大批量生产环境中无铅实现对测试的影响

笔记：印制电路板组件PCBA制造业一直面临着法令要求采用无铅技术的挑战，如Rolls法令(限制使用有害物质法令)和WEEE法令(报废电气和电子设备法令)。封装特性，焊膏合金选择标准．回流炉设置。波峰焊参数，以及许多其它SMT工艺．在要求上都有了很大的发展．以支持无铅技术。
　　

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。

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。