Контроль качества паяных соединений

Систему используют для тестирования печатных узлов с анализом производственных дефектов (аналоговый сигнатурный анализ и аналоговое внутрисхемное тестирование) и для проверки печатных плат на короткие замыкания и обрывы. Надёжный контакт пробников с контактными площадками обеспечивает интеллектуальная система управления пробниками по оси аппликат, которая позволяет тестировать изогнутые и многоуровневые платы. Скорость и усилие прижима по оси аппликат возможно задавать программно.

Электротестер может быть укомплектован программным обеспечением, позволяющим выводить на экран графическое изображение платы с цветовым выделением мест неисправностей. Все результаты тестирования сохраняются в базе данных с привязкой к серийному номеру тестируемого изделия.

На рынке доступны также аналогичные электротестовые системы, предназначенные для встраивания в конвейерные сборочные линии (снабжены интерфейсом SMEMA).

По многим характеристикам они схожи с предыдущей моделью, но имеют более широкие функциональные возможности: содержат четыре независимых подвижных пробника и две цифровые видеокамеры с верхней стороны платы и восемь фиксированных пробников с магнитным креплением с нижней стороны платы; одна видеокамера служит для распознавания реперных знаков, другая – для отладки и мониторинга контактов в реальном режиме времени.

Система поддерживает следующие методы тестирования:

– аналоговый сигнатурный анализ цепей;  
– локализацию неприпаяных и закороченных выводов микросхем;  
– аналоговое внутрисхемное тестирование;  
– аналоговое и цифровое функциональное тестирование;  
– тестирование методом периферийного сканирования (опция).

Комплексные методы контроля паяных соединений

Среди комплексных систем НК паяных соединений необходимо особо отметить британские тестеры объединительных плат с подвижными разъёмами. Система объединяет три технологии тестирования: электротестирование, автоматическую оптическую инспекцию и проверку геометрии элементов и компонентов печатного узла. Предназначена она для тестирования объединительных плат на производстве и при входном контроле.

Специфика объединительных плат заключается в их больших размерах и большом количестве установленных разъёмов различных типов. Поэтому для выявления всех дефектов в таких печатных узлах используют разные технологии и тестовые платформы.

При электротестировании проверяют короткие замыкания и обрывы, а также резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, стабилитроны и ёмкости цепей. Доступ к цепям платы осуществляется с помощью оригинальной системы подвижных сменных разъёмов. Тестер имеет по одной подвижной тестовой головке с каждой стороны тестируемой платы и банк автоматически сменяемых насадок (разъёмов).

Точность системы позиционирования по всем трём осям 50 мкм, разрешение по осям абсцисс и ординат 16 мкм, а по оси аппликат 7,5 мкм. В процессе тестирования головки автоматически выбирают необходимую насадку для контакта с разъёмом платы. Насадки поставляются как для стандартных, так и для оригинальных разъёмов заказчика.

Автоматическая оптическая инспекция осуществляется с помощью видеосистемы, состоящей из двух цифровых видеокамер с подсветкой (по одной с каждой стороны тестируемой платы), с разрешающей способностью 640 х 480 пикс.

Видеосистема предназначена для распознавания реперных знаков и выполнения автоматической оптической инспекции по следующим характеристикам: изогнутые или отсутствующие выводы, неправильная длина выводов, пропущенные или перевёрнутые компоненты. Точность ±0,1 мм. Скорость 1200 точек/с.

Проверку геометрии выполняют при помощи специальной сменной насадки в виде пробника с датчиком прикосновения. Насадки расположены с каждой стороны платы. Насадка выбирается подвижными головками автоматически как при электротестировании. Рабочая область 750 х 1000 мм. Максимальная высота компонентов на плате 51 мм с каждой стороны. Во время теста определяются следующие дефекты: нарушения геометрии корпуса разъёма или компонента, неправильный тип разъёма или компонента, неправильная установка разъёма по ключу. Тестовые программы в системе разрабатываются методом трансляции из систем автоматизированного проектирования.

Опционально тестер может быть дополнен подсистемой функционального тестирования.

Термоэлектрический контроль паяных соединений

Во всех предыдущих случаях решение о качестве паяного соединения принималось либо прямо по совершеннейшей оценке внешнего вида паяного соединения, либо косвенно по оценке соответствия различных измеряемых параметров компонентов или функциональных эффектов цепей их проектным значениям. Ниже описан один из новых способов контроля качества паяных соединений путём измерения параметра, непосредственно зависящего от структуры паяного соединения, – способ термоэлектрического контроля паяного соединения [6], который может быть использован при контроле и испытаниях радиоэлектронного оборудования различного назначения, преимущественно соединений выводов интегральных микросхем и других компонентов в печатных узлах.

