電路板制造商正在加大對(duì)檢測(cè)、測(cè)試和分析的投資，以滿足汽車等安全關(guān)鍵部門對(duì)可靠性日益嚴(yán)格的要求。這代表著與過去的重大轉(zhuǎn)變，過去人們對(duì)可靠性的關(guān)注主要針對(duì)連接到印刷電路板的設(shè)備。但隨著SoC因成本上升和擴(kuò)展芯片的技術(shù)復(fù)雜性而被分解成高級(jí)封裝，安裝這些不同組件的電路板也變得越來越密集。線路和導(dǎo)線之間的空間正在縮小，而連接所有這些組件的高密度互連技術(shù)也變得越來越復(fù)雜。

其結(jié)果是對(duì)尖端芯片中同樣的先進(jìn)監(jiān)控技術(shù)的需求越來越大。這是汽車、醫(yī)療植入物、航空電子和一些工業(yè)應(yīng)用的必備條件。然而，由于高密度互連（HDI）技術(shù)的敏感性，以及對(duì)社交媒體如何聚焦故障的擔(dān)憂，即使是智能手機(jī)和音頻/視頻控制盒等消費(fèi)產(chǎn)品也開始要求更高的質(zhì)量。對(duì)此，電子板制造商和組裝商加大了檢測(cè)力度，并投入更多的數(shù)據(jù)收集，這些數(shù)據(jù)可用于數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。

Ansys新技術(shù)和新興技術(shù)產(chǎn)品管理總監(jiān)Craig Hillman說：“有三個(gè)大的變化，首先是在PCB/PCBA制造過程的每個(gè)階段越來越多地使用檢測(cè)--特別是在最早的階段，比如模板印刷。第二，正在使用的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）越來越復(fù)雜。第三，不再依賴‘去/不去’的決定，而是越來越多地使用參數(shù)數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)異常的存在?！?/p>

需要HDI PCB技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用也有缺陷檢測(cè)的要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了開路和短路的范圍。

“在過去的十年里，我們看到智能手機(jī)、通信、大數(shù)據(jù)服務(wù)器以及汽車PCB的新PCB技術(shù)有不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)?！盞LA公司Orbotech的via formation產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Micha Perlman說?！癙CB的線路質(zhì)量缺陷可能會(huì)影響任何類型的電子產(chǎn)品，對(duì)于航空、醫(yī)療或汽車等行業(yè)來說尤為關(guān)鍵，因?yàn)檫@些行業(yè)的故障會(huì)給用戶及其周圍環(huán)境帶來高風(fēng)險(xiǎn)。智能手機(jī)和筆記本等消費(fèi)類產(chǎn)品的制造商也在更加關(guān)注這類缺陷?！?/p>

對(duì)長(zhǎng)期可靠性的要求也對(duì)電路板制造商對(duì)報(bào)廢成本的敏感度產(chǎn)生了影響?！叭蝿?wù)關(guān)鍵型應(yīng)用現(xiàn)在不允許對(duì)電路板進(jìn)行終端維修，”PDF Solutions業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Dave Huntley說?！霸诹鞒痰脑缙诎l(fā)現(xiàn)和隔離問題對(duì)于減少?gòu)U品至關(guān)重要。擁有存儲(chǔ)并可與測(cè)試數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的組裝和耗材數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?！?/p>

所有這些數(shù)據(jù)提供了一個(gè)更精細(xì)的設(shè)備視圖，這對(duì)可靠性有很大影響。它還可以用于在制造過程中更早地識(shí)別和隔離問題。

目前正在努力促進(jìn)不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享，允許在多個(gè)過程中收集和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)分析平臺(tái)不只是測(cè)試或檢查缺陷，而是更充分地讓工程師減少缺陷。

PCB缺陷類型

焊點(diǎn)仍然是在線和現(xiàn)場(chǎng)缺陷的首要來源，但這些不是唯一的問題領(lǐng)域。了解缺陷機(jī)理，可以從工程的角度來理解為什么簡(jiǎn)單的開路和短電測(cè)試在缺陷檢測(cè)中是不夠的。

