新的研究揭示了元件的缺陷密度

1引言 通过对几乎多达10亿个焊接接点的广泛研究，终于揭示了印刷电路板组件(PCBA)上元件的缺陷密度和最常见的缺陷。在1999年，对欧洲和北美的15家不同公司的某些产品数据进行了研究，其中包括8家原设备制造厂(OEM)和7家电子制造服务(EMS)提供商。所有的公司都使用自动的X射线检查(AXl)来研究多达10亿个焊接点的综合情况。 最近，使用相同的数据源，研究分析了诸如焊球阵列(BGA)、方形扁平封装(QFP)、J型引线元件、连接器、芯片电阻和芯片电容等不同类型的元件。这次新研究也分析了不同固定方式和不同划吭件的缺陷密度。 使用相同的AXI系统和特定的软件程序，在公司的设备上自动收集了数据。数据收集方法按以下步骤进行，采用AXI系统检查PCBA时，利用检查结果产生一个文件，软件解析该文件，并引出有关PCBA的信息，如它被测试时所检查的系列编号、印刷电路板类型、焊点数目以及作为检测的已检测焊接点数目，然后将这种数据自动写入微软公司的Access数据库。 第二个重要的事件是修复检测的PCBA时产生的，在修复过程中，很多信息由检修人员引入，应生成另外的文件。新文件包含的信息有产品系列号、印刷电路板类型、修复时间、检修操作人员姓名以及与每一个缺陷相应的元件的元件名、引线标号、缺陷类型及缺陷是否得到修复。当该文件生成后，软件再次解析文件中的信息，并将它写入Access数据库。 在1999年，所研究的印刷电路板的总数为328964块，研究的焊接点的总数为1013770241点，不同印刷电路板的种类总数为566种。在新的研究中，每一种类型的印刷电路板需要一种另外的计算机辅助设计(CAD)文件。但是，该文件只适用于393种类型的印刷电路板。所以，新研究中的数据比原始数据稍微小一点。这种情况包括所检查的253，018块印刷电路板。843171778个焊点以及由检修操作人员确认的910111个缺陷。 2缺陷密度 缺陷，是一种无法接受的规范偏差。在本研究中，所谓的缺陷密度是指每一百万个焊点中产生缺陷的焊点数(ppm)，所谓的ppm密度是针对焊点基数而言的。每一个焊点有一次产生缺陷的机会，所以，这种机会的选择结果可能是零缺陷，也可能一个焊点就是一个缺陷。 采用AXI系统所作的所有检查结果，检修操作人员可以把其中的缺陷分成三种类型： ●R--焊点是缺陷并已得到修复，或元件的放置缺陷已得到修正。 ●N--种临界缺陷，缺陷尚未严重到足以需要修整的程度，但是有明显值得注意的工艺偏差，如果这种缺陷达到足够严重程度，可以由工艺工程师修正。 ●F--可疑缺陷，属于本研究范围之外。 N类缺陷始终不让所有公司使用，但有的公司使用它的意义是在以后把这种缺陷放在特定修理站进行修正。由于出现这种矛盾，所以一般将R类和N类合在一起来表示缺陷。其结果可能产生所得缺陷密度比实际缺陷密度稍高。但是，在其它测试中，如电路测试、功能测试及系统测试等步骤中检测到的缺陷未被包括在内，其结果可能低于实际出现的缺陷密度。在不同的15家公司中，平均缺陷密度为1083ppm (R+N)。 3另外的CAD数据 采用不同的算法，利用AXI系统探测不同类型的焊点。特殊元件的焊点所用的算法是在CAD文件中规定的。CAD文件中也包含了每一焊点和每一元件的x、y＼宽度和长度等信息。通过分析CAD文件，数据库将被这些信息更新。 另外，几乎所有的公司都使用字符U来表示IC标示符的第一个字符，使用字符J来表示连接符，只表示电阻，等等。这些信息也被加入到数据库中，在这种已更新的新数据库中，可以写入新的查询，并可检索到另外的信息。 4每一种焊接类型的缺陷 这种信息表明，数据采集中涉及到的最流行的焊接类型是鸥翼型(gullwing)焊接，约有3．96亿个焊点；其次是芯片元件，约有2．73亿个焊点；第三种类型是BGA的焊接，约有9000万个焊点。