电子产品检测技术之PCBA生产管理检测技术

作者：薛广辉

2 PCBA生产管理检测技术

PCBA生产过程中检测技术包含以下主要内容：激光打码品质检测（条码等级测定仪）、锡膏印刷品质检测（SPI）、印刷机CPK测定、贴片机CPK测定、元件贴装品质检测（回流炉前AOI）、Reflow温度曲线测量、氮气炉氧含量测量、实时监控系统、轨道特性测量、焊接品质检测（回流炉后AOI）、分板品质检测（粗糙度）、分板应力测试（Strain Gage）、ICT测试、ICT应力测试（Strain Gage）、插装元件引脚成型应力测试、插件应力测试、波峰焊前AOI测试、波峰焊温度曲线测试、助焊剂喷涂均匀性测试、锡槽温度测试、锡槽合金成份测试、炉后焊点检测AOI、产品清洁度测试、胶水固化率测试、手工焊&维修烙铁温度测试、热风枪温度测试、烙铁&热风枪接地电压测试、所有设备接地检测、工作台接地检测、产品功能测试（FT）等。

2.1激光打码品质检测（条码等级测定仪）

激光打码无论是一维码还是二维码，雕刻深度过大可能会损伤到PCB铜箔，打码深度不足，会影响后制程条码的识别读取。另一个影响激光打码品质的因素是激光光斑大小与单位面积内字符的数量，单位面积内字符数量越多，激光雕刻后码壁厚度越小；光斑越大，激光雕刻后码壁厚度越小。码壁厚度过小会导致码壁破损、碎裂脱落，影响条码识别品质。图2.1-1激光打码品质。第三个影响激光打码品质的因素是本体材质，激光雕刻可以在塑料件本体、金属件本体、PCB阻焊、PCB文字漆（白油）、陶瓷本体、玻璃件本体等材质上成码，金属、塑料等材质成型效果较佳，阻焊、文字漆成型较差，特别是白色文字漆，如果内部填料尺寸较大，树脂附着力较差，打码时很容易出现码壁破损脱落现象，影响条码读取品质。一般激光打码设备自带读码器，打码后自行读取条码以判定其条码品质。业界有专业的条码品质检定仪器，对条码品质做检测评级。此类条码品质等级检测设备对喷墨打码、传统碳带打码等均可以检定。条码品质鉴定是设备评估、验收时的必检内容，日常生产管理过程中，条码读取异常时会对打码品质做鉴定。激光打码品质鉴定另一种方案是3D显微镜或金相显微镜、SEM等拍照鉴定。打码后使用大倍率显微镜拍照，观察码壁粗糙度以确定其品质。

2.2锡膏印刷品质检测（SPI）

当下中国电子产品制造产业生产线大都配置锡膏印刷品质检查机（SPI-Solder Paste Inspection），以监控锡膏印刷质量是否在管制范围内。SPI通常是3D模式检测锡膏印刷的长、宽、高及相对位置等参数，通用的检测方案是摩尔条纹与激光测高。摩尔条纹方案是通过对物体表面投射等间距的摩尔条纹，不同高度物体对条纹产生影响，产生条纹间距变化，收集此间距变化反算物体高度。激光测距技术众所皆知，笔者于此不再赘述。

SPI检测技术在业界应用成熟，其判定标准可以参考IPC-7527，多数企业在此基础上加严管制，以满足生产品质需求。影响SPI判定的因素涉及PCB颜色、PCB阻焊厚度、文字漆厚度、焊盘类型（SMD、Metal Define）等，笔者在《锡膏印刷工艺解析及应用》一书中有阐述，感兴趣的同仁可以参阅。

2.3印刷机CPK测定

印刷机CPK、CMK测试都是设备状态监控的手段，也是设备工程师最基础的工作知识，每家企业定时测定印刷机的CPK，这是企业日常管理基础工作。笔者于此推荐另一种设备状态监控方案，一板测定法：同一块PCB、同一张网板、同一台印刷机、相同的参数、同一次添加的锡膏，印刷锡膏并使用显微镜观察PCB上密间距元件印刷品质，拍照留存；将印刷有锡膏的PCB送入印刷机再次印刷，并使用显微镜观察PCB上密间距元件印刷品质，拍照留存；重复以上作业直至出现印刷短路不良。此方案是设备验收、设备性能评估的有效手段，较之CPK更具备直观的印刷精度、对位精度评鉴效果。

