大批量生产环境中无铅实现对测试的影响

测试设备作用的发展

　　变化引来关注，任何新工艺都会带来许多未知的东西，甚至会让人大吃一惊。

　　测试设备的传统角色是发现缺陷，其作用一直发挥得很好，而且将继续被用来防止有缺陷的电路板出厂。更好地了解无铅或锡铅工艺的缺陷分布，将使测试／检验编程人员能够做到抓住重点，在新产品导入(NPl)阶段尤其是这样，它有助于更快地向市场上推出产品。人工视觉检测(MVl)、回流焊后自动光学检测(A01)、自动X射线检测(AXl)、在线测试(1CT)和功能测试都有助于发现缺陷。

　　最近的发展趋势是测试设备正转向预防缺陷。有人可能会认为，统计过程控制(SPC)和Ishikawa图等技术并不是新生事物，在这个尖端领域，人机交互和正确的软件工具才是发展的主流。焊接步进检测(SPI，Solder Pastelnspection)刚刚开始应用于前端工序，预先反馈还没有被广泛应用。AOI和AXI等成像设备为查看这些新工艺的影响提供了宝贵的信息，它们的作用是作为比较和制造反馈的数据点。如果要采取任何行动或措施，必需收集有关整个工艺能力的数据。

　　从锡铅工艺到无铅工艺的切换，测试将发挥更大作用。本文并非要解决所有问题，而是突出介绍了人们关注的那一部分；它考察了两个几乎完全相同的产品，一个是使用锡铅工艺制造的，而另一个则是使用无铅工艺制造的。把类似产品从锡铅切换到无铅时，测试设备应用还有许多问题有待研究，高度复杂的电路板将给切换带来更多的挑战。

　　然而．与传统锡铅工艺相比，人们对无铅工艺的测试知之甚少。本文试图:

　　1．考察大批量生产环境中无铅和锡铅PCBA的缺陷谱；
　　2．尽可能建立缺陷谱与元器件封装类型及缺陷原因的关系；
　　3．明确与无铅测试有关的测试和检测需求，如AXL。
　　这些信息将协助PCBA制造商实现从传统工艺到无钳工艺的切换。

制造环境和电路板特性

　　在大批量生产环境中，未知故障的成本影响明显要大得多。本次研究选择的两种电路板都是高端消费品，是在多批量少品种制造环境中的多条生产线中生产的。

　　在封装类型、SMT工艺流程和测试要求方面，这两块电路板大体相同。拼板上的元器件数量和焊点数量也大体相同，无铅电路板采用95.5Sn3.5Ag0.5Cu合金焊膏，锡铅电路板则采用63Sn37Pb合金焊膏，这两块电路板都是双面PCBA，表面处理方式都是OSP。图1是两块电路板拼板方式，表1提供了电路板上元器件的封装比较。

图1：无铅拼板和锡铅拼板图片

表1：元器件封装比较(电路板极)

工艺流程和测试设备

　　无铅和锡铅电路板的制造流程都是一种典型的多品种少批量电路板所采用的双面PCBA工艺，它先加工电路板底面，再加工顶面。图2是简化的工艺流程图。这两种电路板使用相同的SMT设备进行印锡、贴片和回流，都不需要波峰焊工艺，它们除使用的焊膏合金不同外，所使用的回流焊温度曲线也不同，如表2所示。

表2：无铅电路板和锡铅电路板的回流焊温度曲线设置

图2：无铅电路板和锡铅电路板的工艺流程图

　　有四个主要测试环节，即底面回流焊后AOI，顶面回流焊后A01，AXI和功能测试。AOI设备来自不同的厂商，为保证测试流程一致，增加了AXll00％全验，客户提供了功能测试装备，还有正常流程的抽样和人工目检。表3说明了所有测试环节的测试时间(未进行优化)。

表3：拼板和测试时间信息

不同测试环节的缺陷谱分析

　　由于人工目检结果的主观性，试验中不包括目检数据，另外也没有包括与焊接工艺无关的一些缺陷类型，如方向错误、元器件损坏和元器件翻转。所有图表中的缺陷都以每百万分之缺陷数(DPPM)计，其定义如下：