在電路板和元件之間，焊球連接需要對(duì)準(zhǔn)，焊膏需要無污染。一個(gè)觸點(diǎn)可以通過電氣測(cè)試--簡(jiǎn)單的短路/開路，但在現(xiàn)場(chǎng)卻由于對(duì)準(zhǔn)不準(zhǔn)或材料問題而失敗，并在現(xiàn)場(chǎng)變得更糟。例如，考慮一個(gè)電視機(jī)頂盒。

“這臺(tái)設(shè)備是在某人的家中出現(xiàn)故障的。使用它的機(jī)柜環(huán)境變得足夠熱，以至于焊點(diǎn)失效。”Aegis軟件公司新興產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略高級(jí)總監(jiān)Michael Ford分享道?！霸碗娐钒搴副P之間發(fā)生了錯(cuò)位，然而這只是在制造公差范圍內(nèi)。但當(dāng)你開始在一定的使用條件下通過它施加大量的功率，再加上比理想的溫度更高，故障就發(fā)生了?！?/p>

那么，在什么情況下，生產(chǎn)變化——一面黃色的旗幟——會(huì)導(dǎo)致失敗呢？如果沒有來自實(shí)地的反饋，幾乎不可能分辨。

“我們發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)東西無法通過功能測(cè)試檢測(cè)出來，”Instrumental的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Anna-Katrina Shedletsky說?！拔覀兛吹氖悄切┛赡茈y以實(shí)際測(cè)試的東西?？紤]到部分屏蔽層不能全部扣下來?！?/p>

然而焊接缺陷仍然可以通過，Instrumental在盒子構(gòu)建時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，當(dāng)它查看數(shù)據(jù)的匯總時(shí)。該公司分析了400萬個(gè)客戶單位的10萬個(gè)缺陷?！捌渲幸粋€(gè)有趣的事情是，焊接是前10名中的第4名。因此，我們實(shí)際上看到了焊接缺陷的普遍性，這些缺陷能一直通過生產(chǎn)線末端檢查，這代表了有多大比例的缺陷可能會(huì)逃到現(xiàn)場(chǎng)。”

隨著HDI技術(shù)的發(fā)展，開放性缺陷和短缺陷也在增加。然而，對(duì)高質(zhì)量痕跡的需求推動(dòng)了計(jì)量和檢測(cè)需求。

“質(zhì)量上的缺陷，如線路缺口、碟形缺陷或異常焊盤，在安全和可靠性是關(guān)鍵任務(wù)的行業(yè)中是非常關(guān)鍵的，如航空、醫(yī)療和汽車，”O(jiān)rbotech的Perlman說?！斑@些質(zhì)量缺陷的潛在風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開放性或短缺陷。”

HDI允許層與層之間有數(shù)以萬計(jì)的微小孔隙，這就轉(zhuǎn)化為同等數(shù)量的缺陷機(jī)會(huì)。

“由于組件組裝過程中或終端設(shè)備運(yùn)行過程中的高應(yīng)力，潛伏缺陷為未來的故障引入了高風(fēng)險(xiǎn)，”Perlman說?！耙虼?，十年前比較少見的激光通過檢測(cè)，如今已經(jīng)比較普遍。對(duì)可靠性和安全性要求較高的汽車電子制造商對(duì)它的需求很大。幾位汽車PCB專家最近告訴我們，他們目前所處理的質(zhì)量問題中，有很大一部分是由于HDI板通過激光孔隙的層間連接不良而導(dǎo)致的故障。盡管PCB在發(fā)貨前已經(jīng)成功通過了所有的電氣測(cè)試，但這種情況還是發(fā)生了?！?/p>

檢查、收集、測(cè)試

電路板的制造過程，以及元件到電路板的組裝，主要是機(jī)械過程。為了找出缺陷，電路板制造商依靠視覺檢查和生產(chǎn)線末端測(cè)試。

三十多年來，光學(xué)檢測(cè)一直是PCB生產(chǎn)的一部分，無論是查看圖像以確定正確的焊點(diǎn)，還是在層壓前檢測(cè)電路板內(nèi)層的問題。

