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随着线路板上元器件组装密度的提高,给电气接触测试增加了困难,将AOI技术引入到SMT生产线的测试领域也是大势所趋。
AOl不但可对焊接质量进行检验,还可对光板、焊膏印刷质量、贴片质量等进行检查。
各工序AOI的出现几乎完全替代人工操作,对提高产品质量、生产效率都是大有作为的。
当自动检测(A01)时,AOI通过摄像头自动扫描PCB,采集图像,测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较,经过图像处理,检查出PCB上缺陷,并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来,供维修人员修整。
现在的AOI系统采用了高级的视觉系统、新型的给光方式、增加的放大倍数和复杂的算法,从而能够以高测试速度获得高缺陷捕捉率。
AOI系统能够检测下面错误;
元器件漏贴、钽电容的极性错误、焊脚定位错误或者偏斜、引脚弯曲或者折起、焊料过量或者不足、焊点桥接或者虚焊等。
AOI除了能检查出目检无法查出的缺陷外,AOI还能把生产过程中各工序的工作质量以及出现缺陷的类型等情况收集、反馈回来,供工艺控制人员分析和管理。
但AOI系统也存在不足,如不能检测电路错误,同时对不可见焊点的检测也无能为力。
1.4自动X射线检查AXI(AutomaticX-raylnspection)
AXI是近几年才兴起的一种新型测试技术。
当组装好的线路板(PCBA)沿导轨进入机器内部后,位于线路板上方有一X-Ray发射管,其发射的X射线穿过线路板后被置于下方的探测器(一般为摄像机)接受,由于焊点中含有可以大量吸收X射线的铅,因此与穿过玻璃纤维、铜、硅等其它材料的X射线相比,照射在焊点上的x射线被大量吸收,而呈黑点产生良好图像,使得对焊点的分析变得相当直观,故简单的图像分析算法便可自动且可靠地检验焊点缺陷。
AXI技术已从以往的2D检验法发展到目前的3D检验法。
前者为透射X射线检验法,对于单面板上的元件焊点可产生清晰的视像,但对于目前广泛使用的双面贴装线路板,效果就会很差,会使两面焊点的视像重叠而极难分辨。
而3D检验法采用分层技术,即将光束聚焦到任何一层并将相应图像投射到一高速旋转的接受面上,由于接受面高速旋转使位于焦点处的图像非常清晰,而其它层上的图像则被消除,故3D检验法可对线路板两面的焊点独立成像。
3DX-Ray技术除了可以检验双面贴装线路板外,还可对那些不可见焊点如BGA(BallGridArray,焊球阵列)等进行多层图象"
切片"
检测,即对BGA焊接连接处的顶部、中部和底部进行彻底检验。
同时利用此方法还可测通孔(PTH)焊点,检查通孔中焊料是否充实,从而极大地提高焊点连接质量。
2未来SMT测试技术展望
预测今后二十年里那一种测试技术会取得成功或者被淘汰不是一件简单的工作,因为这不仅需要总结过去,还需要清楚地了解未来的应用情况。
从近几年的发展趋势来看,使用多种测试技术,特别是AXI与ICT组合测试会很快成为这一领域的测试首选,如图1所示。
由于目前线路板越来越复杂,传统的电路接触式测试受到了极大限制,通过ICT测试和功能测试很难诊断出缺陷。
随着大多数复杂线路板的密度不断增大,传统的测试手段只能不断增加在线测试仪的测试接点数。
然而随着接点数的增多,测试编程和针床夹具的成本也呈指数倍上升。
开发测试程序和夹具通常需要几个星期的时间,更复杂的线路板可能还要一个多月。
另外,增加ICT接点数量会导致ICT测试出错和重测次数的增多。
AXI技术则不受上述因素的影响,其对工艺缺陷的覆盖率很高,通常达97%。
而工艺缺陷一般要占总缺陷的80%-90%,并可对不可见焊点进行检查,但AXI技术不能测试电路电气性能方面的缺陷和故障。