回流焊后ＡＯＩ缺陷谱(底面和顶面)

(a)

(b)

第一个测试环节是AOl。缺陷谱上有大量的器件立碑(tombstonedcomponents)，大多数发生立碑缺陷的片式元件封装是0402，而不是0603，器件立碑的另一个原因是无铅合金的特性，其具有“弹性”高、表面张力低及润湿性能差等特点。通过与元器件厂商合作，解决了立碑问题。图4是AOl缺陷实例。 [p]

图4：AOI捕获的无铅缺陷照片

自动X射线检测的缺陷谱

　　检测的下一个环节是X射线机。缺陷谱如图5所示，其中无铅电路板具有更高的开路缺陷比率。在无铅电路板和锡铅电路板中都看到了开路缺陷，因此缺陷谱没有明显变化。无铅电路板中的开路缺陷略微提高，可能是由于空洞 产生，发现的缺陷明确表明了这一点。图．6提供了部分无铅缺陷焊点的X射线图像。

图5：自动X射线检测的缺陷谱

图6：X射线捕获的无铅缺陷焊点照片

　　切换到无铅工艺时，焊点尤其是BGA焊点中的空洞明显大幅提高的情况非常典型。无铅回流曲线温度越高，大块焊料中发生气体逃逸的概率就越高，如在BGA焊球中。但是，测试结果没有表明无铅电路板中存在更加明显的空洞缺陷，这可能是由于板上BGA封装尺寸较小和无铅电路板的加工数量较多。

　　无铅工艺另一个可能的缺陷症状是，电镀通孔器件(PTH)的孔壁润湿不足，填充不够，焊料润湿填充孔内的情况达不到通孔器件焊接的填充要求，如IPC或内部质量规范的要求。由于这些电路板上没有PTH器件，因此我们不能明确是否会因为由于无铅而导致缺陷的提高。

功能测试的缺陷谱

图7：功能测试的缺陷谱

　　电气性能测试策略有功能测试和ICT。这些产品不要求ICT，ICT需要考察的是探针测试效率和测试焊盘／过孔的可靠性。

　　功能测试环节最高的缺陷类型是元器件失效，这和切换无铅工艺无关。电路开路与裸基板有关。功能测试环节还检测到前面测试环节未发现的连锡和短路缺陷。

全流程整个测试线路的缺陷谱

　　在考察各个测试环节后，最好从全流程考察整个缺陷谱，如下面的图8所示，它由数千个电路板加工的缺陷数据组成。在无铅工艺中，立碑明显是最大的缺陷。缺陷谱可能会变化，因为它取决于许多因素，如电路板复杂程度和不同SMT工艺流程。

图8：金流程的整个缺陷谱(不包括AXI)

无铅工艺的测试和检测设备

　　在切换无铅工艺时，需要重新考察现有测试设备的部分性能参数。本文将以X射线系统为参考考察部分参数。

测量变化

　　其中一个基本问题是在从锡铅焊料切换无铅焊料时，是否会有任何测量变化。下面的图9提供了不同封装焊点的X射线图像，包括无铅焊点及等量的锡铅焊点。可以看出，肉眼看到的差异并不明显。

图9：无铅焊点与锡点不同X射线图像比较

　　在X射线测试中，焊点在检波板投射了不同灰度的“阴影”。这些灰度等级通过查表方式转换成与相应焊点相匹配的焊料厚度。无铅合金生成的焊点灰度要浅，导致厚度测量结果的降低。因此，为保证测试结果正确性，需要创建新的无铅查表以代替普通的锡铅查表。

表4：使用不同查表的无铅焊点的测量差异

　　上面的表4说明了采用两种不同查表的两类无铅焊点(翼型和BGA)的测量值差异，其差异范围在16～21％之间。因此，为了获得正确的测量数据，必须使用正确的查表类型。

焊点形状变化

　　3DX射线能够检测焊点形状的任何变化，提供了可供比较的数据。焊点外形可表现焊点形状的变化，这可从收集到的灰度值数据推断得出。考察的三类器件类型焊点是BGA、翼型引脚器件和片式电阻元户。