“檢測(cè)已經(jīng)從2D外觀缺陷發(fā)展到3D檢測(cè)和計(jì)量，”CyberOptics總裁兼首席執(zhí)行官Subodh Kulkarni說。“從合格/不合格報(bào)告到定量測(cè)量，制造商現(xiàn)在不僅可以進(jìn)行AOI和焊膏檢測(cè)（SPI），還可以通過在線坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）功能實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)測(cè)量，比傳統(tǒng)CMM系統(tǒng)快得多。對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)的需求不斷增加，因此他們不僅可以檢測(cè)關(guān)鍵缺陷，還可以測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)。”

用于計(jì)量目的的成像系統(tǒng)已經(jīng)變得越來越普遍。“直接成像（DI）可確保圖案與Z尺寸連接之間通過孔隙進(jìn)行精確的登記，”Perlman說。“此外，DI的圖案成像質(zhì)量非常準(zhǔn)確，沿板穩(wěn)定，邊緣粗糙度最小。這支持了對(duì)要求苛刻的阻抗控制傳輸線的精確線路成像和蝕刻的需求?！?他補(bǔ)充說，用于激光孔道的AOI已經(jīng)被越來越多的制造商實(shí)施。

雖然檢測(cè)一直是PCB質(zhì)量控制的面包和黃油，但制造商已經(jīng)開始更仔細(xì)地研究來自焊膏檢測(cè)、取放和電測(cè)試前的其他步驟的數(shù)據(jù)。

“從歷史上看，傳感器數(shù)據(jù)主要集中在去/不去的參數(shù)上，”Ansys的Hillman說?！巴?，更多參數(shù)化的傳感器數(shù)據(jù)可以直接輸入到可靠性預(yù)測(cè)中。例如，目前存在可以測(cè)量焊膏沉積量的系統(tǒng)?？梢蕴峁┖噶象w積實(shí)時(shí)測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)可以用來預(yù)測(cè)疲勞壽命。這將大有裨益，可以讓制造商在什么是好的，什么是壞的方面有更多的自由裁量權(quán)?！?/p>

獲取這些設(shè)備數(shù)據(jù)促使印制電路研究所（IPC）制定了一個(gè)名為 “互聯(lián)工廠交換”（CFX）的標(biāo)準(zhǔn)?！斑@是一個(gè)基于IIoT的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，”Aegis的福特說?！拔覀円呀?jīng)定義了確切的數(shù)據(jù)字段，以及它們對(duì)每一種技術(shù)的含義，這樣，所有的機(jī)器通信都是根據(jù)它們的操作和能力進(jìn)行數(shù)字化建模的?；旧希魏伟l(fā)生的測(cè)量或事件，無論是視覺的還是電子的，都會(huì)通過CFX傳輸。

用于計(jì)量目的的成像系統(tǒng)已經(jīng)變得越來越普遍?！敝苯映上瘢―I）可以確保圖案與Z維連接之間通過孔隙進(jìn)行精確的登記，“Perlman說?！贝送?，DI的圖案成像質(zhì)量沿板非常準(zhǔn)確和穩(wěn)定，邊緣粗糙度最小。這支持了對(duì)要求苛刻的阻抗控制傳輸線的精確線路成像和蝕刻的需求?！?他補(bǔ)充說，用于激光孔道的AOI已經(jīng)被越來越多的制造商實(shí)施。

雖然檢測(cè)一直是PCB質(zhì)量控制的面包和黃油，但制造商已經(jīng)開始更仔細(xì)地研究來自焊膏檢測(cè)、取放和電測(cè)試前的其他步驟的數(shù)據(jù)。

”從歷史上看，傳感器數(shù)據(jù)主要集中在去/不去的參數(shù)上，“Ansys的Hillman說。”往后，更多參數(shù)化的傳感器數(shù)據(jù)可以直接輸入到可靠性預(yù)測(cè)中。例如，目前存在可以測(cè)量焊膏沉積量的系統(tǒng)。可以提供焊料體積實(shí)時(shí)測(cè)量的傳感器數(shù)據(jù)可以用來預(yù)測(cè)疲勞壽命。這將大有裨益，可以讓制造商在什么是好的，什么是壞的方面有更多的自由裁量權(quán)?！?/p>