将AXI检测技术和传统的ICT在线测试方法相结合,则可以取长补短,使SMT检测技术达到完美的结合,因为每一个技术都补偿另一技术的缺点。
X射线主要集中在焊点的质量。
它也可确认元件是否存在,但不能确认元件是否正确,方向和数值是否正确。
另一方面,ICT可决定元件的方向和数值但不能决定焊接点是否可接受,特别是焊点在封装体底部的元件,如BGA、CSP等。
图2为AXI和ICT测试方法检查范围互补图。
需要特别指出的是随着AXI技术的发展,目前AXI系统和ICT系统可以"
互相对话"
,这种被称为"
AwareTest'
'
的技术能消除两者之间的重复测试部分。
通过减小ICT/AXI多余的测试覆盖面可大大减小ICT的接点数量。
这种简化的ICT测试只需原来测试接点数的30%就可以保持目前的高测试覆盖范围,而减少ICT测试接点数可缩短ICT测试时间、加快ICT编程并降低ICT夹具和编程费用。
3结束语
以上详细说明了在高度复杂线路板测试中采用组合式AXI/ICT测试方法的优点,而这项技术本身也在不断改进使它愈加引人注目,比如AwareTest。
在过去的两三年里,应用AXI/ICT组合测试复杂线路板的情况出现了惊人的增长,而且增长速度还在加快,因为有更多的待业领先生产厂家意识到了这项技术的优点并将其投入使用。
SMT环境中的最新复杂技术
只要关注一下如今在各地举办的形形色色的专业会议的主题,我们就不难了解电子产品中采用了哪些最新技术。
CSP、0201无源元件、无铅焊接和光电子,可以说是近来许多公司在PCB上实践和积极评价的热门先进技术。
比如说,如何处理在CSP和0201组装中常见的超小开孔(250um)问题,就是焊膏印刷以前从未有过的基本物理问题。
板级光电子组装,作为通信和网络技术中发展起来的一大领域,其工艺非常精细。
典型封装昂贵而易损坏,特别是在器件引线成形之后。
这些复杂技术的设计指导原则也与普通SMT工艺有很大差异,因为在确保组装生产率和产品可靠性方面,板设计扮演着更为重要的角色;
例如,对CSP焊接互连来说,仅仅通过改变板键合盘尺寸,就能明显提高可靠性。
CSP应用
如今人们常见的一种关键技术是CSP(图1)。
CSP技术的魅力在于它具有诸多优点,如减小封装尺寸、增加针数、功能∕性能增强以及封装的可返工性等。
CSP的高效优点体现在:
用于板级组装时,能够跨出细间距(细至0.075mm)周边封装的界限,进入较大间距(1,0.8,0.75,0.5,0.4mm)区域阵列结构。
已有许多CSP器件在消费类电信领域应用多年了,人们普遍认为它们是SRAM与DRAM、中等针数ASIC、快闪存储器和微处理器领域的低成本解决方案。
CSP可以有四种基本特征形式:
即刚性基、柔性基、引线框架基和晶片级规模。
CSP技术可以取代SOIC和QFP器件而成为主流组件技术。
CSP组装工艺有一个问题,就是焊接互连的键合盘很小。
通常0.5mm间距CSP的键合盘尺寸为0.250~0.275mm。
如此小的尺寸,通过面积比为0.6甚至更低的开口印刷焊膏是很困难的。
不过,采用精心设计的工艺,可成功地进行印刷。
而故障的发生通常是因为模板开口堵塞引起的焊料不足。
板级可靠性主要取决于封装类型,而CSP器件平均能经受-40~125℃的热周期800~1200次,可以无需下填充。
然而,如果采用下填充材料,大多数CSP的热可靠性能增加300%。
CSP器件故障一般与焊料疲劳开裂有关。
无源元件的进步
另一大新兴领域是0201无源元件技术,由于减小板尺寸的市场需要,人们对0201元件十分关注。
自从1999年中期0201元件推出,蜂窝电话制造商就把它们与CSP一起组装到电话中,印板尺寸由此至少减小一半。
处理这类封装相当麻烦,要减少工艺后缺陷(如桥接和直立)的出现,焊盘尺寸最优化和元件间距是关键。
只要设计合理,这些封装可以紧贴着放置,间距可小至150?
