印制板组件电装在线检测技术的应用

印制板组件电装在线检测技术的应用

航天科工集团三院 33 所惯性公司

董学辉、杜莉莉、张亚妹

摘要:本文对印制板组件电装在线检测技术的应用中在线 3D-SPI 检测和 3D-A1 检测技术的工艺验证过程及工程应用成果。通过3D-SP1 和3D-AOI 自动视觉检测设备在SMT 生产中锡膏印刷质量检测和焊接后焊点质量检测是应用，实现多种焊接前后特征的检测并实现自动进行在线检测。

关键词:自动检测 印刷质量检测规则

引言

随着电子技术的发展，电子组装件正在逐步趋向微型化，印制板组件上的元器件封装在逐步减小，如0.3Pith封装以及BTC类元器件的使用，使得印制板组件表面组装过程中锡膏印刷质量显得尤为重要，随着电子产品规格、种类、数量的增加，0201甚至01005chip、高精密元器件如BGA、QFP、QFN等在各产品中的应用也越来越广泛，由于该类型元器件的引腿比较密集，间距小，焊膏印刷和焊接过程中，多发生锡膏露印、少锡、多锡、连锡、焊膏小幅度的偏移等印刷缺陷，导致元器件焊接不良。密间距封装器件的大量使用，使得印刷缺陷使用人工目检的方法不易发现，给锡膏印刷质量的检测带来了困难。印刷检测后使用3DAOI检测设备用于各类型元器件的焊接正确性质量检测还能多引线集成芯片等器件的焊点质量进行检测，能够取代目前人工目视检测多引线器件桥连、虚焊等。通过设计AOT检测规则及参数，实现各种立体焊接特征的检测，与汽相再流焊接设备相连，实现在线焊接及检测实时输出检测结果，因此使用在线式3DAOI检测设备，实现在线贴装、焊接及检测，最大限度的实现设备贴装、焊接及检测效能，使设备能力发挥最大化。

1技术方案

A)理论计算出的锡膏印刷面积、高度、体积、偏移量等关键技术参数的可接受范围在自动焊膏印刷检测设备(3DSPI)中进行设置，通过理论与实践的相结合得出锡膏印刷质量关键技术参数的最佳可接受范围。

B)使用确定后的技术参数的可接受范围值对样板进行检测，对印刷完成后的焊盘锡膏印刷质量，器件贴装后的锡膏质量以及回流焊接完成后的焊点形态进行对比，验证检测范围的合理性以及有效性。

c)通过AOI检测设备，根据不同封装、不同类型的元器件识别焊接特征点，选择适当的检测算法、设置合适的参数，设计各种焊接特征的检测规则及参数，从而实现各种封装焊点的检测;

d)制定检验判据，用于指导检测程序编制:设计检测规则及参数，实现各种立体焊接特征的检测，实现电装生产线的在线检测

2自动焊膏印刷检测技术攻关过程

2.1不同封装元器件焊盘印刷锡膏量的理论计算范围

2.11不同焊盘钢网开孔方式

印刷到PCB上的焊膏量主要是由开孔尺寸和钢网厚度决定，循环印刷过程中刮刀将焊膏填充到钢网开孔中。钢网尺寸越小需要的焊膏颗粒尺寸越小，钢网开孔的原则要求开孔宽度至少可以横向通过5个焊膏粉颗粒，即“五球法则”，钢网的厚度应至少可以纵向排列3个焊膏粉颗粒，即“三球法则”，如图1。

图1焊锡球在孔中的分布

为了防止锡珠、焊盘连锡等现象的发生，目前生产中使用的锡膏印刷钢网相较于通用开孔要求的基础上进行了改进，改进要求如下:

2.12CHIP类芯片

R、C以及L(类似R、C封装)元件按内凹8%方形做防锡球处理，如图2

图2阻容件开孔防锡珠处理

2.1.3 三极管类、D(二极管)、F(保险丝)、L (电感:非R、C类封装)及带极性元件三极管类、D(二极管)、F(保险丝)(电感:非R、C类封装)及带极性元件均1:1开口。

