Контроль качества паяных соединений

Факультет заочного обучения

 

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

 

Контрольная работа

Предмет процессы сборки в технологии производства изделий микроэлектроники

 

Тема работы: «Контроль качества паяных соединений»

 

Разработал          

                                                         Подпись________      дата_________

 

Руководитель производственной практики                         

                                                         Подпись________      дата_________

 

Воронеж 2015

 

 

 

Оглавление

1. Введение                                                                              3

2. Оптический контроль паяных соединений                           6

3. Электрический контроль паяных соединений                       10
4. Комплексные методы контроля паяных соединений              13
5. Термоэлектрический контроль паяных соединений               14
6. Литература                                                                          21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Диагностика качества паяных соединений при монтаже радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) имеет большое значение, т.к. по её результатам может быть сделан вывод о совершенстве технологического процесса, надёжности аппаратуры и её устойчивости к внешним воздействиям.

Ю.М. Урличич, доктор технических наук, член Президиума Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского  
Н.С. Данилин, доктор технических наук, академик Российской инженерной академии ОАО “Российские космические системы”, Москва

Эта техническая задача давно находится в поле зрения технологов сборочно-монтажных процессов. Методы контроля качества паяных соединений с целью обнаружения поверхностных, внутренних и сквозных дефектов были установлены ГОСТами 19249-73, 23479-79, 18442-80 и 24715-81, а ГОСТ 26126-84 установил ультразвуковые (неразрушающие) методы контроля качества паяных соединений. Стандарты распространяются на паяные соединения, выполненные всеми способами пайки, число которых на сегодня с разновидностями локальной пайки не менее десяти, а число типичных дефектов в паяных соединениях и того больше [1]. К наиболее типичным дефектам паяных соединений относятся поры, раковины, шлаковые и флюсовые включения, непропаи и трещины.

Очевидно, что паяные соединения в процессе производства РЭА должны подвергаться неразрушающему контролю. Принцип неразрушающего контроля (НК) – наблюдение, регистрация и анализ результатов взаимодействия с объектом контроля воздействующих факторов (физических полей, т.е. излучений, или веществ), причём характер этого взаимодействия зависит от химического состава, строения, состояния структуры контролируемого объекта и т.п. В зависимости от типа физического взаимодействия с контролируемым объектом неразрушающий контроль подразделяют на девять основных видов: оптический, электрический, тепловой, акустический, магнитный, вихретоковый, радиоволновый, радиационный и контроль проникающими веществами. Каждый вид НК решает ограниченный круг задач.

Важной характеристикой любых методов НК является их чувствительность – выявление наименьшего по размерам дефекта. При определении предельно допустимой погрешности НК паяных соединений следует учитывать для конкретных изделий дополнительные погрешности, возникающие от шероховатости контролируемой поверхности, структуры материала, геометрических размеров зоны контроля и других влияющих факторов.

В серийном производстве РЭА используют в основном два метода НК паяных соединений – оптический и электрический. 3D-системы автоматической оптической инспекции (АОИ) определяют качество паяных соединений, а системы измерения с летающими пробниками (ИЛП) измеряют сверхмалое переходное сопротивление паяных соединений.

Эти системы позволяют контролировать и анализировать результаты работы автоматического сборочно-монтажного оборудования и измерять параметры, характеризующие качество паяных соединений.

В исследовательских целях используют также акустический, вихретоковый и рентгеновский методы НК паяных соединений. Акустический метод позволяет выявлять глубинные дефекты типа нарушения сплошности, расслоения, непропая, определять их координаты и размеры, измерять толщины, обнаруживать и регистрировать развивающиеся трещины. При акустическом НК применяют в основном ультразвуковые частоты от 20 кГц до 30 МГц. Метод имеет высокую чувствительность к росту дефектов – обнаруживает увеличение трещины на 1...10 мкм, причём измерения можно проводить в рабочих условиях при наличии механических и электрических шумов.

Вихретоковый НК основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых этим полем в объект контроля. Его особенности: бесконтактность, нечувствительность к изменению влажности, давления и загрязнённости поверхности объектов контроля непроводящими веществами, а также малая глубина контроля, что связано с особенностями проникновения электромагнитных волн в объект контроля.

Вихретоковые методы обеспечивают обнаружение трещин, раковин, неметаллических включений и других видов нарушений сплошности, измерение толщины покрытий, нанесённых на электропроводящую основу, проверку химического состава и механических свойств объектов.