m。
另外,0201器件能贴放到BGA和较大的CSP下方。
图2是在有0.8mm间距的14mm CSP组件下面的0201的横截面图。
由于这些小型分立元件的尺寸很小,组装设备厂家已计划开发更新的系统与0201相兼容。
通孔组装仍有生命力
光电子封装正广泛应用于高速数据传送盛行的电信和网络领域。
普通板级光电子器件是“蝴蝶形”模块。
这些器件的典型引线从封装四边伸出并水平扩展。
其组装方法与通孔元器件相同,通常采用手工工艺—-引线经引线成型压力工具处理并插入印板通路孔贯穿基板。
处理这类器件的主要问题是,在引线成型工艺期间可能发生的引线损坏。
由于这类封装都很昂贵,必须小心处理,以免引线被成型操作损坏或引线-器件体连接口处模块封装断裂。
归根结底,把光电子元器件结合到标准SMT产品中的最佳解决方案是采用自动设备,这样从盘中取出元器件,放在引线成型工具上,之后再把带引线的器件从成型机上取出,最后把模块放在印板上。
鉴于这种选择要求相当大资本的设备投资,大多数公司还会继续选择手工组装工艺。
大尺寸印板(20×
24″)在许多制造领域也很普遍(图3)。
诸如机顶盒和路由/开关印板一类的产品都相当复杂,包含了本文讨论的各种技术的混合,举例来说,在这一类印板上,常常可以见到大至40mm2的大型陶瓷栅阵列(CCGA)和BGA器件。
这类器件的两个主要问题是大型散热和热引起的翘曲效应。
这些元器件能起大散热片的作用,引起封装表面下非均匀的加热,由于炉子的热控制和加热曲线控制,可能导致器件中心附近不润湿的焊接连接。
在处理期间由热引起的器件和印板的翘曲,会导致如部件与施加到印板上的焊膏分离这样的“不润湿现象”。
因此,当测绘这些印板的加热曲线时必须小心,以确保BGA/CCGA的表面和整个印板的表面得到均匀的加热。
印板翘曲因素
为避免印板过度下弯,在再流炉里适当地支撑印板是很重要的。
印板翘曲是电路组装中必须注意观察的要素,并应严格进行特微描述。
再流周期中由热引起的BGA或基板的翘曲会导致焊料空穴,并把大量残留应力留在焊料连接上,造成早期故障。
采用莫尔条纹投影影像系统很容易描述这类翘曲,该系统可以在线或脱机操作,用于描述预处理封装和印板翘曲的特微。
脱机系统通过炉内设置的为器件和印板绘制的基于时间/温度座标的翘曲图形,也能模拟再流环境。
无铅焊接
无铅焊接是另一项新技术,许多公司已经开始采用。
这项技术始于欧盟和日本工业界,起初是为了在进行PCB组装时从焊料中取消铅成份。
实现这一技术的日期一直在变化,起初提出在2004年实现,最近提出的日期是在2006年实现。
不过,许多公司现正争取在2004年拥有这项技术,有些公司现在已经提供了无铅产品。
现在市场上已有许多无铅焊料合金,而美国和欧洲最通用的一种合金成份是95.6Sn∕3.7Ag∕0.7Cu。
处理这些焊料合金与处理标准Sn/Pb焊料相比较并无多大差别。
其中的印刷和贴装工艺是相同的,主要差别在于再流工艺,也就是说,对于大多数无铅焊料必须采用较高的液相温度。
Sn∕Ag∕Cu合金一般要求峰值温度比Sn/Pb焊料高大约30℃。
另外,初步研究已经表明,其再流工艺窗口比标准Sn/Pb合金要严格得多。
对于小型无源元件来说,减少表面能同样也可以减少直立和桥接缺陷的数量,特别是对于0402和0201尺寸的封装。
总之,无铅组装的可靠性说明,它完全比得上Sn/Pb焊料,不过高温环境除外,例如在汽车应用中操作温度可能会超过150℃。
倒装片
当把当前先进技术集成到标准SMT组件中时,技术遇到的困难最大。
在一级封装组件应用中,倒装片广泛用于BGA和CSP,尽管BGA和CSP已经采用了引线-框架技术。
在板级组装中,采用倒装片可以带来许多优点,包括组件尺寸减小、性能提高和成本下降。
令人遗憾的是,采用倒装片技术要求制造商增加投资,以使机器升级,增加专用设备用于倒装片工艺。
这些设备包括能够满足倒装片的较高精度要求的贴装系统和下填充滴涂系统。
送饣拱╔射线和声像系统,用于进行再流焊后焊接检测和下填充后空穴分析。
焊盘设计,包括形状、大小和掩膜限定,对于可制造性和可测试性(DFM/T)以及满足成本方面的要求都是至关重要的。
板上倒装片(FCOB)主要用于以小型化为关键的产品中,如蓝牙模块组件或医疗器械应用。