另外的两种主要的焊接类型(订单正在减少)是J型引线和电镀通孔(FrH)。数据库中大约99％的焊点数据是由这5种焊接类型中的焊点数据构成的，因此，只进一步讨论这几种类型的焊点情况。 这几种焊接方法的缺陷密度分析表明，PTH类的缺陷密度最高，接近4000ppm。这种结果并不会令人感到惊奇，因为在波峰焊接工艺中被焊接的PTH引线最多，因此比回流焊接工艺引人的缺陷明显的多。 鸥翼型焊接是缺陷密度处于第二高位的焊接，其缺陷密度高达1400ppm，在本研究中是研究焊接数量最多的一类。在芯片、J型引线和BGA焊接类型中，其缺陷密度相近，约为600ppm。在该组数据中，平均缺陷密度为1079ppm。 在本研究中，所有焊接类型的缺陷图谱表明，其中最突出的缺陷类型是开路，占48％；其次是短路，占23％；焊接不牢固的占15％；元件脱漏的占4％。约有25％的缺陷，包括焊接不牢固、未对准、虚焊和错误定位在内，是很难采用电性能测试如电路测试、功能测试或系统测试等方法来发现的，但是它们可能在终端用户的现场出现故障。 5鸥翼型焊接 鸥翼型是本数据采集中最通用的焊接类型，本研究包括396115325个鸥翼型焊点，这些焊点中的多数是在QFP上，而有一些是双列直插式集成电路和表面安装连接器。在该类焊接中的总缺陷数为547601个，缺陷密度为1382ppm，比平均值稍高。 本研究分析了QFPIC中每一元件引线间距为(0．0254×16)mm、(0．0254 ×20)mm、(0．0254×25)mm和(0．025×50)mm的缺陷密度数据。正如所预测的一样，间距越小，缺陷密度越高。引线间距为(0．0254×16) mir的缺陷密度为13080ppm，比平均值高一个数量级。引线间距为(0．0254×20)mm的缺陷密度为1878ppm，也比本研究中的平均缺陷密度高，但是明显比引线间距为(0．0254×16)Illin的低。引线间距为(0．0254×25)Nun的缺陷密度为950ppm，比1079ppm平均值稍低，引线间距为(0．0254×50)mill的缺陷密度为650ppm。 因此，要降低缺陷密度，如果可能，应当避免使用(0．0254×6)mill和(0．0254×20)mln引线间距的QFP元件。在许多情况下，你可能无法选择有较低缺陷密度的元件封装，但是，如果选用了(0．0254×6)rain和(0．0254×20)ilun引线间距的QFP，很多缺陷是应该预计得到的。 所有鸥翼型焊点的缺陷图谱表明，四种最常见的缺陷类型是开路，占65％；短路占16％；焊接不牢固占11％；对位不准占5％；其缺陷图谱，再加上其缺陷密度数据，可有力地说明，非常突出的缺陷来自引线问题，如共面问题和弯曲引线。 6芯片焊点 第二大类焊接是芯片元件的焊接，如芯片电阻和芯片电容。在该类型中，这次研究了272533954个焊点，确认的缺陷有174704个，得到该类的缺陷密度为641ppm。 一些不同尺寸芯片元件的缺陷密度表明，对于不同欧翼型QFP焊点间距的缺陷密度，结果并不令人惊讶。同样地，人们会认为小芯片元件的缺陷密度一定会更高，然而结果并不是这种情况。0402的缺陷密度为31lppm，0603的缺陷密度为91ppm，0805的缺陷密度为298ppm，这些结果表明比平均缺陷密度低。 对于1206，缺陷密度增加到702ppm，仍然低于平均值。2012的缺陷密度为2848ppm，2512的缺陷密度为4893ppm，明显高于平均值，比小芯片元件高约一个数量级。所遇见的工艺工程师还不能回答为什么会产生这种结果。有的工程师认为，较小尺寸的元件可能在回流焊箱中更容易自动校准，但这种解释还只是理论上的解释。 关于各种芯片元件焊点的缺陷图谱表明，最高的缺陷类型是短路，占47％，其次是开路，占26％，与欧翼型焊接的缺陷不同。 