Способ контроля качества рабочего спая термоэлектрического преобразователя с помощью естественной термопары, образованной соединяемым металлом, припоем и электродами, известен [7]. В месте пайки определяют значения термо-ЭДС и по результатам измерений строят временную зависимость термо-ЭДС, при этом фиксируя величину термо-ЭДС в момент вывода источника тепла из зоны пайки. Качество пайки оценивается устройством поиска дефектных паяных соединений по результатам сравнения измеренных величин с эталонными значениями.

Однако эти технические решения нельзя использовать при активном контроле печатных узлов в поточном производстве, так как невозможно согласовать скорость технологического процесса пайки и скорость контроля паяного соединения из-за конструкции выводов компонентов и технологии их распайки на печатные платы с открытыми контактными площадками.

Новое техническое решение – термоэлектрический контроль паяного соединения с измерительным устройством – позволяет устранить указанные недостатки и производить оперативную и достоверную оценку качества паяного соединения в течение всего времени технологического цикла. Суть нового решения заключается в определении значений термо-ЭДС в месте пайки при помощи естественной термопары, образованной соединяемыми металлами контактных площадок и выводов компонентов, припоем и измерительными зондами (щупами). Далее автоматически строится временная зависимость термо-ЭДС с определением величины термо-ЭДС в момент вывода источника тепла из зоны пайки. Измеренные величины сравниваются с эталонными значениями. Дополнительно определяют время воздействия источником тепла на зону пайки, время затвердевания припоя и значение термо-ЭДС в момент начала затвердевания припоя.

После этого производится вычисление среднестатистических значений величин, определяемых в результате серии экспериментов, и оценка качества пайки по отклонениям величин от доверительной области.

На рис. 3 показан вид характерной кривой изменения термо-ЭДС, получаемой в ходе проведения испытаний соединений. Стабилизация величины термо-ЭДС характеризует процесс стабилизации механических и тепловых факторов в зоне соединения, при этом истинную информацию о качестве содержат только параметры, характеризующие кривую термо-ЭДС в стационарных точках.

Стационарными считаются следующие точки кривой термо-ЭДС:

– начало разогревания зоны пайки при тепловом контакте источника тепла с зоной пайки t0;  
– точка плавления припоя t1;  
– точка стабилизации тепловых процессов в зоне пайки t2;  
– точка вывода источника тепла из зоны пайки t3; стабилизации температуры во время затвердевания порции припоя t4;  
– окончание фазового перехода t5;  
– остывание области пайки t6.

В качестве информационных параметров выбраны величина термо-ЭДС на момент вывода источника тепла из зоны пайки E(t3) и время установления этой величины (t2 - t0), а также величина термоЭДС в начале фазового перехода E(t4), соответствующая температуре затвердевания припоя, и время фазового перехода (t5 - t4).

На рис. 4 показана структурная схема устройства контроля паяного соединения. Контактный узел снятия термо-ЭДС образует сложную термопару, составленную из соединяемых металлов 12 и 13, припоя 11 и электрических измерительных зондов (щупов) 9 и 10.

Термо-ЭДС “естественной термопары” характеризует кинетику физических и химических процессов пайки, определяющих качество паяного соединения. Сигнал с термопары

поступает на вход усилителя. С помощью других электронных блоков устройства производится выдача стробирующих импульсов отсчёта, измерение длительностей стационарных интервалов, снятие информационных отсчётов, вычисление среднестатистических значений и доверительных интервалов.

Устройство термоэлектрического контроля паяного соединения включает: усилитель сигнала термо-ЭДС; дифференцирующий блок, определяющий моменты стабилизации значений термо-ЭДС; блок нуль-органа, фиксирующий начало и конец стационарных участков термо-ЭДС; блок измерения длительностей стационарных интервалов; блок снятия информационных отсчётов; блок логического устройства выдачи стробирующих импульсов отсчёта; блок вычисления среднестатистических характеристик отсчётов; блок принятия решений на основе сравнения текущих параметров с их априорными оценками; регистрирующий блок.

При контакте проводящих зондов с поверхностью соединяемых металлов, свободных от припоя, снимается значение термо-ЭДС.