2.1.4 IC类

目前航天生产产品中，使用的IC封装器件的Pitch主要以0.5、0.65、1.27及以上的间距为主，其开孔尺寸为1:1。

2.15 BGA类器件

常见 BGA焊盘以及钢网开孔尺寸，是根据网版的厚度、间距以及焊盘的尺寸确定出来的此类元器件的开口尺寸。

2.2、不同焊盘锡膏印刷面积、高度、体积以及偏移量的理论计算

221、锡膏印刷面积的理论接受百分比值

对于R、C以及L(类似R、C封装)元件,设印制板上阻容件的焊盘面积为a，则钢网开孔面积为92%a，印刷在焊盘上的锡膏的面积为b，印刷在焊盘上的锡膏的面积占钢网对应开孔的面积百分比c

依据QJB177-2010要求，印刷在焊盘上的锡膏量允许有一定的偏差，但焊膏覆盖在每个焊盘上的面积应大于焊盘面积的80%。

则0.92a·c=0.8a c=0.87

即锡膏的最小面积占钢网开孔的面积的87%时满足标准QJB177-2010要求。同样的方法对三极管类、D(二极管)、F(保险丝)、L(电感:非R、C类封装)及带极性元件、IC类BGA类器件进行计算得出不同封装元器件的锡膏印刷面积接受最小百分比。

2.22、锡膏印刷高度的理论接受百分比值

焊锡膏印刷高度往往由印刷钢网的厚度以及钢网与印制板之间的间隙决定,印刷钢网的厚度选择，依据印制板上最小间距元器件焊盘开孔的宽厚比和面积比来确定，当最小元器件的开孔长度L和宽度W，如图3所示,满足长度L>5W时，钢网的厚度主要以宽厚比(开口宽上模板厚度的比率)决定即：W/T>1.5

当最小元器件的开孔长度L和宽度w,满足长度L≤5W时，钢网的后度主要以面积比(开口面积与孔壁横截面积的比率) 决定即：

(W·L/2T (W+L)>0.66

图3钢网的长宽厚

目前军工行业印制板组件SMT组装过程中锡膏印刷使用的钢网厚度多为0.12mm013mm0.15mm，印制板印刷过程中间隙设置值为0，因此印刷过程中印刷在焊盘上的锡膏的高度，理论上应等于印刷钢网的厚度。

实际生产过程中，印刷锡膏的厚度往往还有其它方面的影响，其中主要因素为钢网的厚度要符合“三球法则”，即钢网的厚度应至少可以纵向排列3个焊膏粉颗粒，焊锡膏在印刷过程中由于钢网的厚度不同，会引起焊锡膏纵向焊球颗粒数量以及高度的变化，

为了使焊膏高度的范围统一，便于试验的进行，由于上表在计算中使用的焊膏粉颗粒直径为平均值，因此焊锡膏的高度百分比下限取三种的平均值，故三种不同的钢网的锡膏印刷厚度占钢网的厚度的百分比范围约为:86%~117%。

223、锡膏印刷体积的理论接受百分比值

表面贴装元器件的焊盘以矩形与圆形为主，对于chip类器件如电阻、电容、电感等矩形焊盘器件，焊锡膏的体积V=长*宽*高，即:V=S·h

对于圆形焊盘器件，焊锡膏的体积V=底面积*高，即:V=S·h

由上可知，焊盘锡膏的体积均与焊膏的底面积和锡膏的高度成正比，因此结合2.2.1和2.2.2得出焊盘印刷锡膏的体积接受范围值。

2.24、锡膏印刷偏移最大接受百分比值

依据QJB177-2010要求，印刷在焊盘上的锡膏量允许有一定的偏差，但焊膏覆盖在每个焊盘上的面积应大于焊盘面积的80%，因此允许焊膏的偏移量为20，印刷过程中常常对锡膏的偏移量加严至15%。

依据QJB177-2010《表面贴装印制电路板组装件装配质量检验工艺规范》焊膏印刷质量要求结合印刷钢网的开孔要求,通过计算得出自动焊膏印刷检测技术的关键技术参数的理论范围要求。

3、工艺验证

3.2、工艺验证

选取XX样板上0.5pitch的IC芯片为试验对象，锡的体积百分比如图4，芯片焊钱体积(30%~60%)范围值低于下限标准范围(83%~160%)要求，印刷完成后焊锡膏的形态如图5(a、(b，器件表贴完成后焊锡膏的形态如图5(c、回流焊接后焊点的形态如图5(d,由图可知第47点实测焊膏体积为45%，由图5(d可知焊接完成后，焊点焊锡量少，引脚根部焊锡高度低于焊锡层G+引腿厚度，不满足焊接要求。

