立碑多为片式电阻 电容等小型元件 检查方法 MVI AOI AXI ICT 未焊上或翘起多见于轻小型片式元件及IC 表面贴插座等 检查方法 MVI AXI ICT 三 典型组装缺陷 A 开路 缺件 丢件 通常漏贴 焊接或挪动过程丢失 检查方法 MVI AOI AXI ICT 无焊球BGA较易发生该类情况 检查方法 AXI ICT 三 典型组装缺陷 B 短路 桥接常见于细间距IC引脚 高密度PCB上的片式电阻 电容等小型元件之间 在波峰焊接工艺的引线之间也易出现 检查方法 MVI AOI AXI ICT 焊点连接见于BGA CSP 细间距表面贴装插座等的焊接过程中 检查方法 AXI ICT 三 典型组装缺陷 B 短路 锡珠右图所示 焊接过程中焊料产生的小珠 多见于IC引脚间 片式元件侧面 BGA底部 检查方法 MVI AOI AXI 金属异物左图所示 多发生在IC底 PCB表面 波峰焊 等 检查方法 MVI AXI AOI 三 典型组装缺陷 C 对位不齐 一般不影响静态电性能 侧立多为片式电阻 电容等小型元件 检查方法 MVI AOI AXI 扭曲分为侧向和轴向错位两种现象 多见于片式元件 MELF IC BGA 表面贴插座等的贴装或焊接过程 检查方法 MVI AOI AXI 三 典型组装缺陷 D 焊点缺陷 冷焊焊接过程最常出现的缺陷之一 焊膏不回流是主要原因 焊盘 元器件引线或引脚可焊性差也是原因之一 焊料也有相关因素 常造成虚焊 检查方法 MVI AXI 针孔和空洞各类焊均可出现针孔现象 而BGA最易发生焊点空洞情况 检查方法 MVI AXI 三 典型组装缺陷 D 焊点缺陷 焊料不足焊膏的印刷量过少是主要原因 加电测试效果无法检测 检查方法 MVI AOI AXI 焊料过量焊膏印刷量过量 电测试通过 检查方法 MVI AOI AXI 三 典型组装缺陷 E 元件反元器件极性或方向反 有种情况是翻个 自动化贴装极少发生 检查方法 MVI AOI AXI ICT G 错件贴错元器件 有些能目检识别 检查方法 MVI AOI AXI ICT F 元件损坏元器件封装被损坏 焊接端脱落 元件失效等 原因较多 检查方法 MVI AOI ICT AXI 三 典型组装缺陷 H 其他缺陷由于采用不同的工艺方案 PCB的组装工序各个环节 如焊膏印刷 贴装 点胶 插装 再流焊 波峰焊等等 都会不同程度地出现缺陷现象 以点胶为例的主要缺陷如下图所示 检查方法 MVI AOI AXI 点胶量过多 偏移造成的缺陷现象 四 组装检测技术应用 1 组装检测技术应用的考虑 PCB组装质量要求 测试内容 可接受的质量要求 技术指标等 测试成本 交货周期 程序开发时间 人工 测试夹具设计及制作周期 甚至检测装备的购置等 PCB复杂程度 密度 PCB类型 相应组装工艺难易 检测能力指标等 特殊元器件封装 是否有细间距或超细间距QFP BGA CSP FP 带屏蔽元器件等 四 组装检测技术应用 2 产品复杂性与检测成本的关系随着产品复杂程度的提高 测试成本成级数上升 3 故障检测率与测试成本的关系检测率越高 对检测的能力要求越高 但检测能力的提高直接与投资相关 设备能力确定的情况下 图中G点为最佳检出率 四 组装检测技术应用 4 自动测试程序开发 技术资料收集 检测技术要求 CAD文件 版图 网表 BOM 样板等 生产线应用 精细调整测试程序 满足检测时间与生产线节拍相符 测试工装或夹具设计 使用ICT 探针选择 测试夹具设计 联系针床加工等 检测程序编制 CAD数据转换 生成测试程序 调试等 四 组装检测技术应用 5 检测方案的制定 组装检测技术比较各种PCB组装的自动检测技术的都有其主要应用方面 也有的技术盲区及交叉 焊接 贴装 电气性能 AOI 四 组装检测技术应用 5 