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採用X射線視像解決PCBA測試問題

採用 X 射線視像解決 PCBA 測試問題 

缺陷覆蓋率之比較 

X 射線技術 

用 X 射線取代 ICT 

顯示不可見焊點 

避免過早失效 

印制板組件 (PCBA) 測試面臨著微封裝 (0402) 、“不可見”焊點 ( 如 BGA 、 CSP 和倒裝晶片組件 FCA) 、在電路測試 (ICT) 空間不斷縮小的挑戰。同時,隨著技術的發展,組裝與焊接的難度也日益增加;然而,你還必須在保持成本下降的同時,滿足客戶高品質、短交貨期的要求。 

希望寄托到結構制程測試方法 SPT(structural process test) 上。盡管如此,大多數 PCBA 製造商都設有專門的電氣測試工程部,進行 ICT 測試、功能測試 (FT) 和製造缺陷分析 (MDA) ,但很少在 SPT 研究、優化和使用上來做工作。

SPT ,如其名字所示,並不包括電氣測試。它是對回流焊或波峰焊所形成 ( 或將要形成 ) 焊點的結構完整性進行評估, PCBA 製造商常用的 SPT 技術包括: 

焊膏檢驗 ( 激光或光學方法 )

人工視覺檢驗

自動光學檢驗 (AOI)

2D 或透射 (transmissive)X 射線

3D 或斷層 X 射線

PCBA 工廠中最為普遍的方法毫無疑問是人工視覺檢驗。但無疑它是最不精確和重复性最差的 SPT 技術。更糟糕的是,几乎所有的 PCBA 製造還在繼續使用這種低效的測試方法。因此,許多 PCBA 製造商正在考慮回流後的自動 SPT 技術 (AOI 和 X 射線檢驗 ) 。

缺陷覆蓋率之比較 

 AOI 、 X 射線和 ICT 的缺陷覆蓋相互重疊,但各有長處 

AOI 和 X 射線檢驗具有各自的功效和局限 ( 圖 1) 。 ICT 的長處是電氣缺陷測試,如器件的功能不正常或錯值; X 射線檢驗可對許多焊點進行綜合檢驗;而 AOI 系統可以 X 射線系統通常達不到的速度,對器件貼裝位置和多種焊點缺陷進行檢驗。 

PCBA 自動 X 射線檢驗具有許多優點和獨特的性能,可滿足目前乃至未來所面臨的挑戰。 PCBA 自動 X 射線檢驗系統的典型工作過程是:在 PCBA 上方的 X 射線管中產生 X 射線, X 射線穿過 PCBA ,被置於測試板下面的探測器所接收。由於焊點中通常都包含有鉛,而鉛可以大量地吸收 X 射線,因此與穿過玻璃纖維、銅、矽及其它 PCBA 材料的 X 射線相比,照射在焊點上的 X 射線被大量吸收,從而產生良好“訊號” ( 焊點 ) 與“噪音” (PCB 、器件等 ) 比的 X 射線視像。 

 X 射線檢驗視像只包含焊點,因此很容易實現自動缺陷檢驗 

這是 PCBA 的 X 射線檢驗的基本優點,即只有焊點本身可在 X 射線視像中顯示,從而使得分析變得相當簡單。器件、引線、各層 PCB 、焊盤等在 X 射線視像中基本上看不見 ( 圖 2) 。因此簡單的圖像分析算法便可自動而且可靠地檢驗焊點的缺陷。

X 射線技術 

有兩種自動的 X 射線檢驗技術可用於檢驗 PCBA :一種是 2D 或透射 X 射線檢驗法,這與簡單的 X 射線胸透類似。對於單面 PCBA 檢驗,板上器件面的焊點可產生清晰的視像,因此檢驗效果很好。然而,若採用此方法對雙面板進行檢驗,會因上下兩面焊點視像的重疊,使圖像極難分辨;這就象是你與你的朋友一起做胸透時,一人站在另一人前面,顯然其結果是兩人胸透視像的疊合。 

另一種 X 射線技術是斷層或 3D X 射線檢驗法,目前 PCBA 製造商正在使用的、可實現 3D X 射線檢驗的技術被稱作 X 射線斷層照像機。 X 射線斷層照像機之所以能夠檢驗雙面 PCBA ,因為它可以對兩側的焊點獨立成像。

用 X 射線取代 ICT 

隨著 PCBA 數量的增加,特別是在可攜式消費電子產品中的應用,設計時對於 ICT 測試節點僅留有很小的空間,甚至被取消。這就意味著你將面臨大量的潛在問題,對於複雜的電路板,直接從 SMT 生產線送至 FT ,不僅會導致合格率的下降、返修量與故障診斷費用的增加,而且會造成生產的延誤。此時,可用 X 射線檢驗取代 ICT ,保持高的 FT 生產率,並減少故障診斷與返修工作。

值得注意的是, X 射線檢驗可以查出許多原由 ICT 檢驗的結構缺陷 ( 圖 1) ,因此這些缺陷在X射線檢驗過程中不會被漏掉。同時,雖然 X 射線不能查出器件的電氣缺陷,但這些缺陷卻可在 FT 中檢出。總之,不會漏掉製造過程產生的任何缺陷。更好的是, X 射線檢驗還能夠查出一些 ICT 查不出的缺陷。 

