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PCBA生产制造过程中的工艺管控(二)

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-25  浏览次数:1075
核心提示:【案例3】顾客反馈某一型号的PCBA电阻R57断裂(功能测试不良),显微镜观察发现不良主板上的R57电阻疑似有裂痕,用烙铁将R57电阻
 【案例3】顾客反馈某一型号的PCBA电阻R57断裂(功能测试不良),微镜观察发现不良主板上的R57电阻疑似有裂痕用烙铁将R57电阻接时电阻断裂(5PCS NG品中有 3PCS断裂)

我们的分析过程如下:

PCB设计看,R57位于PCBA的主面(TOP面),焊盘两端完全对称,不会出现焊接过程中焊锡凝固中的受力不均拉裂;怀疑在生产过程中受到外力,根据生产流程逐一排查可能受到的应力作用。

   在SMT工段,本PCBA两面均有贴片元器件,工艺流程是主面(TOP面)刷膏---贴片---回流焊接---辅面(BOT面)印胶---贴片---回流固化---AOI检测---检验---转THT工段。首先是主面刷膏贴片,贴片元器件没有受到其他碰撞、压力的可能;再进行辅面刷胶贴片,在这个过程中由于采用半自动印刷机,印制板要使用多个顶针支撑放置,印胶使用的顶针的数量、具体位置没有规范,顶针长短不一,完全依靠操作者人为进行,不同批次的顶针放置位置很难做到一致,如果顶针位置放置不当,刚好在R57位置就会导致R57贴片元件受到印胶时的强大压力,从而造成机械应力失效断裂。而贴片、回流焊固化是夹持板边,没有造成其他碰撞、压力的可能。


   在THT工段,工艺流程是搪锡---分板---插件---波峰焊---检修---清洗---点胶---检验---包装---储运发货。插件流水线是夹持板边,波峰焊接采用的是焊接托盘过炉,检修流水线是皮带传送,均没有可碰触R57贴片元件的可能。储运采用的硬塑防静电箱,内部通过刀卡把每个PCBA隔离放置,也不会引起碰撞应力作用。两拼版分开采用的是手工掰板,在此过程中,板上的元器件可能因PCB厂家微割槽的深浅不同,受到的分板的力度大小不同,板子周边元器件可能受到应力失效。

   改进措施:在SMT工段固定顶针位置及数量,制作有机玻璃顶针模板,每次作业前进行核对确认,并推广到所有SMT产品。在THT工段将手动分板改为分板机分板,杜绝分板应力,并推广到所有需分板的操作。经过近6个月的统计,再没有发现类似的问题。

作为全球性的电子装配及互联协会IPC,为了指导业界在PCBA组装制造过程中提前避免失误和发现问题,制定和发布了IPC/JEDEC-9704A:2012《印制板应变测试指南》的标准,其中包含了PCBA组装和测试的应力方面测试内容。标准规定电子元器件所承受的应力标准为<800um/m,一般要控制在500~600 um/m以下。

识别PCBA生产制造过程中潜在的易于产生过大压力的工序/工位的最大应力,以便确定应力处于允许范围内。如果测量得到的应力值超过了PCBA的允许应力水平的最大值,应重新制造或者设计夹具,或者按要求改变流程,使得PCBA组装测试过程中的应力值回到允许范围之内。藉此,以保证组装制造过程不至于出现机械应力对PCBA造成的损伤或潜在风险。

分板应力是生产制造过程中最容易产生应力危害的工序/工位,通过目视较难掌握,看似符合可接受的分板要求作业,在采用应变测试度量的情况下,却发现常常是分板机的分板应力超标。通过运用应变测试仪器进行测试改善情况的度量比较,得出结论分板应力大是分板机上下刀片的平面度不好、刀具磨损变形造成的。为此,通过分板作业规范加以固化,从而大大降低潜在应力风险的发生率。

4.5 手工焊接的特别管控

在双面混装工艺中,辅面插装件的焊接常常采用手工焊接;特别简单的PCBA组装焊接,基于优化工艺成本考量,也常常使用手工焊接;对于研发初期PCBA样品的焊接,不少厂家也使用手工焊接。手工焊接作为一种最基础的焊接方法,在电子组装和返修中始终是基础的工艺之一。电烙铁使用的好坏,直接关系到产品品质的优劣。但是受到温度和焊接时间较难精确控制、操作者技能和心情等多种因素的影响,焊接的各种潜在风险随之增加。