图4、D3印刷完成后整体体积范围

同样选取XX样板上0.5pitch 的IC芯片为试验对象，锡膏的体积百分比如图6，芯片焊锡体积(90%~120%范围值在标准范围(83%~160%)要求内，印刷完成后焊锡膏的形态如图7(a、(b，器件表贴完成后焊锡膏的形态如图6(c、回流焊接后焊点的形态如图7(d,由图可知第25点实测焊膏体积为115%，由图7(d可知焊接完成后，焊点焊锡饱满，引脚根部焊锡高度高于焊锡层G+引腿厚度，但未爬升到引腿部弯曲点处，焊点整体满足焊接要求。

图6D3印刷完成后整体体积范围

同样选取XX样板上0.5pitch的TC芯片为试验对象，锡膏的体积百分比如图8，芯片焊锡体积(150%~250%)范围值部分超出标准范围(83%~160%)要求上限，印刷完成后焊锡膏的形态如图9(a、(b，器件表贴完成后焊锡膏的形态如图9(c、回流焊接后焊点的形态如图9(d，由图可知第23、24点实测焊膏体积分别为232%、242%，由图9(d可知焊接完成后，23点与24第引脚焊锡发生桥连。

图8、D3印刷完成后整体体积范围

由上述验证，当焊锡膏的体积范围值低于标准范围值下限时，器件引脚焊点焊锡量减少无法满足焊接要求;当焊锡膏的体积范围值超出标准范围值上限时，器件引脚焊点焊锡量增多引起桥连:当焊锡膏体积在标准范围要求内，焊点焊锡量均匀，能够满足焊点要求，保证焊点质量，因此通过验证，锡膏检测的范围值设置合理有效，能够保证锡膏印刷质量。4在线式3D自动视觉检测技术攻关过程

4.1、电容器

4.11、电容器检测标准

工艺规范中对于片式电容的检测有两个方面的要求

是片式器件焊端与焊盘的相对位置标准如图10。元器件沿Y向偏移，最小搭接量1应大于元器件焊接端长度T的75%;元器件沿X向偏移，侧面偏移A应小于或等于元器件可焊接宽度W的15%或焊盘宽度P的15%其中的较小者:元器件在焊盘上有旋转偏差，侧面偏移A应小于或等于元器件焊接端宽度W的15%或焊盘宽度P的15%其中的较小者。

二是焊点外观标准如图11，焊点宽度C大于或等于焊接端宽度W的75%;焊接端有良好的润湿，焊料偏少，焊点的高度F大于三分之一元器件本体的高度 H;焊接端有良好的润湿焊料偏多，焊料超出焊盘或爬升至金属镀层的顶部，但不可接触元器件本体;元器件焊接端与焊盘之间的焊料厚度G不大于0.5mm，且正常润湿:对侧面连接长度不做要求，但是要有润湿明显的填充。

图11电容器检测标准

412、电容器AOI设备检测数据统计

根据产品对多个批次印制板组件的片式元器件进行检测，得出设备每种缺陷误报、漏报统计数据并进行分析:检测程序对片式电容器的缺件、错件检测成功率较高，而对于偏移、少锡误报率较高。

片式电容器检测缺陷误报率较高原因分析及解决方法

分析电容器少锡缺陷的误报主要原因是电容器本体高度及形成焊点大小面积设置范围影响，部分封装电容器焊点形成区域较小，为了适应封装之间的差异性，将不同封装的电容器根据焊点形成区域进行检测框设置，缩小检测面积比，提高锡量的比例，根据样品的多样性，将合格样品的少锡量但符合要求的焊点作为检测设置值，从而降低少锡误报率。通过对1210，2220等封装大小电容器焊点检测框的调节，解决了电容器焊点误报率高的问题。

分析电容器偏移缺陷的误报主要原因是部分电容器宽度与高度之比较小，允许侧立，而程序设置时采集未侧立的电容器高度值作为检测基准，从而当发生侧立时，检测出超出高度从而报错，为了降低此种误报，将此种合格特征即高度范围进行采集，增大高度值合格范围。通过检测值调节，解决了申容器偏移中高度检测特征误报率高的问题

4.2、二极管

4.21、二极管检测标准

二极管封装形式不同，工艺规范中对于圆柱体二极管的检测有两个方面的要求如图12·是器件焊端与焊盘的相对位置标准。元器件沿X轴移动，侧面偏移A小于或等于焊接端直径D1的25%或焊盘宽度P的25%其中较小者，且不违反最小电气间隙;元器件沿Y轴移动末端位移B为0，即元器件的焊接端均位于焊盘上：