图10：BGA焊点外形

　　图10显示了BGA焊点外形(蓝色)，它从X射线图像中的球直径推导得出。它定义了搜索区域(黄色)，其内部的灰度值绘制为焊点外形，这可以用于不同的球切片高度。在任何不同切片上，未发现无铅BGA和锡铅BGA在外形上发生了任何变化。 [p]

图11：翼型焊点外型

　　图11说明了无铅和锡铅的翼型焊点外形。这可以看作“坐在”焊盘上的引线框架的侧面剖面图。这两类焊点都有很好的脚跟、中心和脚趾信息。但是，观察到的一个结果是无铅焊点的中心一般要更高，总焊缝长度要短于锡铅焊接；安捷伦还参与了其它研究，表明焊点外形变化很大。在切换无铅工艺时，业内面临的两难境地是为可以接受的焊点与不可接受的焊点确定新的判定标准。

图12：片式元件焊点外形

　　图12说明了片式电阻元件焊点外形。与翼型焊点类似，它们可视为“坐在”焊盘上的片式元件的侧面剖面图。焊点外形的蓝色部分说明了芯吸到器件焊端上的焊料量，无铅工艺的焊料芯吸现象似乎不如锡铅工艺明显，这说明了从锡铅工艺切换无铅工艺时需要进行变化。

阈值变化

　　最后，不同的缺陷算法将利用测量得到的数据进行测试合格／不合格判定处理。缺陷算法的例子包括短路、开路、焊料不足和偏位。在每种缺陷算法中，将有许多阈值用来判定合格和不合格标准。在新的无铅工艺下，必需考察这些阈值是否需要变化。我们选择了三个阈值进行讨论，即翼型开路值、BGA直径不足和片阻开路值。

　　简单地说，开路值是指两个区域(或感兴趣的区域R01)之间的焊点“强度”差。例如，对于翼型封装焊点，两个区域是焊点的脚跟和中心。对良好的焊点开路值很大，对不良的焊点则非常低(如果不是负值)。参见下面的图13。

图13：开路值定义(感光趣的区域)

　　正确设置阈值的方式是采用正确的方法指定感兴趣的区域，标出所有读数，确定合格/不合格标准，这将保证正确的测试覆盖，同时保持最低的误报率。下面是相应阈值的图表。

图14：翼型开路值的阈值设置

　　上面的图14是翼型开路值阈值的两个图。横轴表示要测试的所有翼型焊点，纵轴是计算得出的每个焊点开路值的测量结果。对于锡铅电路板，最小开路值设为0．5，也就是说，开路值小于于0．5的任何焊点将被视为失效。无铅电路板也可以使用相同的阈值，因此不需改变阈值设置。

　　可以看到，无铅焊点的开路值的平均值要低于锡铅焊点。其原因可能与前面讨论过的焊点形状变化中解释的原因相同。如果锡铅工艺的阈值设得很“紧”，或没有正确绘制图表，或者有许多SMT工艺变化，那么切换无铅工艺时，可能会有许多缺陷误报。

图15：片式电阻元件开路值的阈值设置

　　图15说明了片式电阻元件开路值的阈值图。图中的横轴表示所有电阻引脚，纵轴是相应的开路值。电阻开路值与翼型开路值类似，但有一点例外，它们的感兴趣区域不同。从这些图表可看出：锡铅焊点的原始阈值1．0可用于无铅电路板小于1．0的所有测量都被视为失败，另外无铅的平均开路值低于锡铅，一个可能的原因是在无铅电路板上的片式电阻焊点的焊垫更高。

图16：BGA焊点直径不足的阈值设置

　　在图16中，两个图的横轴表示BGA焊球，纵轴表示系统测量的相应直径。直径不足的阈值可设定为相应平均直径的下限，其单位是与平均直径的百分比。因此，锡铅的阈值仍适用于无铅电路板。

　　从以上研究的三个阈值测量实例中可以看出：如果正确设置初始阈值，那就不需要对算法阈值进行重新调整。这样的好处之一就是公司内大量的质量标准在切换无铅时仍然适用.但是，如果没有针对生产变化很好地调整锡铅工艺初始阈值，那么切换无铅后，缺陷误报比率可能会提高。