手工焊接的不良风险大都是由不良的焊接习惯和错误的操作方法所造成。正确的手工焊接操作过程有五步法和三步法,实质是一样的,如图6所示。

  6 正确的手工焊接操作过程

【案例4】我们在给顾客代工一种PCBA,其中需要手工焊接插座,结果出现插座内有溢锡现象,如图7所示。在4~5个批次的监控中,发现每批次都有7%~10%的不良。

   7 手工焊接插座溢锡不良

我们的分析过程如下:

手工焊接与波峰焊接的原理是不同的,如图8所示。手工焊接是从焊接面加锡,熔融的焊锡液会通过重力作用(FG)和插座引脚的芯吸作用加速焊锡从上向下流入插座孔内。而波峰焊则是通过焊料锡波从下向上浪涌进行焊接,通过重力作用和焊锡的表面张力作用(Fr可以阻止焊锡上冲,只要波峰高度适宜不会出现熔融的焊锡液冲到插座孔内。

8 手工焊接与波峰焊接的原理比较示意

对于上面提到的插座的手工焊接,焊接温度过高、拉焊时间过长、堆锡过多,通过重力作用(FG)和插座引脚的芯吸作用,使得熔融的焊锡加速从上向下沿针脚流入焊接处针脚金属孔内造成溢锡,从而出现堵孔,对插插头将会插不到底(如图9所示)。

     

图9  手工焊接溢锡分析

改进措施PCB上插座引脚孔径∮=1.5mm,而引脚尺寸为0.7mm×0.3mm,外接圆直径∮=0.762mm,对于手工焊接插装孔径应比引脚稍大0.2~0.4mm。因此,我们建议将PCB插座孔径的设计减小到∮=1.1mm,手工焊接时焊锡容易填满孔径。

另外,在焊接工艺方法上,我们将被焊的PCBA倾斜45°~ 60°后进行焊接,使得重力作用(FG)和插座引脚的芯吸作用明显减少;再加上手工焊接的工艺过程控制,溢锡的风险已经降低到6σ

4.6 波峰焊接尽量使用焊接托盘

焊接托盘是一种承载保护PCB及其元器件的用于波峰焊接的工装治具(载具),如图10所示。


图10  实际焊接托盘

使用焊接托盘主要有以下诸多好处:

(1)可以淘汰红胶贴片工艺,减少贴片胶固化工序,提高生产效率,降低生产成本。

(2)可以限制基板受热形变的程度,防止冒锡现象的发生,从而确保浸锡效果的稳定。

(3)可以保护焊接面的贴片元器件免受高温影响,避免焊点二次熔化,使其寿命大大延长。对于保护型焊接托盘实测贴片元器件承受的最高温度在100~120℃之间。

(4)可以增加喷锡高度,对于满足IPC-A-610三级标准双面透锡的PCBA生产效果较佳。

(5)可以辅助支撑和定位,用于焊接任何类型的规矩外形或线路板。

(6)有助于标准化产品线的宽度,在同一条生产线上焊接不同的线路板提升生产效率。

使用焊接托盘进行PCBA的波峰焊焊接,在进行PCB设计之初就要充分考虑实际电装的可制造性设计DFMDesign For Manufacture)就是从产品开发设计策划开始,就考虑到可制造性,使设计和制造之间紧密联系,实现从设计到制造一次成功的目的。一旦PCB设计完成,其制造性也就被确定了下来,后期的PCBA各种组装焊接工艺和方法只能是在有利于制造单位能顺利生产、提高PCBA装焊良率方面做文章。如果说设计本身存在缺陷,波峰焊生产并不能100%保证焊接良率与可靠性,波峰焊焊接后面的补修工位是必须的。

4.7 BGA回流焊接使用焊接托盘

  近年来,球栅阵列封装器件简称BGA(ball grid array)PCBA上的使用量急剧增加,而BGA表面组装的不良率时有发生,焊接检查和返修都较为困难。除了PCB选择、锡膏印刷工艺参数精确设置、回流焊工艺参数精确设置外,使用焊接托盘防止焊接时PCB热应力影响,对预防焊接缺陷具有一定的效果。

5.PCBA组装工艺急需解决的问题

5.1 转包生产导致品质不稳定

在外包生产过程中,企业要依赖外包生产商但又无法控制其转包行为,从而可能导致外包生产的品质波动。因为转包往往都是因为EMS公司(外包代工厂)不断地揽货,揽越来越多的活,然后把自己工厂的加工生产集中到那些高增长、高利润的顾客,在生产安排不能满足交货期的要求或者为了获得更大利益时而临时寻找更小的第三方代工厂外协加工,质量管理和品质监控跟不上。