图4所展示的就是一个蓝牙模块印板,其中以与0201无源元件同样的封装集成了倒装片技术。
组装了倒装片和0201器件的同样的高速贴装和处理也可围绕封装的四周放置焊料球。
SMT生产中的静电防护技术
在电子产品制造中,静电放电往往会损伤器件,甚至使器件失效,造成严重损失,因此SMT生产中的静电防护非常重要。
本刊分别邀请北京、上海的两位专家撰文介绍与分析电子产品制造中的静电产生源及静电防护原理,较详细地介绍了SMT生产中的一些静电防护技术基础与相应措施。
供大家参考。
1.静电和静电的危害
静电是一种电能,它存留于物体表面,是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果,是通过电子或离子的转换而形成的。
静电现象是电荷在产生和消失过程中产生的电现象的总称。
如摩擦起电、人体起电等现象。
随着科技发展,静电现象已在静电喷涂、静电纺织、静电分选、静电成像等领域得到广泛的有效应用。
但在另一方面,静电的产生在许多领域会带来重大危害和损失。
例如在第一个阿波罗载人宇宙飞船中,由于静电放电导致爆炸,使三名宇航员丧生;
在火药制造过程中由于静电放电(ESD),造成爆炸伤亡的事故时有发生。
在电子工业中,随着集成度越来越高,集成电路的内绝缘层越来越薄,互连导线宽度与间距越来越小,例如CMOS器件绝缘层的典型厚度约为0.1μm,其相应耐击穿电压在80-100V;
VMOS器件的绝缘层更薄,击穿电压在30V。
而在电子产品制造中以及运输、存储等过程中所产生的静电电压远远超过MOS器件的击穿电压,往往会使器件产生硬击穿或软击穿(器件局部损伤)现象,使其失效或严重影响产品的可靠性。
为了控制和消除ESD,美国、西欧和日本等发达国家均制定了国家、军用和企业标准或规定。
从静电敏感元器件的设计、制造、购买、入库、检验、仓储、装配、调试、半成品与成品的包装、运输等均有相应规定,对静电防护器材的制造使用和管理也有较严格的规章制度要求。
我国也参照国际标准制定了军用和企业标准。
例如有航天部、机电部、石油部等标准。
2.静电敏感器件(SSD)
对静电反应敏感的器件称为静电敏感元器件(SSD)。
静电敏感器件主要是指超大规模集成电路,特别是金属化膜半导体(MOS电路)。
表1为静电敏感器件的分级表。
可根据SSD分级表,针对不同的SSD器件,采取不同的静电防护措施。
3.电子产品制造中的静电源
(1)人体的活动,人与衣服、鞋、袜等物体之间的摩擦、接触和分离等产生的静电是电子产品制造中主要静电源之一。
人体静电是导致器件产生硬(软)击穿的主要原因。
人体活动产生的静电电压约0.5-2KV。
另外空气湿度对静电电压影响很大,若在干燥环境中还要上升1个数量级。
表2为相对湿度对与人体活动带电的关系。
人体带电后触摸到地线,会产生放电现象,人体就会产生不同程度的电击感反应,其反应的程度称为电击感度。
表3为不同静电压放电过程中人体的电击感度。
(2)化纤或棉制工作服与工作台面、坐椅摩擦时,可在服装表面产生6000V以上的静电电压,并使人体带电,此时与器件接触时,会导致放电,容易损坏器件。
(3)橡胶或塑料鞋底的绝缘电阻高达1013Ω,当与地面摩擦时产生静电,并使人体带电。
(4)树脂、漆膜、塑料膜封装的器件放人包装中运输时,器件表面与包装材料摩擦能产生几百伏的静电电压,对敏感器件放电。
(5)用PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PS(聚内乙烯)、PVR(聚胺脂)、PVC和聚脂、树脂等高分子材料制作的各种包装、料盒、周转箱、PCB架等都可能因摩擦、冲击产生1-3.5KV静电电压,对敏感藉件放电。
(6)普通工作台面,受到摩擦产生静电。
(7)混凝土、打腊抛光地板、橡胶板等绝缘地面的绝缘电阻高,人体上的静电荷不易泄漏。
(8)电子生产设备和工具方面:
例如电烙铁、波峰焊机、再流焊炉、贴装机、调试和检测等设备内的高压变压器、交/盲流电路都会在设备卜感应出静电。
如果设备静电泄放措施不好,都会引起敏感器件在制造过程中失效。
烘箱内热空气循环流动与箱体摩擦、CO2低温箱冷却箱内的CO2蒸汽均会可产生大量的静电荷。
4.静电防护原理