2.4贴片机CPK测定

贴片机CPK测点是贴片机设备精度鉴定的手段之一，一般使用标准玻璃板做24点贴装测试，是贴片工程师基础技能之一。通常用于季度保养、年度保养使用。

2.5元件贴装品质检测（回流炉前AOI）

Reflow前贴装品质检查，AOI只需检测贴片位置准确与否、元件贴装角度准确与否、贴装元件丝印正确与否，因不涉及焊点检测，检测准确度相对较高。炉前AOI位置有两个：泛用贴片机（IC Mounter）前、Reflow前。泛用贴片机前AOI主要用于检测Chip件贴装品质（少件、多件、偏移、反白、反向等），此类产线设备配置源于产品上有一体成型屏蔽罩，屏蔽罩贴装后Reflow前AOI无法检测屏蔽罩内部贴装品质，一旦贴装存在不良，将会流出到装配测试线且维修困难—拆屏蔽罩、维修内部元件。部分屏蔽框顶沿较宽，阴影效应严重，影响炉前AOI检测，产线也会在泛用机前配置AOI以拦截贴装异常、确保焊接一次性良品率。炉前AOI是大多数产线的标配，其工程目的就是检测贴装品质，确保没有漏贴、多件、反向、翻片（反白）、错件、偏移等现象出现。许多工厂十分重视Reflow后AOI, 实际上炉前AOI在检测IC丝印（文字）、器件方向上有决定性作用。特别是喷墨打印形成的丝印，Reflow前是比较清晰的，经过回流炉高温，丝印变色、脱落都会影响炉后AOI的识别。笔者建议同仁善用炉前AOI，综合考虑检测技术，以达成准确、高效的检测结果。

2.6 Reflow温度曲线测量、氮气炉氧含量测量、实时监控系统、轨道特性测量

回流炉焊接制程是SMT三大主工序之一，因其过程不可视被业界同仁称谓“黑匣子”，产品从入口进入，从出口流出，一旦有异常出现，已经是木已成舟、既定事实。所以Reflow过程监控或检测就成为十分重要的过程管控项目。Reflow过程管控常见的内容有：Œ温度曲线测试实时监控Ž炉膛内氧含量监控设备性能测定可视化监控。

（1）温度曲线测试

温度曲线测试是每家PCBA工厂都会执行的检测项目，其作业重点在于测温板的制作标准、测温点的选点依据、温度曲线工程规格设置。测温板的制作标准及选点依据，请参考笔者新书《PCBA焊接机理解析及应用》，该书详细阐述了温度曲线工程规格设置标准、依据及各段工程目的、调试要求等细节性技术要求。温度曲线测试使用的测温仪相信读者都熟悉，图2.6.1-1测温仪与温度曲线。当下业界测温仪单板最多有24通道，也就是可以同时测量24个焊点的温度曲线，适合Server、Workstation、算力中心主控板、大尺寸复杂产品使用。需要说明的是，市场上大多数测温线都可以保证±1oC的测温精度，测温板制作时多余的测温线需剪掉，不要在板面到处盘绕，使用过程中挂绊导致测温线断开、炉膛内卡板等异常。测温时机：转产换线、新产品、开始生产、交接班等。

（2）实时监控

实时监控是将测温系统及温度仿真系统整合后装入Reflow内，每分每秒地监测Reflow运作状况并给出判定。笔者曾现场拿实物测温板与测温仪测定温度曲线，对比实时监控系统给出的数值，温度偏差值在2oC以内（设备给出的温度偏差在±3oC）。实时监控系统在众多高端Reflow内都有配置，是行业一流设备的标配，也是客户审厂关心的关键问题之一。

（3）炉膛内氧含量监控

Reflow设备分普通空气炉、氮气炉、真空回流焊接炉、汽相焊接炉、烧结炉等，氮气炉又分为全程充氮与局部充氮两种，局部充氮又分为三区充氮与两区充氮。对于倒装芯片焊接、超微细元件焊接、裸芯片焊接等需要使用全程充氮设备；一般消费性电子产品有0201及以下元件的产品需使用局部充氮设备。如何测定氮气氛围内各位置具体的氧含量数值，需要使用穿梭式氧浓度分析仪，可以真实反应实际炉膛内氧浓度动态值。氮气炉本身安装的氧浓度测试仪取样口固定在氮气出口且通常安装在炉膛中心位置，数值参考价值有限，对于制程敏感的产品而言，仍需要使用穿梭式氧浓度测试仪检定其实际动态炉膛内氧浓度值。一般用于IC package process、裸芯片贴装焊接制程、01005及以下元件焊接制程等高密度、微焊点制程，是制程监控的有效手段，其测试频率与温度曲线一致。图2.6.3-1穿梭式氧浓度测试仪。

