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针对AOI检查的PCB优化设计

为了便于检查,一块PCB能够在设计阶段就进行优化布局吗? 答案当然是肯定的,我们在本文中提供了一些建议供参考。
每块PCB可以采用光学或者X-ray技术并运用适当 的运算法则来进行检查。基于图像检查的基本 原理是:每个具有明显对比度的图像都是可以 被检查的。在
AOI中存在的主要问题是,当一些检查对象是 不可见的,或是在PCB上存在一些干扰使得图像变得模糊 或隐藏起来了。然而,实际经验和系统化测试都表明,这 些影响是可以通过PCB的设计来预防甚至减少的。为了推 动这种优化设计,可以运用一些看上去很古老的附加手段(这些方法仍在很多领域被推崇),它的优点包括: 减少编程时间  最大限度地减少误报 改善失效检查。
制定设计方针,可以有效地简化检查和显著地降低生 产成本。Viscom AG 和 KIRRON GmbH &Co.KG 合作开发 出一项特殊测试方案,目的是为了从根本上研究和证明这 些设计在检查中产生的效果。基于IPC-7350标准的PCB布 局被推荐为针对这些测试的基准。首先,为了探究每一种 布局的检查效果,建议在大量PCB布局上采用这种基准; 之后,再有意地利用PCB错误布局,使得它产生一些工艺 中的缺陷,如立碑和引脚悬空等。
针对
AOI检查的布局建议
针对AOI检查的PCB整体布局
器件到PCB的边缘应该至少留有3mm(0.12”)的工 艺边。片式器件必须优先于圆柱形器件。布局上建议考虑 传感器技术,因为有时检查只能通过垂直(正交)角度,而其他时候又需要一个辅助的角度来进行。
元器件
对一个稳定的工艺过程来说,一个重要的因素是元器 件,这不仅与PCB上直接的器件布局有关,而且或多或少 也与“工艺流程设计”有关。目前元器件的采购趋势是尽 可能地便宜,而不管它在颜色、尺寸等参数上的不同。不 幸的是,这些选择在日后对AOI或AXI检查过程中造成的影 响往往被忽略了。始终采用同样的材料和产品能够显著地 减少检查时间和误报,而这些问题主要是通过元器件以及 PCB的突然变化而出现的。
元器件尺寸
IPC-7350标准描述了器件的尺寸,并对某些焊盘的尺 寸提出了建议。根据IPC标准,器件的长度和引脚的宽度可 以有一个较大变化范围,相反,焊盘的尺寸却是相对固定 的。此外,PCB制造公差的影响相对于这些器件的变化来说 也是是很小的。
PCB的颜色和阻焊
通常,设备能够检查 出所有不同单板的颜色, 尽管检查中的某些细节处 理是不倚赖于颜色的。例 如, 一块白色和一块绿 色的PCB有着不同的对比 度,因此设备需要一些特 定的补偿。在一种极端情 况下,桥接在亮背景下呈 现黑色,而在另一种极端情况下,桥接在黑背景下却是呈现出亮色。这里我们建议使用无光泽的阻焊层。在我们的实践中,焊盘间(甚至是 细间距引脚)的区域也应该覆盖着阻焊层,这个建议也已 经被焊料供应商所响应。
印刷图案
所有印有图案的PCB也是能够被检查的,例如,当元 器件的边框或元器件本体上的字母单独出现在组件的某个 区域从而干扰对其他部分的检查时,可以手工调整检查程 序。尽管如此,在生产允许的范围内,图案的印刷范围仍 然有一个较大的选择,因此,减少非反射性标识印刷(黑 或暗黄)值得加以考虑。另外一个可能出现的情况是需要 有选择地印刷标识:例如,当某些特定的器件(如霍尔传 感器)正面向下时就必须印刷成白色;而另一种情况是印 有极性标志的有倾斜角的钽电容器件;这样能使标识和背 景形成鲜明的对比,使得检查的图像更加清晰。
基准点
设备可以检查所有 类型的基准点,而且任 何构件都可以被定义成 一个基准点。虽然三个基 准点可以补偿一块单板的 变形,但通常情况下只需 要确定两个基准点就可以 了。每个基准点至少离单 板边缘5mm(0.2”)。 十字形、菱形、星形等比较适用,并建议使用统一的黑背 景。此外,十字形的基准点特别有优势,他们在检测光下的图像十分稳定且可以被快速和容易地判定。
确认坏板
设备有能力检查所有已知类型的坏板标识。板上的任 何构件都可以被定义为坏板标识。这里建议采用与上述基 准点的判定相类似的方法,即在可能的情况下,首先通过 检查整板或已完成组装的单板上的单个坏板标识来进行确 认。板上每个单独的坏板标识只有在整板的坏板标识检查失败后才会被逐一检查;整板的坏板标识应该定位于PCB的边上。
避免焊点反射
焊点的形状和接触角是焊点反射的根源。焊点的形成 依赖于焊盘的尺寸、器件的高度、焊锡的数量和回流工艺 参数。为了防止焊接反射,应当避免器件对称排列。
波峰焊
经过波峰焊后,焊点所有的参数会有很大的变化,这 主要是由于焊炉内锡的老化导致焊盘反射特性从光亮到灰 暗,因此,在检查时算法上必须要包含这些变化。在波峰焊 中,典型的缺陷是短路和焊珠。当检测到短路时,假如印刷 的图案或者无反射印刷这两种情况的减少以及应用阻焊层, 就可以消除这些误报。如果基准点没有被阻焊膜盖住而过波 峰焊,可能会导致一个圆形基准点上锡成了一个半球,其内 在的反射特性将会发生改变;应用十字型作为基准点或者用 阻焊层覆盖基准点,可以防止这种情况的发生。