图12、二极管检测标准

焊点宽度C应大于焊接端直径D1的50%或焊盘宽度P的50%中的较小者:侧面焊点长度D等于焊接端长度T的75%或者焊盘长度S的75%之中的较小者;焊接端有良好的润湿，焊料偏多，焊料超出焊盘或爬升至金属镀层的顶部，但不应接触元器件本体4.3SOP及QFP

4.31、SOP检测标准

工艺规范中对鸥翼型引线元器件要求如图13:位置要求:最大侧面偏移A小于引线宽度W1的25%或0.5mm 的较小者，且不违反最小电气间隙;趾部偏移 B1一般不做规定，引脚的趾部和根部均未超出焊盘;元器件在焊盘上有旋转偏差，位移A应小于或等于引线宽度W1的25%或05mm的较小者:

图13SOP检测标准

4.32、焊点外观要求:

焊料的爬升高度A1不大于引线高度H的二分之一，不小于焊料厚度G与引线厚度T1之和;对QFP、SOL 等外形较高的器件，焊料在引线上的爬升高度A1 可以在引线的上弯处，但不得触及封装体或封口;焊点宽度C应大于引线宽度W1的75%，如图14。

图14、SOP检测标准

433、SOPAOI设备检测数据统计

根据产品对多个批次印制板组件的SOP 器件进行检测，得出设备每种缺陷误报、漏报统计数据并进行分析:检测程序对 SOP 器件的短路、起翘检测成功率较高，而对于虚焊误报率较高。由于SOP 鸥翼型引脚脚跟部分的半隐藏性，AOI 不具备识别焊点长度及爬升高度特征的检测能力。所以对于SOP焊点质量的检测，仍然需要人工借助放大镜进行目检。但对于引线间短路缺陷以及脚尖起翘缺陷AOI设备能力较强,能够在很大程度上缓解人工目检的工作量和压力。

4.4、晶振

4.4.1晶振缺陷特征采集

要设置检测点首先需要明确要此类型器件的缺陷类型，如图15:

图15晶振特征图示偏移:包括侧面偏出(包括X和Y向偏移):旋转偏出错件:排阻本体有规格标识，通过字符判定是否错件;缺件:在应焊的地方，丢件(缺件)，通过错件可判别

焊点：多锡，少锡，虚焊等，通过焊点特点能够检测。

4.42晶振短路误报率高及解决思路

 晶振短路误报率高，在无短路的情况下报出短路缺陷，短路采用设备专有的检测算法“short”进行检测，通过采集焊点与焊点间的直通线数检测出短路位置，由于晶振下有白色丝印图形，位于两焊点之间，白色丝印的干扰，被认为是发生了短路，所以报错率高。由于印制板上晶振的数量较少，一般为 1-2 只，发生短路的情况极少，当介意误报率高时，可以不加入品振短路的检测。或者发生报错时，人工加以辅助核查。

4.5、BGA

BGA 为隐藏焊点封装，只可检测本体特征，无法检测焊点特征。主要检测其偏移和错件。

其注册窗体如下:

图16BGA程序检测设置

4.6、其他类型器件

其他类型封装器件的注册，均可根据焊点特征选用此章节的注册方法进行注册检测，不再一一赘述。通过对 3DAOI 检测使用，识别出各种特征焊点的检测能力，对于片式元件能够实现完全检测，对于翼型引脚仅能识别脚趾焊点状态，对于隐藏式焊点及半隐藏式焊点仍然需要借助X光或者VS8等视觉放大设备进行焊点检测。

5、结论

通过理论分析与实践相结合，确定了自动焊膏印刷检测设备(3DSPI)焊膏印刷质量的验收合格范围，并通过工艺验证，验证范围的合理有效性，实现了锡膏印刷质量的在线检测，减少锡膏检测时间，相比于原人工目视检测方法提高效率 6000%。确保印刷完锡膏的表面贴装焊盘百分百进行锡膏印刷质量的检测，避免漏检情况的产生。通过 3DAOI 设计各种焊接特征的检测规则及参数，实现各种封装焊点的检测。制定检验判据，用于指导检测程序编制。检测效率至原来的3倍以上。实现了3DAOI的在线应用。通过对自动焊膏印刷检测设备(3DSPI)和3D(AOI)的应用，实现产品质量数据的提取、统计和分析，实现了产品质量生产过程的可追溯性。

参考文献

[i]IPC7525B-2011模板设计指导

[2]GJB3835表面安装印制板组装件通用要求