（4）设备性能测定

设备性能测试仪检测内容包含设备轨道变形量、设备轨道振动、设备回风稳定性、设备热风对流量、大元件的温度冲击能力、热均匀性、热补偿能力等。是设备年度保养、校准的项目，一般不要求日常管理测定。当今业界有成熟的设备性能测试仪，且提供上门代测试服务，也就是提供“上门设备体检服务”。高端客户会要求代工厂做年度设备体检活动，以确保产品生产的品质稳定。笔者也有参与此类技术服务，并解读体检报告并给出改善、校准建议，协助企业“发现问题、改正问题、预防问题”。图2.6.4-1Reflow设备性能测试系统。此测试系统使用时机为年度保养、校准，或产品异常分析时。

（5）可视化监控

市场上另一种直观的Reflow检测设备是高温摄像系统，也就是将耐高温的录像系统跟随实际生产产品 放入炉膛内，高温摄像机记录实际产品焊接过程，供业者分析、改善使用。早期业界使用Reflow模拟系统观察焊锡熔化、焊接过程，图2.6.5-1Reflow模拟系统拍摄的焊接过程，但无法真实呈现焊接不良的出现时机、原因。可进入炉膛的高温摄像系统可以完美的解决此问题，将不可视的焊接过程可视化，为业界同仁提供直观的分析依据。

2.7焊接品质检测（回流炉后AOI）

Reflow后焊点品质检测，早期大部分工厂使用人工目检借助放大镜完成，当下业界多使用3D AOI、2D AOI及人工智能方式执行。炉后AOI误判与检出率是主要矛盾：放宽检验规格，误判率会降低，但漏出率会增加，反之误判率会提升。如何提升检出率并降低误判率是行业的共同课题。一流企业一次性良品率较高，误判多出现在元件丝印方面；一般企业误判种类繁多，元件丝印不良与焊锡爬升角度是主要因素。3D AOI较2D AOI在炉后焊点判定上有明显优势，人工智能算法是降低误判的有效手段。 降低炉后AOI误判的另一有效手段是结合Reflow前AOI功能，将元件丝印误判剔除，可以提升炉后AOI检测准确度，降低复判人员的工作量，为降低AOI漏失率添砖加瓦。

2.8分板品质检测（粗糙度）、分板应力测试（Strain Gage）

传统的分板方式包含人工掰板、圆走刀分板（V-cut）、铡刀分板（V-cut）、锣板（Router）分板、冲切分板（FPC）、激光分板（FPC、薄板）等，分板制程中需监控两个主要参数：分板粗糙度及分板应力。分板粗糙度是指分板后分板界面的毛刺尺寸大小，毛刺尺寸越大，分板应力越大；毛刺越大，越容易对装配产生影响；毛刺越大产生粉尘污染、划伤的机率越大。检测分板毛刺可以使用二次元、电镜、游标卡尺、千分尺、3D显微镜等仪器，分板毛刺是分板制程的重要管制内容之一。分板应力是另一个主要的管制内容，也是应力管控的重要工站。每一个分板治具进料检验，都需要提供应力测试报告。应力管控是品质系统的基础工作之一，也是焊点断裂失效分析的必查内容之一。应力测试使用应力测试仪配合应变片执行，有的企业自行购置应力测试仪，有的企业则使用第三方实验室测试应力。锣板机分板应力与分板治具有关，与刀头锋利度也有直接关系。分板应力管控规格与板子厚度及材质有关。应力测试可参考IPC-9704。

2.9 ICT测试、ICT应力测试（Strain Gage）

ICT测试是大批量单板出货的标配制程，是PCBA静特性的有效衡量方法，可以快速、准确的测定线路的通断及线路上的阻抗、容值、感抗等电器特征。ICT测试制程应力管控是业界的基础要求，每一个测试针床验收都需要应力测试报告。ICT测试还需要持续监控探针卡死、压棒长度、弹簧松脱等现象，避免测试应力超标导致的焊点断裂异常出现。

2.10插装元件引脚成型应力测试、插件应力测试

插装器件引脚成型应力超标会导致器件本体功能失效，如MOSFET引脚折弯成型不当会导致内部绑线断裂或晶元与载板分层；LED引脚成型应力超标会导致LED死灯。元件引脚成型后插装作业同样需监控应力在管制范围内，避免插装应力超标导致的焊点断裂异常出现。应力测试同样是使用应力测试仪及应力片。

2.11波峰焊前AOI测试

波峰焊前AOI主要检测插件作业是否存在漏插、多插、插错位、方向错误、插错件等异常。与SMT制程Reflow前AOI的区别是波峰焊前AOI需要大镜深以应对波峰焊元件高低大落差。