检测方案的制定 PCB产品的因素 PCB类型决定采取最有效的检测技术及应用方法 特殊元器件有无BGA CSP 高密度细间距器件 测试指标和能力是否匹配 生产类型产品原型生产 工艺试验 小批量 大批量 阶段的测试成本不一 往往会影响生产 检测设备的投资意向 四 组装检测技术应用 组装工艺 工艺特征不同的工艺技术反映在产品上总有不同 如波峰焊工艺和再流焊工艺 清洗与免清洗 无铅焊工艺等 具体到质量要求完成不同 过程质量监测根据产品复杂性 元器件类型 设置工艺质量控制点 有些检测需离线 而在线使用则可能重新进行生产线的调整和布线 质量信息反馈设计PCB组装检测的信息反馈与处理流程 切实起到检测技术应用的最终目的 准确真实 持续改进 5 检测方案的制定 四 检测技术应用 适用能够适用被测PCB及生产组织要求 组装故障覆盖率高 检测结果可信度高 满足公司及客户质量要求 成本合适人工 工装夹具制作 检测程序开发及设备使用满足规定定额成本 5 检测方案的制定 基本原则 保障周期满足生产节拍和交货周期 四 检测技术应用 单面 低复杂度PCB50个元件 350个焊脚 在投资有限的条件下 多以人工目检取代AOI 但一次测试通过率 焊点质量将有所降低 6 SMT工艺的PCB自动检测方案 SMT AOI 功能测试 返修 92 通过率 手工安装 波峰焊 返修 四 检测技术应用 双面 中复杂度PCB500个元件 3 500个焊脚 在投资有限的条件下 或者是多品种情况 多以人工目检取代AOI 但一次测试通过率 焊点质量将有所降低 6 SMT工艺的PCB自动检测方案 SMT AOI 功能测试 返修 95 手工安装 波峰焊 返修 在线测试 返修 75 四 检测技术应用 双面 高复杂度PCB2 500个元件 17 500个焊脚 在投资有限的条件下 多以人工目检取代AOI 但一次测试通过率 焊点质量将有所降低 SMT AOI 返修 手工安装 波峰焊 返修 6 SMT工艺的PCB自动检测方案 功能测试 在线测试 返修 AXI 返修 五 可测试性设计 1 目的产品设计阶段就考虑测试问题 能够大大降低测试成本 测试周期 提高产品品质及能使生产顺畅 2 意义 缩短产品设计至生产周期 降低生产成本 增进产品设计人员 工程技术人员和制造人员之间的交流 保障生产现场的有效诊断和维修能力 能够保障元件级及引脚级的的准确测试和诊断 五 可测试性设计 3 可测试性设计面临的问题 需明确的是 可测试性设计并不是一项技术 而是一种思想或观念 属技术管理领域范畴 产品开发与技术管理层特别需要关注 从产品设计到组装制造阶段中涉及的工艺技术 工具 产品特性等诸多方面能够降低成本的各种因素 产品测试通常面临如下几方面的问题 设计与测试间的技术断层 设计 提供数据的可用性 测试周期的有效性 测试夹具制作技术水平 测试点的可用性 物理接触 及电测试接入 可测试性参考 甚至指南编制 五 可测试性设计 4 可测试性设计的考虑 A 物理可接触 真空测试夹具技术指标 PCB空边宽3mm 9mm 工装孔 孔位置离PCB边缘3mm以上 孔定位精度 0 05mm 直径公差0 076mm 0 00mm 非金属电镀孔 测试焊盘 通常布于PCB底面 方形为佳 离PCB边缘3mm以上 也要考虑组装设备要求 测试焊盘间隔最好为针床夹具制作要求的标准栅格 2 54mm 1 27mm 0 63mm 距元器件1mm 圆焊盘直径0 8mm 1mm 精度要求 0 076mm 五 可测试性设计 探针适用性 通孔元件引线端 电连接过孔 接插件均可直接用以测试 表面贴装元器件原则上均需设计测试焊盘 探针类型的选择 2 54mm 或1 9mm 标准的探针应用于0 89mm直径的测试焊盘 而应避免采用1 27mm标准的探针 测试焊盘的密度 12个 平方英寸