SMT第8章表面组装检测工艺

第8章表面组装检测工艺机械工业出版社同名教材何丽梅主编表面组装检测工艺内容包括组装前来料检测、组装工艺过程检测（工序检测）和组装后的组件检测三大类，检测项目与过程如图8-1所示。检测方法主要有目视检验、自动光学检测（AOI）、自动X射线检测（X-Ray或AXI）、超声波检测、在线检测（ICT）和功能检测（FCT）等。具体采用哪一种方法，应根据SMT生产线的具体条件以及表面组装组件的组装密度而定。表面组装检测项目与过程8.1来料检测来料检测的对象主要有PCB、元器件和焊膏。PCB的质量检测包括：PCB尺寸测量，外观缺陷检测和破坏性检测，应根据生产实际确定检测项目，其中应特别注意PCB的边缘尺寸是否符合漏印的边对准精度要求；阻焊膜是否流到焊盘上；阻焊膜与焊盘的对准如何。还要注意焊盘图形尺寸是否符合要求。元器件的检测：引线共面性、可焊性和片式元件的制造工艺。焊锡膏的检测：焊锡膏的金属百分比、粘度、粉末氧化均量，焊锡的金属污染量，助焊剂的活性、浓度，粘结剂的黏性等。8.2.1目视检验目视检验简便直观，是检验评定焊点外观质量的主要方法。目检是借助带照明、放大倍数2～5倍的放大镜，用肉眼观察检验印刷、贴片及SMA焊点质量。目视检查可以对单个焊点缺陷乃至线路异常及元器件劣化等同时进行检查，是采用最广泛的一种非破坏性检查方法。但对空隙等焊接内部缺陷无法发现，因此很难进行定量评价。目视检查的速度和精度同检查人员对焊接有关知识和识别能力有关。该方法优点是简单、成本低；缺点是效率低、漏检率高，还与操作人员的经验和认真程度有关。但无论具备什么检测条件，目视检验是基本检测方法，是SMT工艺和检验人员必须掌握的内容之一。1.印刷工艺目视检验标准焊锡膏印刷质量要执行标准SJ/T10670-1995中6.1.1.2的规定。一般要求焊锡膏印刷要与焊盘图形重合，并呈立方体；焊盘上至少有75%的面积有焊锡膏，焊锡膏超出焊盘，不应大于焊盘尺寸的10%。2.贴装工艺目视检验标准元器件贴装位置精度要求执行标准SJ/T10670-1995中6.3.1的规定。元器件电极应与相应焊盘对准，片式元件焊端宽度至少有一半或一半以上处于焊盘上，器件引脚应全部处于焊盘上。理想状况可判为合格不合格3.再流焊工艺目视检验标准由于诸多因素的影响，SMA经再流焊后，有可能出现桥接、短路等缺陷，影响SMA的性能和可靠性，所以在焊接后，应对SMA进行全检，焊点质量的评定执行SJ/T10666-1995标准的规定。一般要求在焊盘上形成完整、均匀、连续的焊点，接触角不大于90°，焊料量适中，焊点表面圆滑，元器件焊端或引脚在焊盘上的位置偏差应在规定范围内。8.2.2自动光学检测（AOI）SMT电路的小型化和高密度化，使检验的工作量越来越大，依靠人工目视检验的难度越来越高，判断标准也不能完全一致。目前，生产厂家在大批量生产过程中检测SMT电路板的焊接质量，广泛使用自动光学检测（AOI）或自动X射线检测（X-Ray）。自动光学检测（AOI）主要用于工序检验；包括焊膏印刷质量、贴装质量以及再流焊炉后质量检验。1．A0I分类AOI中文含义为自动光学检测，可泛指自动光学检测技术或自动光学检查设备。AOI设备一般可分为在线式（在生产线中）和桌面式两大类。（1）根据在生产线上的位置不同，AOI设备通常可分为三种。①放在焊锡膏印刷之后的AOI。可以用来检测焊锡膏印刷的形状、面积以及焊锡膏的厚度。②放在贴片机后的AOI。可以发现元器件的贴装缺漏、种类错误、外形损伤、极性方向错误，包括引脚（焊端）与焊盘上焊锡膏的相对位置。③放在再流焊后的AOI。可以检查焊接品质，发现有缺陷的焊点。AOI在生产线中不同位置的检测示意图最常见的检测位置（2）根据摄像机位置的不同，AOI设备可分为垂直式相机和倾斜式相机的AOI。