SMT产线智能检测技术,把控产品质量的第一道防线

随着SMT设备的精密度和稳定性的日趋成熟,行业发展关键逐渐聚焦于制造工艺与测试环节。与此同时,消费电子市场竞争的白热化,对电子元器件产品质量也提出了新的要求,在生产过程中就需要采用各类测试技术进行检测,以便及时发现缺陷和故障并进行修复。例如针对数字电路的测试部分需要芯片的库程序开发,芯片和芯片之间的链路测试,逻辑电路的向量测试,针对5G通讯背板、高端服务器、汽车电子、新能源IGBT等产品可靠性更高的要求,需要断层扫描,CT技术对多层Press Fit焊锡填充率,BGA焊接枕头效应,MOS FET焊接的气泡量检测等。

根据测试方式的不同,SMT测试技术分为非接触式测试和接触式测试。非接触式测试已从人工目测发展到自动光学检查(AOI)和自动射线检测(AXI),而接触式测试则可分为在线测试和功能测试两大类。


SMT产线主要检测技术介绍
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(Automatic Optical Inspection)技术引入到SMT生产线的测试领域是应对之举。AOI不但可对焊接质量进行检验,还可对光板、焊膏印制质量、贴片质量等进行检查。各工序AOI的出现几乎完全替代了人工操作,这对提高产品质量和生产效率都是大有作为的。

目前的AOI检测采用了计算机技术、高速图像处理和识别技术、自动控制技术、精密机械技术和光学技术整合形成的一种检测技术。AOI通过摄像头自动扫描PCB,采集图像,检测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:缺件、错件、坏件、锡球、偏移、侧立、立碑、反贴、极反、桥连、虚焊、无焊锡、 少焊锡、多焊锡、组件浮起、IC引脚浮起、IC引脚弯曲,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。

例如神州视觉高速在线式AOI ALD7720S配备智能数字相机及新一代光源系统,图像更细腻检测速度更快,比上一代产品将快40%,有效对应国际高速生产线的需求,为了解决异形板无法精确到达装载位置问题,该产品还配备了用户任意设置装载位置功能,使用更灵活便捷。

但AOI系统不能检测电路的错误,对不可见焊的检测也无能为力。而AXI(Automated X-Ray Inspection)自动X射线检测作为一种新型测试技术,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,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检测最大特点能穿透物体表面的性能,透视被检焊点内部,能对封装器件下面的焊点缺陷,如桥接、开路、焊球丢失、移位、钎料不足、空洞、焊球和焊点边缘模糊等内部进行检测,从而达到检测和分析电子组件各种常见的焊点的焊接品质。

目前AXI技术已从2D检验法发展到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。
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电气测试使用的最基本仪器是在线测试仪(ICT),传统的在线测试仪测量时使用的是专门的针床与已焊接好的线路板上的元器件接触,并用数百毫伏电压和10毫安以内电流对其进行分立隔离管、三极管、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。并将故障出现在哪个元件或开、短路位于哪个点准确地告诉用户。针床式在线测试仪的优点是测试速度快,适合于单一品种的民用型家电产品线路板的大规模生产测试,而且主机价格较便宜。但是随着线路板组装密度的提高,特别是细间距SMT组装以及新产品开发生产周期越来越短,线路板品种越来越多,从而针床式在线测试仪存在一些难以克服的问题。由于测试用针床夹具有制作、调试周期长,价格贵;因此对于一些高密度SMT线路板来说,由于测试精度的问题而往往无法进行测试。

飞针式测试仪是对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个头共8根测试探针,最小测试间隙为0.2mm。工作时根据预先编排的坐标位置程序移动测试探针对测试点,各测试探针根据测试程序对装配的元器件进行开路/短路或元件测试。与针床式在线测试仪相比,在测试精度、最小测试试间隙等方面均有较大幅度的提高,并且无需制作专门的针床夹具,测试程序可直接由线路板的CAD软件得到,但测试速度相对较慢是其不足之处。

世迈腾科技研发生产的A4飞针测试仪是用于测试已经装配好元器件的印刷电路板,可测试电阻器,电容器,电感器二极管等,电路板由输送机从左向右输送,也可以装载手动。设备配备4个飞行测试针,通过滚珠丝杠移动测试飞针,滚珠丝杠由花岗石支撑,重型铸铁机器底座,确保机器的精度。可和MES做集成,上传用户指定数据到系统。

ICT能够有效地查找在SMT组装过程中发生的各种缺陷和故障,但它不能评估整个线路板所组成的系统在时钟速度时的性能。而功能测试(Functional Tester)就可以测试整个系统是否能够实现设计目标,它将线路板上的补测单元作为一个功能体,并对其提供输入信号并按照功能体的设计要求检测输出信号。这种测试是为了确保线路板能够按照设计要求正常工作。所以功能测试最简单的方法是将组装好的某电上,然后加电压。如果设备工作正常,就表明线路板合格。


融合互检,把控产品质量的第一道“红线”
在电子组装行业,单一的工艺测试设备(AOI、AXI、ICT)在测试的诸多方面会遇到了不同挑战,如微型化(高密集度)PCBA给ICT夹具制造带来较大冲击,AOI设备的设计使其无法检测到藏于组件下面的引脚或焊接状况,BGA器件的引脚全部排放在器件底部,特别是对于带金属屏蔽的BGA,对于无引出线的多层电路板的BGA,使得ICT力所不能及等。此外,AOI、AXI这两种设备的测试还受到来料变化、焊点形态变化等影响,最终都会影响其检出率,不能很好地满足要求。

所以很难界定哪些技术手段是组装业所必须的,而哪些是不需要的,每种测试技术的应用领域和测试手段都不尽相同,都有其测试的侧重点,主要是根据工厂实力和承受能力来实施。从近几年的发展趋势来看,测试技术方法选择的主要依据应该着眼于SMT产线组件和工艺的类型、故障概率谱和对产品可靠性的要求,使用两种或以上测试技术手段并用、互为补充乃是最佳途径。各种组装测试的效能统计比较数据如下图,充分说明了不能靠单一的测试技术手段。

工艺管控的关键点在SPI、AOI、AXI、ICT、FCT,通过这些监示与测量的数据统计分析来不断优化焊膏印刷、贴片、再流焊/波峰焊/手工焊的工艺细节参数,从而提升生产制造的效率、流水直通率,并且能达到较优的品质。组装生产线要实现柔性化,改变过去的单一品种大规模化生产方式,快速分解组合成多品种、小批量、可制造性的生产方式。贴装设备、焊接设备、测试仪器设备的工艺布局设置,应根据组装工艺制程和故障概率谱来设计。

AOI测试可以放在焊膏检查或者再流焊前的元件检查来实现缺陷预防,这样做能够改善工艺,全面提高SMT质量,降低保修成本;AXI测试放在焊接完全完成之后,以焊点质量检查来实现焊接设备的工艺参数控制,预防焊接缺陷;FCT测试放置在终检之前,焊接性能检测之后,以完成电气性能测试,会大幅降低交付顾客的产品质量不良率。