Рентгеновский контроль позволяет проверять места паяных соединений неразрушающим способом в изделиях электроники, которые не могут быть проконтролированы оптическими средствами.

Например, рентгеноскопия обеспечивает исследование качества паяных соединений в корпусах с матрицей выводов, таких как BGA. Она также может использоваться для проверки качества присоединения проволочных выводов внутри корпусов полупроводниковых приборов и поверхностно монтируемых компонентов с очень малым шагом выводов. Традиционно рентгеновский контроль использовался для анализа эксплуатационных отказов и других исследовательских целей. В последнее время системы рентгеноскопии были настолько усовершенствованы, что их стали применять и для контроля качества в серийном производстве.

Оптический контроль паяных соединений

За последние десять лет в связи с дальнейшей миниатюризацией изделий электронной техники и одновременным повышением требований к приёмке продукции остро встала задача обеспечения контроля в процессе производства аппаратуры. Стремительно растёт скорость автоматов сборки и монтажа печатных узлов. Сегодня в автоматическом режиме нужно контролировать установку и монтаж компонентов с размерами 01005 (0,4х 0,2 мм), качественное нанесение под компоненты BGA пасты с шагом 0,5 мм и диаметром 0,3 мм и менее, а также измерять высоту и объём столбика пасты. При этом количество выводов может достигать 500 с шагом 0,3 мм. Поэтому практически во всех современных производствах радиоэлектронной аппаратуры используют многофункциональные автоматические линии, в состав которых обязательно входят системы АОИ и ИЛП. Для отработки технологических процессов и детального анализа изделий электронной техники используют также радиографические и разнообразные электрические методы контроля паяных соединений.

Для снижения дефектов при пайке разрабатываются и внедряются новые припои и флюсы. В то же время внедрение бессвинцовых припоев привело к появлению новых дефектов в паяных соединениях [2]. Поскольку “бессвинцовая эпопея” привела к заметным последствиям в производстве РЭА, представляется целесообразным пояснить её суть на примере. Сравним известный олово-свинцовый припой Sn61Pb39 с бессвинцовым припоем SN95,5Ag4Cu0,5. Температуры плавления этих припоев 183 и 217оC, но рабочая температура пайки 220…230оС и 270…280оС соответственно. Известно, что при подъёме температуры на каждые 8о все процессы ускоряются в два раза (закон Аррениуса) [3]. Ускоряются деструкционные процессы и химические реакции при отверждении и сушке, отражающиеся на надёжности паяных соединений. В числе факторов, снижающих надёжность, в [2] отмечают низкую пластичность бессвинцовых припоев, худшую смачиваемость и растекаемость, образование интерметаллидов, укрупнение зёрен, образование дислокаций, трещин и оловянных усов, термические повреждения компонентов и ряд других факторов, в том числе затруднения с АОИ. Поэтому новые методы контроля качества паяных соединений на этапе производства должны повышать достоверность контроля при одновременном согласовании с технологическим циклом и экономической целесообразностью.

С экономической точки зрения целесообразно использовать автоматические методы контроля качества аппаратуры непосредственно в процессе её изготовления. В идеале инспекционная система должна присутствовать после каждой технологической операции. Именно так должна решаться проблема оптической инспекции, если при очень плотном монтаже используются компоненты с минимальными размерами наряду со сложными компонентами BGA, CSP и т.д. Известно, что более 60% всех дефектов при сборке изделий обусловлены качеством нанесения паяльной пасты (рис. 1). В таком случае применение системы АОИ для контроля качества нанесения паяльной пасты обязательно, так как она позволяет после первого этапа технологического цикла обнаружить возможный дефект и произвести необходимую корректировку рабочей программы автомата трафаретной печати [4].

Система АОИ качества паяных соединений должна обеспечивать 100%-ную инспекцию печатных узлов с высокой скоростью, чтобы не быть “слабым звеном” в сборочной линии поверхностного монтажа. Необходимо, чтобы она была оборудована нужным количеством цветных камер высокого разрешения для качественного распознавания образов миниатюрных и сложных компонентов, чтения маркировки компонентов. Система должна быть готовой к инспекции компонентов типоразмера 01005, в том числе на базе бессвинцовых технологий. При использовании после автомата установки компонентов система должна обеспечивать максимальную неподвижность печатного узла, быть оснащённой специальным программным обеспечением, позволяющим быстро и просто создавать рабочие процедуры с использованием библиотеки компонентов и образов, а также обладать эргономичным дизайном, удобным для технического обслуживания.