（3）根据AOI使用光源情况的不同可分为两种：①使用彩色镜头的机器，光源一般使用红、绿、蓝三色，计算机处理的是色比；②使用黑白镜头的机器，光源一般使用单色，计算机处理的是灰度比。2．A0I的工作原理AOI基本有设计规则检测（DRC）和图形识别两种方法。AOI通过光源对PCB板进行照射，用光学镜头将PCB的反射光采集进计算机，通过计算机软件对包含PCB信息的色彩差异或灰度比进行分析处理，从而判断PCB板上焊锡膏印刷、元件放置、焊点焊接质量等情况，可以完成的检查项目一般包括元器件缺漏检查、元器件识别、SMD方向检查、焊点检查、引线检查、反接检查等。在记录缺陷类型和特征的同时通过显示器把缺陷显示/标示出来，向操作者发出信号，或者触发执行机构自动取下不良部件送回返修系统。AOI的工作原理模型彩色摄像机成像原理：焊点处成光滑平面，大量的红光和绿光照射在焊点的斜坡面上被反射出去，而蓝光照射在斜面上，经斜面反射刚好进入摄像头，所以在显示器上焊点呈现蓝色。元件本体比较粗糙，红绿蓝三色照射在上面产生漫反射，由于红绿蓝三色叠加组合成白光，所以相当于白光照射在元件本体上，故元件本体呈黄白色。彩色摄像机成像原理示意图8.2.3自动X射线检测（X-ray）AOI系统的不足之处是只能进行图形的直观检验，检测的效果依赖光学系统的分辨率，它不能检测不可见的焊点和元器件，也不能从电性能上定量地进行测试。X-Ray检测是利用X射线可穿透物质并在物质中有衰减的特性来发现缺陷，主要检测焊点内部缺陷，如BGA、CSP和FC中Chip的焊点检测。尤其对BGA组件的焊点检查，作用无可替代，但对错件的情况不能判别。1.X-ray检测工作原理X射线透视图可以显示焊点厚度、形状及质量的密度分布；能充分反映出焊点的焊接质量，包括开路、短路、孔、洞、内部气泡以及锡量不足，并能做到定量分析。X-ray检测最大特点是能对BGA等部件的内部进行检测。当组装好的线路板（SMA）沿导轨进入机器内部后，位于线路板下方有一个X射线发射管，其发射的X射线穿过线路板后被置于上方的探测器（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，照射在焊点上的X射线被大量吸收，因此，与穿过其他材料的X射线相比，焊点呈现黑点产生良好图像，使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。2D检验法为透射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，其工作原理如图10-7所示。X射线发射管PCBCCD摄像机图像增强设备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等进行多层图像“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。8.3ICT在线测试ICT是英文InCircuitTester的简称，中文含义是“在线测试仪”。ICT可分为针床ICT和飞针ICT两种。飞针ICT基本只进行静态的测试，优点是不需制作夹具，程序开发时间短。针床式ICT可进行模拟器件功能和数字器件逻辑功能测试，故障覆盖率高；但对每种单板需制作专用的针床夹具，夹具制作和程序开发周期长。在SMT实际生产中，除了焊点质量不合格导致焊接缺陷以外，元器件极性贴错、元器件品种贴错、数值超过标称值允许的范围，也会导致产品缺陷，因此生产中不可避免的要通过ICT进行性能测试，检查出影响其性能的相关缺陷，并根据暴露出的问题及时调整生产工艺。8.3.1针床式在线测试仪1.针床式在线测试仪的功能与特点针床式在线测试仪是通过对在线元器件的电性能及电气连接进行测试来检查生产制造缺陷及元器件不良的一种标准测试手段。