电子产品制造中,不产生静电是不可能的。
产生静电不是危害所在,其危害所在于静电积聚以及由此产生的静电放电。
静电防护的核心是“静心消除”。
静电防护原理:
(1)对可能产生静电的地方要防止静电积聚。
采取措施在安全范围内。
(2)对已经存在的静电积聚迅速消除掉,即时释放。
5.静电防护方法
(1)使用防静电材料:
金属是导体,因导体的漏放电流大,会损坏器件。
另外由于绝缘材料容易产生摩擦起电,因此不能采用金属和绝缘材料作防静电材料。
而是采用表面电阻l×
105Ω·
cm以下的所谓静电导体,以及表面电阻1×
105-1×
108Ω·
cm的静电亚导体作为防静电材料。
例如常用的静电防护材料是在橡胶中混入导电碳黑来实现的,将表面电阻控制在1×
106Ω·
cm以下。
(2)泄漏与接地:
对可能产生或已经产生静电的部位进行接地,提供静电释放通道。
采用埋大地线的方法建立“独立”地线。
使地线与大地之间的电阻<10Ω。
(参见GBJl79或SJ/T10694—1996)
静电防护材料接地方法:
将静电防护材料(如于作台面垫、地垫、防静电腕带等)通过1MΩ的电阻接到通向独立大地线的导体上(参见SJ/T10630-1995)。
串接1MΩ电阻是为了确保对地泄放<5mA的电流,称为软接地。
设备外壳和静电屏蔽罩通常是直接接地,称为硬接地。
IPC-A-610C标准中推荐的防静电工作台接地方法如图1。
(3)导体带静电的消除:
导体上的静电可以用接地的方法使静电泄漏到大地。
放电体卜的电压与释放时间可用下式表示:
UT=U0L1/RC
式中UT-T时刻的电压(V)U0一起始电压(V)R-等效电阻(Ω)C-导体等效电容(pf)
一般要求在1秒内将静电泄漏。
即1秒内将电压降至1OOV以下的安全区。
这样可以防止泄漏速度过快、泄漏电流过大对SSD造成损坏。
若U0=500V,C=200pf,想在1秒内使UT达到100V,则要求R=1.28×
109Ω。
因此静电防护系统中通常用1MΩ的限流电阻,将泄放电流限制在5mA以下。
这是为操作安全设计的。
如果操作人员在静电防护系统中,不小心触及到220V工业电压,也不会带来危险。
(4)非导体带静电的消除:
对于绝缘体上的静电,由于电荷不能在绝缘体上流动,因此不能用接地的方法消除静电。
可采用以下措施:
(a)使用离子风机—离子风机产生正、负离子,可以中和静电源的静电。
可设置在空间和贴装机贴片头附近。
(b)使用静电消除剂—静电消除剂属于表面活性剂。
可用静电消除剂檫洗仪器和物体表面,能迅速消除物体表面的静电。
(c)控制环境湿度—增加湿度可提高非导体材料的表面电导率,使物体表面不易积聚静电。
例如北方干燥环境可采取加湿通风的措施。
(d)采用静电屏蔽—对易产生静电的设备可采用屏蔽罩(笼),并将屏蔽罩(笼)有效接地。
(5)工艺控制法:
为了在电子产品制造中尽量少的产生静电,控制静电荷积聚,对已经存在的静电积聚迅速消除掉,即时释放,应从厂房设计、设备安装、操作、管理制度等方面采取有效措施。
6.静电防护器材
(1)人体防静电系统包括防静电腕带、工作服、帽、手套、鞋、袜等
(2)防静电地面包括防静电水磨石地面、防静电橡胶地面、PVC防静电塑料地板、防静电地毯、防静电活动地板等。
(3)防静电操作系列:
包括防静电:
I:
作台垫、防静电包装袋、防静电物流小车、防静电烙铁及工具等。
7.静电测量仪器.
(1)静电场测试仪:
用于测量台面、地面等表面电阻值。
平面结构场合和非平面场合要选择不同规格的测量仪。
(2)腕带测试仪:
测量腕带是否有效。
(3)人体静电测试仪:
用于测量人体携带的静电量,人体双脚之间的阻抗,测量人体之间的静电差,腕带、接地插头、工作服等是否阻护有效。
还可以作为入门放电,把人体静电隔在车间之外。
(4)兆欧表:
用于测量所有导电型、抗静电型及静电泄放型表面的阻抗或电阻。
8.电子产品制造中防静电技术指标要求
(1)防静电地极接地电阻<10Ω。
(2)地面或地垫:
表面电阻值105-1010Ω;
摩擦电压<100V。
(3)墙壁:
电阻值5×
104-109Ω。
(4)工作台面或垫:
表
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