Конструкция зондов, их теплопроводность и теплоёмкость рассчитаны так, чтобы температура в точке контакта к моменту каждого нового цикла измерения была одной и той же или имела минимальную дисперсию. Материалы зондов выбирают из расчёта минимизации паразитной термо-ЭДС самих зондов и обеспечения одинаковых условий контакта (исключения возможности залуживания зондов и т.п.). Давление при контакте зондов с выводами не должно превышать допустимого значения для выбранной технологии пайки. Для исключения отклонений технологических характеристик термопар расстояние между точками контакта фиксировано. Зонды и поверхность соединяемых при пайке металлов должны замкнуть измерительную цепь непосредственно перед внесением источника тепла в зону пайки (момент времени t0).

Электрический сигнал с зондов усиливается в блоке 1, с выхода которого сигнал поступает на дифференцирующий блок 2 и блок ключа снятия информационных отсчётов 5.

Блок принятия решений 8 реализует оптимальную статистическую обработку по критерию “оптимального наблюдателя” (“минимального риска”). Отсчёты выбранных текущих параметров учитываются как координаты многомерного вектора.

Далее вычисляются характеристики распределения случайного многомерного вектора. Качество пайки оценивается по отклонениям отдельных реализаций (отсчётов) за пределы многомерной доверительной области, найденной по критерию “минимального риска”. Результаты контроля регистрируются блоком 14 и могут быть использованы непосредственно для внесения коррекции в технологический процесс в целях устранения причин возникновения обнаруженных дефектов.

Такой способ контроля паяных соединений был проверен в серийном производстве. На полуавтоматической линии монтажа печатных узлов на многослойные печатные платы были распаяны выводы микросхем серии 74хх.

При распайке выводов источник тепла (наконечник паяльника) был нагрет до 255°С, время одной пайки составило 1,2…1,4 с. В зависимости от климатических условий в производственном помещении среднестатистическое значение величины термо-ЭДС на момент отрыва паяльника от зоны пайки на многослойной печатной плате удовлетворяло диапазону 0,9…1,1 мВ, а значения верхнего и нижнего доверительных порогов соответственно были равны 1,4 и 0,5 мВ. Обнаруженные дефекты паек характеризовались аномальными отклонениями измеряемых параметров от их среднестатистических оценок: значения термо-ЭДС в отдельных случаях достигали 2…3 мВ, в других были равны 0…0,3 мВ. Вычисление доверительных порогов и оценка качества осуществлялись путём обработки термограмм, записанных в память персонального компьютера. На одной многослойной печатной плате производилось 1500 паек с одновременным термографированием каждого паяного соединения. Распайка выводов микросхем на многослойные печатные платы с открытыми площадками производилась автоматом пайки. Исполнительный механизм паяльника был дополнительно снабжён измерительными зондами, присоединёнными к металлическим выводам, подлежащим пайке.

Признанные негодными в ходе термоэлектрического контроля паяные соединения были подвергнуты разрушающему контролю путём снятия шлифов с зон паек. Метод шлифов подтвердил дефектность только 80% паяных соединений.

В 20% случаев с помощью шлифов обнаружить дефекты в паяных соединениях не удалось. Это объясняется тем, что плоскость сечения шлифов не прошла через зоны дефектов (что говорит о недостаточной достоверности метода шлифов). Проведённые дополнительные исследования паяных соединений, забракованных способом термоэлектрического контроля, позволили сделать вывод о высокой достоверности термоэлектрического метода контроля (95…97%) качества паяных соединений.

Использование на производстве нового способа контроля паяных соединений позволит повысить качество и надёжность серийно выпускаемой радиоэлектронной аппаратуры.

Литература

1. Медведев А.М. Сборка и монтаж электронных устройств. – М.: Техносфера, 2007. 
2. Гафт С., Матов Е. Стратегия контроля качества при переходе к бессвинцовым технологиям. – Электроника НТБ. – 2005. – № 5. 
3. Штиллер В. Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика. – М.: Мир, 2000. 
4. Моисеенко А. Автоматическая оптическая инспекция – системы Se-300 ultra и Flex ultra // Печатный монтаж. – 2008. – № 4. – С. 4–8. 
5. Насонов А. Электрическое тестирование изделий высокой надёжности // Печатный монтаж. – 2008. – № 5. – С. 32–34. 
6. Данилин Н.С., Белослудцев С.А. Заявка на изобретение № 2007111194 от 27.03.2007. 
7. Патент РФ № 2093926. Способ контроля качества рабочего спая термоэлектрического преобразователя / А.В. Каржавин; А.А. Касаткин; Заявка № 96107344/25 от 16.04.1996; Опубл. 20.10.1997.