7BGA焊点 BGA焊点占了所有研究总数的11％，1998年有三家公司的类似研究只占3％。越来越多的BGA应用于PCBA中，该数据确认了上述事实。该研究包含了90409810个BGA焊点，有56044个缺陷，或620ppm。 不同的球间距的缺陷密度表明，间距越小，缺陷密度越高。(0．0254×50)mill间距一组的研究焊点总数明显多，大约有8100万个焊点，(0．0254×100)mill间距的研究焊点数为760万个；小于(0．0254×50)rani间距的研究数为170万个。 但是，BGA的缺陷密度比预测的要高，1309个BGA元件只有一个或几个缺陷。每一个有缺陷BGA的平均缺陷焊球数为43个，1309个有缺陷BGA元件的一组，其中447个BGA元件有1个或2个有缺陷的焊球，余下的862个BGA元件有2个以上的有缺陷焊点或有缺陷的焊球。所以，BGA总的质量是良好的，即使对于焊接基数的缺陷密度很高也是如此。关键的问题是，修复一个焊点或焊球缺陷的一个BGA与修复有5m个缺陷的BGA一样困难。 四组最高BGA缺陷的缺陷图谱表明，占主导成分的缺陷是焊接不牢固，占42％。在本研究中，11783个焊球有足够多的空位被标记为缺陷，占所有BGA缺陷的21％，第三组缺陷是短路，占12％。 8J型引线焊点 J型引线焊点是很容易焊接的，其缺陷密度低。包含有J型引线的集成电路封装，本研究探讨了48862591个J型引线焊点，有22805个缺陷，产生的缺陷密度为466ppm。 J型引线的缺陷图谱表明，占主导成分的缺陷是开路，占74％；其次是焊接不牢固，占11％；再其次是短路，占8％。在J型引线焊接数据或缺陷图谱中，没有出现令人感到惊奇的现象。 9PTH焊点 该组中，PTH焊点有很高的缺陷密度，达3976ppm。多数PTH焊点是采用波峰焊或选择性波峰焊工艺焊接的。波峰焊工艺是广为人知的会引入许多缺陷的工艺。在不同的测试及检查系统的有效性研究中，占总缺陷的50％以上是波峰焊工艺引入的。 PTH焊点的缺陷图谱表明，缺陷最多的是短，占36％；其次是焊接不牢固，占35％；脱漏的占20％。焊接不牢固的缺陷，多数情况是管状填料不充足，未能将焊料送人孔内。脱漏缺陷是完全缺少引线或引线没有被推人孔中。 10表面安装和PTH连接器 除(0．0254×16)mill的QFPIC和一些芯片元件以外，连接器是产生最多缺陷的一类元件。通孔连接器和表面安装连接器的焊接已在数据库中进行了分析。通孔连接器的焊点研究总数比表面安装连接器的稍微多一点，通孔连接器的为10479336个焊点，表面安装连接器的为7308288个焊点。表面安装连接器的缺陷密度稍微高一些，为2727ppm，通孔连接器的为2289ppm。 如上所述，通孔连接器的主要问题是波峰工艺，其中引人了许多缺陷，表面安装连接器的问题是连接器中的引线脚。所选的引线脚材料必须有良好的弹性特点，否则它将在回流焊工艺中出现问题。解决办法并不是在焊接过程中推下连接器。因为熔融的焊料并不完全在表面安装连接器引线脚周围流动。由于每一种连接器的问题不同，因此还没有明显有效的选择方案可达到降低缺陷密度的目的。 11结论 这些研究结果是1999年秋季从北美和欧洲的15家不同的制造设备收集3至6个月的生产数据得到的。未经加工的原始数据，是利用X射线检查328，964个PCBA上的10亿以上的焊点得到的。本研究的主要结论是： ●本研究的结果表明，平均缺陷密度约为1100ppm，明显高于通常工业提出的标准。 ●最常见的缺陷是开路，占48％；短路占23％；焊接不牢固占15％；元件脱漏占4％。 ●最普通的焊接类型是欧翼型，其次是芯片元件。 ●在1999年以后使用BGA的研究明显比1998以前所作的类似研究多。 ●（0.0254×16）mmQFP具有最高的缺陷密度，其次是2512和2010芯片元件，然后是表面安装连接器和通孔连接器