为此,要强化电子组装工艺培训。代工生产制造的主体是组装生产员工,他(她)们的组装理论基础、质量意识、操作技能等直接影响到PCBA产品的质量。要使得组装生产满足代工厂的质量管理要求,在员工入厂时就应进行组装工艺基础培训;要使得岗位技能满足组装生产要求,在上岗前要得到相应的操作技能培训;要使得组装生产的质量满足顾客的需求,在新产品导入时就应强化组装工艺的培训;……

培训使员工从思想上充分理解组装的一般要求和具体注意事项,使员工的组装操作符合装配要求,使“产品是制造出来的”理念得以体现。

5.2 追求零缺陷导致的过分检查

对于顾客来讲,当然追求的是零缺陷目标。而作为EMS制造商来讲,要在品质与效率之间寻找一个平衡点,在电子组装工艺中重视应用SPC工具,建立一个平衡的检查(inspection)与监测(monitering)的策略,保证正常连续稳定的生产,使产品实物达成一致性,实现制造能力水平与产品品质水平的PPM等级。要避免过分检查破坏正常生产秩序。

过分检查也是一个普遍的问题。在许多情况中,过分检查只是由于对IPC-A-610工艺标准的错位理解所造成的。例如,对于插入安装的元件,许多检查员还希望板的两面完美的焊接圆脚,通孔完全充满可这不是IPC-A-610所要求的。检查质量随着检查员的注意力紧张与集中的程度而波动。例如,惧怕(管理层的压力)可能提高生产场所的注意力集中程度,一段时间内质量可能改善。可是,如果大批检查是主要的检查方法,那么缺陷产品还可能产生,并可能走出工厂。

要避免过分检测,就是要在工艺测试技术设计中充分发挥组合方案中每一种测试技术的优势,使得测试范围涵盖PCBA组装检测的所有方面,并且能消除重复测试的浪费。从近几年的发展趋势来看,测试技术方法选择的主要依据应该着眼于PCBA组件和工艺的类型、故障概率谱和对产品可靠性的要求,使用两种或以上测试技术手段并用、互为补充乃是最佳途径我们认为实用的比较好的组合SMT工段采用AOI+MVI,插装工段采用AXI+FCT。

5.3 不规范的加工流程管理

对于任何一个代工企业来讲,规范化、程序化的管理是大家有序工作的基础。对于参差不齐的顾客水准,在代工之初,就要发挥NPI工程师的重要作用,在接单之初就要协调提供必要的资料与加工特殊要求、物料控制。通过这样的方式,尽可能地减少外包加工的不可控因素,使得代工生产组织提高效率。

在新产品导入过程中的打样阶段,NPI工程师要保证最大可能发挥产线工艺配置,使打样过程中尽可能地发现暴露产品PCBA加工制造中的问题,并将其反馈顾客,与顾客一起对问题点进行讨论,为试产和量产扫清障碍。

PCBA的生产全过程进行流程设计和管控,防止出现衔接断带,造成不必要的损失。我们在给一个顾客代工小批量、多品种的PCBA过程中,顾客开始经常投诉发到他们处的PCBA多个品种出现元器件破损,而且基本都处于PCBA板子的四周边缘附近。经过对代工生产全过程的再观察检讨,PCBA的生产过程中,SMT工段、THT工段、FCT工段均有检查工位,对于破损的元器件外观就可以检出,所以工段内破损是可以受控的。但是工段之间的衔接,从检验完成到包装,都要通过周转车运送,如图12所示。运送过程处于监控之外,检验完成品在包装之前,因为L架的插槽深有3mm和6mm两种,顾客的许多品种PCBA板边2~6mm之内会设计有元器件,PCBA板边元器件在插槽内受外力倾斜或倒塌,从而造成板边6mm之内的元器件发生碰撞破损的风险。

发现了问题的根本原因,对运送过程、包装工序的衔接明确责任,对每一种PCBA放置于L架(如图11所示)规定固定位置,增加包材就近包装,措施实施后再未出现顾客的破损投诉。

11  PCBA放置于L架及周转车

5.4 劳动力短缺造成的员工队伍不稳定

中国作为一个人口红利大国的劳动力随着经济的发展正在消失殆尽,人工成本的逐年递增,代工企业的劳动力越来越短缺,员工流动加剧,而且代工企业本身的利润就低,不愿意投入应有的培训,从而造成岗位技能的缺失,员工团队素质偏低,会直接影响到组装加工品质。加工制造业产业工人的工资水平随着社会性工资结构的增长不得不增长,但由于增长的极度缓慢,导致产业工人的素质在快速降低和数量在快速减少,技术人员也在向别的行业渗透,代工企业的工艺制造能力提升投入越显不足,代工质量的要求却越来越高,由此形成了强烈的反差。