2.12波峰焊温度曲线测试

波峰焊温度曲线测试操作及使用仪器与Reflow制程相同，差异在于测温板的制作。笔者于此不再赘述。

2.13助焊剂喷涂均匀性测试

波峰焊助焊剂喷涂均匀性测试一般使用热敏纸法测定，其基本原理是在玻纤板上布设不同尺寸的孔，将热敏纸覆盖在玻纤板上并用高温玻璃或玻纤板压紧。送入波峰焊正常喷涂助焊剂后将载具及热敏纸取出，观察助焊剂喷涂均匀性。图2.13-1助焊剂喷涂均匀性测试之热敏纸法

2.14锡槽温度测试

波峰焊、小锡炉锡槽温度测试一般使用测温棒作业。测温棒插入熔融的锡槽内，通过感温线将数据传输给Thermal meter，Thermal meter直接显示锡槽温度。使用测温棒量测锡槽温度，测量频率为开线生产或换槽、添加锡条后，确保锡槽焊锡温度到达设定值后方可开始生产。

2.15锡槽合金成份测试

锡槽合金成份的测试是生产管控的例行性工作，一般每月测定一次。锡槽合金成份测试关系着焊锡的流动性、焊点的粗糙度、焊点的韧性、焊点的亮度等。测定锡槽合金成份常用火花放电测试仪，也可以使用ICP检测。测试结果对比J-STD-006规格。小锡炉焊锡成份比照办理。

2.16波峰焊炉后焊点检测AOI

波峰焊、选择焊炉后焊点检测AOI有两种：一般选用底部检测头，可以在板子出炉后直接测试而不用翻板作业；另一种是双面检测头，即上下头同时检测，要求顶部检测头为大镜深以匹配插件元件的高低差异。

2.17产品洁度测试

产品清洁度检测有两种测试方案，一是检测清洗后PCB板面残留的树脂，二是检测PCB板面残留的离子浓度。清洗制程一般会在工艺设定时做鉴定测试，免洗制程则在焊接材料评估时鉴定。测定产品清洁度可以采用直接检测方案与间接检测方案。直接测试方案是将清洁后的PCBA做高温高湿及带电测试，观察板面是否有电化学迁移现象出现或腐蚀现象出现；间接测试方案是测定板面残留离子浓度以评鉴产品清洁度，常用的有萃取液燃烧法及萃取液离子测定法两种。具体操作在IPC-TM-650内有阐述。

2.18胶水固化率测试

胶水固化率测试一般用于灌封、底部填充、密封制程，测定胶水固化率通常在胶水、制程评鉴时执行。

胶水固化率检测使用胶水固化率测试仪，通常实验室配置此仪器、胶水厂商配置此仪器。

2.19手工焊和维修烙铁温度测试、热风枪温度测试

烙铁、热风枪温度测试为工厂日常管理的必检项目，通常为每天点检测试。使用烙铁、热风枪温度测试仪，图2.19-1烙铁点检测试仪。当下业界配置的点检测试仪具备无线网络对接能力，企业可以对所有烙铁、热风枪编号管制（二维码、普通条码皆可），测试人员手持扫描枪扫描待测试设备后直接测试，通过工厂无线网络将数据直接传入工厂管理系统内。这种信息化点检系统让人员作业变得简单、便捷、即时、可视，且具备智能提醒功能，可以满足任何等级的品质追踪要求。

2.20烙铁&热风枪接地电压测试

烙铁热风枪对地电压测试也是日常点检的必须项，是评鉴设备对地漏电的有效方案。通常用于异常分析、定期点检。对地电压测试可以使用万用表作业。

2.21所有设备接地检测、工作台接地检测

所有设备接地检测、工作台接地检测，通常用于工厂静电系统验收、工厂静电系统年度或半年度点检，因其测试相对麻烦，所以不作为日常点检必备项目管制。设备接地系统点检需要超长可伸缩电缆，一端接于静电地桩，另一端可随意移动测试接地系统对地电阻及电压，图2.21-1接地系统点检装备。

2.22功能测试（FT）

功能测试是所有电子产品出货前的必测项目，是确保产品功能、性能指标合格的最有效直接手段。功能测试搭配环境控制箱，可以模拟产品在各种服役条件下工作的稳定性。大部分功能测试不需要特定仪器，其测试拦截效果取决于测试软件的涵盖率，也就是测试内容调用了产品的多少功能、涉及了产品上多少线路及元件。测试涵盖率是衡量功能测试能力的重要指标，是研发团队对产品功能、性能理解并掌控的直接体现。

后记，因篇幅受限，本期与同仁讨论了PCBA制程中进料检验技术与生产制程检测技术，欢迎关注后续内容：装配测试和试验室检测技术