片式元件、MELF器件和C-leads 器件
在片式元件和MELF器件上,弯月状的焊点必须被正 确地识别出来;而在器件本体两侧下方的焊点由于焊锡无 爬升,很难检查。另外,焊盘边缘到焊端的间距Xc也需要 注意(图5)。Xc (焊盘的外侧间距)对Xi(焊盘的内侧间 距)的比率应选择>1。同样的规则也适用于C-leads器件的 弯月型和器件本体两侧的焊盘设计。这里,我们建议Xc对 Xi的比率稍微大于1.5。值得注意的是:任何元器件的长度 变化也必须计算在内。
“鸥翼”型引脚器件
通常,这类器件的判定标准可以通过对毛细效应在垂 直方向的作用的分析中找到。由于毛细力,焊锡从焊盘末端 爬到引脚上形成焊点。由于工艺波动和器件边缘的阻挡作 用,导致不能完全形成一个完整的上半月型焊点。尽管没有 形成一个上半月型的焊点,但也可以被认为焊接得很好。 “鸥翼”型引脚焊锡的侧面爬升情况由于器件变化或 焊盘设计的原因,并不是经常能够被检查出来,这是由于 焊锡的爬升方向必须用同引脚方向垂直的角度去检查。假 如爬升很小,必须从其他角度来检查,而只有通过这样的辅助检查,才能提供丰富的图像信息去评估焊点的好坏。
斜角检测:PLCCs型器件
PLCCs器件的引脚的焊盘有着不同设计。如果是一个 长焊盘设计,在PLCC引脚上焊锡的爬升效果是可以检查 的。如果焊盘保持明亮,那么焊锡已经爬升到了引脚端, 所以认为器件是焊上了。假如遵循这个设计原则,可以通过垂直检测来检查出缺陷。对于PLCC焊点,有时会出现少锡的情况。由于引脚少 锡的爬升情况和没有焊锡时是一样的,所以对PLCC焊点不 能通过垂直检测,而要通过斜角检测的方式来检查少锡缺陷
AOI
AXI检测的PCB布局建议
PCB的整体布局 对于普通的AXI测试PCB布局,所有的焊盘都必须进行 阻焊处理。这是因为阻焊层和实际的焊盘并没有真正地接 触到,在阻焊层和焊盘之间存在着一定的间隙。这样做的 好处是:焊锡受热后就可以聚集在焊盘内,这也使得在XRAY影像中很容易再现焊料的爬升情况。
2D x-ray
当应用2D x-ray技术时,所有的器件都需要被布置在 PCB的正面。而用2D x-ray去检测这些器件时,还必须再定 义出一块没有器件的地方为“禁区”。对于有些BGAs,会 推荐使用一种泪滴型的不对称焊盘设计,这使得焊锡的成 型性质被系统错误的判断为一种几何的连接形态;此外, 一些特殊的QFN向内或向外的弯月型焊盘设计也同样有这种情况。
QFN 焊盘设计
QFN器件的焊盘尺寸、焊膏印 刷面积与它的引脚尺寸是同样大小 的,而且器件的引脚是交错排列在 封装体底部的因此,QFN的 焊盘设计建议为:焊盘伸出于器件 引脚的外端, 而缩进于器件的内 端,这样使得在器件引脚的内外形成弯月型焊盘。在这里 很重要的一点是,在进行设计计算时必须考虑器件的公差范围。
BGA 设计
在BGA设计时,焊点的形状(如泪滴型)可以通过特 别的布局使其成为可见的;就是说,泪滴型的焊点除了具 有奇怪的形状外,它的方向也是很随意的。总而言之,在 器件面的焊盘和在PCB上的焊盘正好和BGA焊球的大小是 一样的(图10 )。在德国Erlangen 大学,学者做了大量的 研究去评价单个焊盘形状的模型;他们发现,无论焊盘是 圆形还是非圆形的,焊膏印刷图形要保持为圆形不变。
结论
作为惯例,在生产中,测试系统应当根据生产批量的要 求建立并优化。实际运作中无数次地证明,仅这样做是远 远不够的。如果在两周的生产时间内要测试一个新批次的 PCB,有可能会发生这样的情况:ELKO的颜色突然由黑色 变为了黄色,或者晶体管的引脚变短了、是弯的;或是电阻的颜色由黄色变成了蓝色的,等等。
AOI检查程序必须而且能够处理这些不同的变化所带来 的问题。但是,其中的一些变化需要花费时间进行处理, 因为我们不能预先知道是否有一种新的元器件被使用,或 是存在一个错误的元器件布局。同时,面对质量方面的困 难,大量允许的可能出现的情况也需要一个一致的,确实 可行的说明。始终采用同样的材料和产品,再加上优化的PCB设计, 正如上面所描述的那样,可以减小由于产品的变更对AOI/ AXI测试所造成的影响。在这里必须指出,比照所有用于 AOI和AXI 检查的标准,PCB布局的建议可使检查工艺适当 简化并更有效率。DFT可以提高缺陷的检查率,减少误报, 缩短编程时间和降低编程的难度,从而最终达到有效降低 产品制造成本的目的。

文章引用地址:http://www.zhijv.com/news/news51.htm

[录入:admin] [日期:10-08-24]

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