EMS代工制造企业员工整体素质呈现“三多三少”状况,即文化程度低的多、高的少;技术技能低的多、高的少;主观意愿不学习的多、爱学习的少。为此,要注重建立一支相对稳定的多能工生产员工队伍,由他们带领新员工一起作业,由他们进行原型样板的生产制造或代工打样,以便及时发现问题,做好可制造性的评审验证,尽早为批量加工制造铺平道路,对顾客的设计不足积极督促改进,降低后续加工制造综合成本。

5.5 忽视返修工艺的管控

在印制板组件PCBA(以下简称PCBA)生产组装过程中难免会出现一些缺陷或不良,售后产品也会存在返修的可能,这使得返修是必须做的事情。在PCBA返修中,印制板PCB和元器件的损坏很常见,损坏的类型包括塑料外层熔化、阻焊膜烧焦、元器件移位或裂纹、焊盘翘起、桥连、印制线断裂等等。大多数的工厂都是招收有经验的维修工进行返修工作,返修质量的保证主要靠维修工的技能和责任心,而且返修工作的流程管理常常存在混乱,导致返修品实物“一个老鼠害了一锅汤”的后果时常发生。返修往往被当做常规工种对待,返修工艺的可靠性评估、返修工艺标准化管理常常被忽视。

电子行业广泛使用的IPC-7711/7721B电子组件的返工、修改和维修标准,它是指导业界对于无铅焊接和传统的锡铅合金焊接的组件返工返修工作的技术支撑,是最全面最有效的返修工艺参考手册。返修作为电子组装制造过程中的一道工序,返修工艺设计还必须注意以下几个方面:

1)返修中只使用适于所有组件的、活性低的助焊剂。

2)在保证焊接的条件下使烙铁温度或返修工作台/站温度设置尽可能低。

3)返修之前适当预热PCBA,这是返修工作最容易忽视的问题之一。事实上,有时返修后比返修之前的状况更糟糕。尽管有些“返修”缺陷有时能被后道工序检验员所发现,但多数情况下总是看不出来,在以后电路试验或使用中会暴露出来。

4)返修之后迅速冷却焊点,这是返修工作最容易忽视的问题之二。一般返修焊接后的冷却均是自然冷却法,从焊接工艺的角度来讲是不合适的,因为缓慢的冷却会使焊点强度降低,而快速冷却能阻止铅的析出,使晶粒结构更紧,焊点更牢固。这也就是为什么在自动化焊接(波峰焊焊接、回流焊焊接)设备中设置焊接后的强制快速冷却的主要原因。

5)免清洗制程PCBA的返修对返修材料的免清洗兼容性要求。在返修制程中使用与正常生产制造中相同的免清洗助焊剂或者互相兼容的助焊剂,截留在PCBA内或远离引脚的助焊剂,不会受到烙铁的加热而遗留在PCBA上。因而,如果返修中使用了非免清洗助焊剂,就可能会出现SIR和腐蚀等可靠性问题。

5.6 无铅环保工艺应用

伴随着RoHS环保理念和法规的运行,我们正在经历从有铅焊接向无铅焊接的转变。无铅技术虽然在一定程度上是从含铅技术上发展而来,但其焊接材料的熔点的提高,使得焊接设备工艺窗口变窄,元器件的选择与使用又受到供应商的限制,所以焊接工艺需要慎重考虑。

无铅元器件和有铅元器件的混用会在较长一段时间内存在,特别是军工PCBA显得更为突出,只能使用有铅焊接工艺,BGA器件出厂时置的是无铅锡球,是属于无铅元件,这种焊接就需要进行实验设计(DOE),以便获得最佳焊接品质可靠性。要充分研究无铅焊料或焊锡丝的焊接温度工艺窗口,使得无铅焊接不影响到PCBA的性能与可靠性。

基于生产制造的PCBA对应的顾客不同,有的PCBA要求是有铅产品(非环保),有的PCBA要求是无铅产品(环保,符合RoHS指令),生产制造工厂最好将无铅制程与有铅制程划分区域、分线进行,工装夹具、手工焊接用的电烙铁、焊锡丝必须分开使用,以免出现污染,造成不必要的损失。

7.结束语

电子组装工艺是和电子制造业的发展水平相适应的,追求的目标就是贯彻“电子精装”,体现“产品是制造出来的”理念。它包含了所有的电子产品整机及PCBA的装联。随着人们对产品品质要求的不断提高,贴装、插装、焊接、清洁、防静电的有效性、可靠性成为保证电子精装的永恒话题。在电子组装中认真思考生产制造过程中的问题,完善组装工艺管控的各项工作,包括配料卡、操作指示、工艺流程、电子制程设计等等,防止遗漏,使结果更加实用、有效。

 
 
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