Одна из лучших технологий АОИ-3D на базе новой концепции тройной подсветки, облегчающей визуальную инспекцию паяного соединения, реализована в Японии, где выпускаются как встраиваемые в линию, так и настольные системы АОИ, предназначенные для контроля качества сборки печатных узлов (электронных модулей) в соответствии со стандартами IPC. Японские системы позволяют обнаруживать дефекты и выявлять причины их появления на этапах нанесения пасты, установки компонентов, оплавления припоя и пайки волной. Критерии определения качества соответствуют стандарту IPCA610C [4].

Тройная подсветка осуществляется светодиодами: белая (главная), красная (боковая) и рассеянная по оси (англ. Diffuse On Axis Lighting) под углом 90о к поверхности платы. Сочетания подсветок предоставляют 6 вариантов освещения плат, обеспечивающих с помощью цифровой XGA-камеры высокую видимость дефектов в паяных соединениях (в том числе в тени высоких компонентов). Разрешающая способность тестовой системы позволяет инспектировать паяные соеди нения выводов SMD-компонентов* с размерами корпусов 0,4 х 0,2 мм. Уникальная система подсветки позволяет контролировать качество паяных соединений после оплавления в печи и пайки волной. При этом из захваченного видеокамерой образа выделяется лишь галтель паяного соединения, по образу которой производится 3D-контроль паяного соединения.

Система особенна ещё и тем, что именно она (а не оператор) принимает решение о годности контролируемого объекта.

Технические решения, высокое быстродействие (до 16 х104 соед./ч) и многофункциональность вывели данную систему АОИ-3D в лидеры, оставляя позади сканерные и векторные системы. АОИ-3D используют для контроля качества пайки выводов микросхем, чип-резисторов, чип-конденсаторов, транзисторов и других компонентов. Результаты тестирования могут выводиться на монитор, принтер, маркировочное устройство, в файл, в программу сбора и обработки статистических данных.

На мониторе оператора результаты тестирования выводятся в цвете с отображением дефектных мест.

Другая высококлассная система АОИ качества паяных соединений и установки компонентов выпускается в США. Обладая самой высокой скоростью инспекции в своём классе (до 65 см2/с), система способна инспектировать компоненты вплоть до размера 01005.

Это осуществимо благодаря цветным камерам с разрешением до 5,0 Мпикс. К примеру, для инспекции печатного узла сотового телефона с размерами 130 х 250 мм и количеством установленных компонентов 1000 шт. системе необходимо всего 20 с. Во время инспекции печатный узел перемещается без ускорений, а неподвижные камеры, расположенные сверху, обеспечивают максимально точную и стабильную инспекцию. Американскую систему АОИ можно применять не только на массовых производствах, но и на среднесерийных производствах сложных электронных изделий.

Электрический контроль паяных соединений

Одним из факторов надёжности выпускаемой радиоэлектронной продукции является соответствие параметров всех элементов и связей внутри схемы, т.е. для подтверждения качества необходимо убедиться, что в процессе производства получено изделие, точно соответствующее конструкторской документации. Такое внутрисхемное тестирование может быть осуществлено только на автоматическом тестовом оборудовании с летающими пробниками или адаптерного типа.

Тестеры с летающими пробниками не требуют специальной конструкции платы и индивидуального адаптера и способны гибко менять стратегию проверок. Последнее качество позволяет использовать их не только при производстве, но и в процессе дальнейших испытаний изделия. Это подтверждают данные о парке тестеров электрического контроля на европейских предприятиях, производящих электронику для аэрокосмических целей (рис. 2) [5].

Электротестеры с летающими пробниками предназначены для опытного, мелкосерийного и среднесерийного производства с большой номенклатурой изделий. Система не требует изготовления тестовых адаптеров и другой оснастки, что значительно сокращает время подготовки производства новых изделий. Разработка тестовых программ выполняется методом трансляции практически из всех систем проектирования (35 систем автоматизированного проектирования, включая PCAD, OrCad и другие). В конструкцию тестера входят по два независимых подвижных пробника и по одной цифровой видеокамере для распознавания реперных знаков и оптической инспекции с каждой стороны платы (печатного узла). Используется высокоскоростной метод тестирования (производительность превосходит аналоги на 40%). Минимальный размер контактной площадки 50 х 50 мкм, минимальное расстояние между центрами контактных площадок 100 мкм с разрешением 3 мкм по осям абсцисс и ординат.