顯示不可見焊點 

採用 3D X 射線技術除了可以檢驗雙面電路板外,還可以對一些相對較高的焊點,如 BGA 和穿孔 (PTH) 器件的焊點,產生多層圖像“切片”。採用這種方法能夠對焊點連接處的頂部、中部與底部進行徹底檢驗。這一獨特的性能可以測試 PTH 焊點,檢查通孔中的焊料是否充實,從而極大地提高焊點連接的品質。

 BGA 焊點的 3D X 射線視像能顯示出氣孔和不充實的焊點 

同樣,還可有效地對 BGA 封裝器件與 PCB 連接的“不可見”焊點成像,而不必考慮其上方的引線球或凸點 ( 圖 3) 。值得注意的是大的空穴、不充實的焊點以及諸如此類的缺陷能輕易地藉由電氣測試而不被注意。 

避免過早失效 焊點沒有底部倒角,嚴重影響翼型引線焊點的強度,自動 X 射線檢驗系統能即時檢驗出該缺陷 

盡管 ICT 和 FT 能夠檢測出封裝器件引腳與焊盤間的電氣連接是否有效,但這些技術卻不能檢驗出品質低劣和 / 或可能產生過早失效的焊點。藉由對每一焊點的尺寸、形狀及特性進行評估,自動 X 射線檢驗能夠自動檢驗出免強合格但品質不高的所謂邊界 (marginal) 焊點 ( 圖 4) 。圖 4 中,在底部你會注意到有一個偏小的焊點,這就是會導致產品過早失效的邊界焊點;然而,電氣測試和大多數的 AOI 系統可能將此焊點判斷為“良好”焊點。

自動 X 射線檢驗有助於解決你所面臨的許多關鍵問題。此外,未來 PCBA 產業的諸多趨勢,如 ICT 空間的減小、不可見焊點以及提高品質的要求等等,將有力地推動 X 射線檢驗的應用。

X 射線檢驗的經濟學

結構制程測試是生產測試和檢驗的分支,其目的是發現製造過程中產生的缺陷。這些缺陷包括:元件漏失與錯位、倒轉、部件立起、浮腳、焊接空穴等。因此, SPT 系統檢驗 PCBA 的機械結構來發現缺陷,可作為傳統檢驗方法的補充。

許多 PCBA 製造商採用自動 X 射線檢驗,它是 SPT 的基本方法,可以獲得廣泛的經濟效益,其中包括: 

最小程度的人工視覺檢查

無夾具和快速的原型板測試

使用 SPT 監控並改善焊接制程

藉由早期發現缺陷,可減少返修與故障診斷時間

在節點式測試不可行時替代 ICT

測試“不可見”焊點 ( 如 BGA 等 )

藉由檢驗邊界焊點,增加 PCBA 的可靠性

然而, X 射線檢驗系統價格昂貴。但從長期收益的角度來看,進行初期投資還是有足夠的刺激動力。根據《 EE-Evaluation Engineering 》 1996 年第 11 期中的一篇文章介紹,由於行動電話 PCBA 上 ICT 測試節點的消失, Mitsubishi Consumer Electronics America 在几年前就遇到了測試困難。藉由對几種可選 SPT 的評估,他們選擇了全自動 X 射線檢驗代替過去的 ICT 。採用自動 X 射線檢驗使 FT 生產率提高了 7% ,與以前的人工視覺檢驗和 FT 相比, Mitsubishi 每年可節約 75 萬美元。 

如果你了解公司產品的故障返修和 / 或保修期維修的數據,你會發現大量的部件故障歸因於焊點缺陷。《 PC Magazine 》 1997 年 7 期刊登的讀者調查表明,有多少讀者在購機 12 個月內需要將其電腦送回維修,回答有 30% 的筆記本電腦和 32% 的台式電腦有類似的情況。勿須置疑,這樣高的返修率造成大量的保修開支,如果 PC 超出了保修期,則會引起客戶的不滿。

當然,其中有許多 PC 的維修只涉及鍵盤、顯示器和其它問題,並不牽涉 PCBA 焊點。然而,保守的估計,如果有 10% 的維修涉及焊點,那麼,在製造過程對這些“失效”焊點的檢驗將會使產品的故障率下降 3 個百分點。如果 PC 每年的故障率由 30% 下降到 27% 甚至更低,那麼所節約的保修費用和減少客戶的不滿將會顯示出一個巨大的商機。 

加拿大 Newbridge Networks 在《 Circuits Assembly 》 1997 年 11 期上撰文寫道“減小使用故障最有效的措施就是 X 射線斷層照像機,它可以檢驗邊界焊點的完整性。所謂邊界焊點,就是那些具有一定連接能藉由電氣測試,但卻沒有完善的結構,在現場使用中常常出現故障的焊點。它往往會導致昂貴的返修費用,並失去良好的信譽。” 

 

[录入:admin] [日期:10-08-22]

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