ICT使用专门的针床与已焊接好的线路板上的元器件焊点接触，并用数百mV电压和10mA以内电流进行分立隔离测试，从而精确地测量所装电阻、电感、电容、二极管、可控硅、场效应管、集成块等通用和特殊元器件的漏装、错装、参数值偏差、焊点连焊、线路板开、短路等故障，并将故障是哪个元件或开路位于哪个点准确告诉用户。由于ICT的测试速度快，并且相比AOI和AXI能够提供较为可靠的电性能测试，所以在一些大批量生产电子产品的企业中，成为了测试的主流设备。针床式在线测试仪的内部结构图8.3.2飞针式在线测试仪1.飞针测试系统的结构与功能飞针式测试仪是对传统针床在线测试仪的一种改进，它用探针来代替针床，在x－y机构上装有可分别高速移动的4～8根测试探针（飞针），最小测试间隙为0.2mm。工作时在测单元（UUT）通过皮带或者其他传送系统输送到测试机内，然后固定，测试仪的探针根据预先编排的坐标位置程序移动并接触测试焊盘（testpad）和通路孔（via），从而测试在测单元的单个元件，测试探针通过多路传输系统连接到驱动器（信号发生器、电源等）和传感器（数字万用表、频率计数器等）来测试UUT上的元件。飞针测试仪可以检查电阻器的电阻值、电容器的电容值、电感器的电感值、器件的极性，以及短路（桥接）和开路（断路）等参数。2.飞针测试仪的特点①较短的测试开发周期，系统接收到CAD文件后几小时内就可以开始生产，因此，原型电路板在装配后数小时即可测试。②较低的测试成本，不需要制作专门的测试夹具。③由于设定、编程和测试的简单与快速，一般技术装配人员就可以进行操作测试。④较高的测试精度，飞针在线测试的定位精度（10μm）和重复性（±10μm）以及尺寸极小的触点和间距，使测试系统可探测到针床夹具无法达到的PCB节点。与针床式在线测试仪相比，飞针式ICT在测试精度、最小测试间隙等方面均有较大幅度的提高。⑤飞针测试缺点：因为测试探针与通路孔和测试焊盘上的焊锡发生物理接触，可能会在焊锡上留下小凹坑。对于某些客户来说，这些小凹坑可能被认为是外观缺陷，造成拒绝接受；因为有时在没有测试焊盘的地方探针会接触到元件引脚，所以可能会检测不到松脱或焊接不良的元件引脚。⑥飞针测试时间过长是另一个不足，传统的针床测试探针数目有500～3000只，针床与PCB一次接触即可完成在线测试的全部要求，测试时间只要几十秒，针床一次接触所完成的测试，飞针需要许多次运动才能完成，时间显然要长的多。飞针测试仪要求操作员测试完一面，然后翻转再测试另一面，由此看出飞针测试并不能很好适应大批量生产的要求。3.飞针式在线测试仪的维护保养1）每天检查设备的清洁程度，特别是Y轴。应该使用真空吸尘器进行大型部件清洁，并使用酒精浸泡小型部件。不要使用压缩空气进行清洁，以避免将灰尘吹入设备内部而影响使用。2）周期性的检查过滤器状态。检查频率应根据设备使用的空气类型而定，空气含有杂质越多检查应越频繁，并偶尔更换过滤器。为评价过滤器工作状态，关闭开关并拧开外壳。过滤器应干燥并颜色一致。如有痕迹表示有油或水。如果污染痕迹比较明显，更换过滤器并检查气源。3）通过运行自检程序能够检查系统状态。从VIVA主窗口，点击SELFTEST图标启动该程序。将显示出左边的对话窗口。在这个窗口中，操作者可以设置不同的选项来检查设备。4）定期检查探针及探针座的磨损情况，将其更换后，必须执行校准程序。5）Y轴上出现油或其他液体痕迹，表示空气过滤器出现问题。应停止设备操作并联系设备维护人员。6）重要的计算机软件及数据应当有备份；不得在计算机内安装其他应用软件；使用外盘应进行杀毒，防止计算机被病毒感染，确保计算机与主机连线正确可靠。8.4功能测试（FCT）ICT能够有效地查找在组装过程中发生的各种缺陷和故障，但不能够评估整个SMA所组成的系统在时钟速度时的性能。功能测试就是测试整个系统是否能够实现设计目标。功能检测就是：将表面组装组件或表面组装组件上的被测单元作为一个功能体输入电信号，然后按照功能体的设计