獲取這些設(shè)備數(shù)據(jù)促使印制電路研究所（IPC）制定了一個(gè)名為 ”互聯(lián)工廠交換“（CFX）的標(biāo)準(zhǔn)。”這是一個(gè)基于IIoT的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，“Aegis的福特說。”我們已經(jīng)定義了確切的數(shù)據(jù)字段，以及它們對(duì)每一種技術(shù)的含義，這樣，所有的機(jī)器通信都是根據(jù)它們的操作和能力進(jìn)行數(shù)字化建模的?；旧?，任何發(fā)生的測(cè)量或事件，無論是視覺上的還是電子上的，都會(huì)通過CFX傳輸，在單一的‘即插即用’語言環(huán)境中被實(shí)時(shí)報(bào)告?！?/p>

這使工程師能夠?qū)?shí)時(shí)分析作出反應(yīng)，它提供了一個(gè)更大的數(shù)據(jù)集，他們可以分析了解產(chǎn)量和現(xiàn)場(chǎng)故障。

電路板電氣測(cè)試為互連健康提供了關(guān)鍵的把關(guān)作用。除了對(duì)開路和短路進(jìn)行簡(jiǎn)單的連接性檢查外，還有機(jī)會(huì)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量--頻率、電壓、電流、電容、電阻和沉降時(shí)間，從而深入了解性能變化，并可與制造性能掛鉤。參數(shù)信息與系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)/現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以讓工程師更好地了解其制造性能指標(biāo)。

由于對(duì)連接性的關(guān)注、信號(hào)獲取途徑的減少以及測(cè)試設(shè)備的限制，這種級(jí)別的數(shù)據(jù)一直是缺乏的。

”在當(dāng)今的PCB制造生產(chǎn)線中，缺乏良好的豐富的參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，“PDF的Huntley說。”例如，電路內(nèi)測(cè)試機(jī)（ICTs）沒有記錄大部分可以記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)。原因是，它大大影響了測(cè)試時(shí)間，這將造成生產(chǎn)線瓶頸。另外，在PCB線端（EOL）測(cè)試中，測(cè)試人員的技術(shù)并不成熟。不同測(cè)試機(jī)的測(cè)量精度差異很大。這導(dǎo)致廢品增加，出貨的零件質(zhì)量差?！?/p>

板級(jí)制造之后就是測(cè)試箱的制造，這又會(huì)造成新的問題。將完全組裝好的板子封裝到容器中的機(jī)械過程會(huì)導(dǎo)致物理變化，從而對(duì)電氣性能產(chǎn)生影響。例如，考慮到在具有無線功能的產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的精致天線陣列。通常被稱為 ”公主陣列“，一個(gè)微小的位置變化就會(huì)破壞WiFi性能。如果工程師未能在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中提供RF/Wifi測(cè)試，這些可能會(huì)變成客戶退貨。

連接生產(chǎn)步驟之間的數(shù)據(jù)

在每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)收集的數(shù)據(jù)都有價(jià)值。事實(shí)上，將供應(yīng)鏈上所有的數(shù)據(jù)連接起來，可以是相當(dāng)強(qiáng)大的。但是存在一些障礙--缺乏標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)可用性、通過產(chǎn)品可追溯性連接數(shù)據(jù)，以及連接制造步驟的有意義的數(shù)據(jù)。

有了CFX提供的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，工廠管理系統(tǒng)可以讓工程師找到電路板制造和組裝過程中的薄弱環(huán)節(jié)。從而提高產(chǎn)量和質(zhì)量。

”在過去的兩年里，事情開始以一種新的和不同的方式改變，“福特說。”我們現(xiàn)在不是依靠物理檢查來暴露缺陷，所有的缺陷在大多數(shù)情況下不能保證被發(fā)現(xiàn)，而是使用基于六西格瑪?shù)那榫郴瘮?shù)據(jù)的趨勢(shì)分析來增強(qiáng)該檢查或測(cè)試過程。因此，在更早的階段，你可以從所有不同流程的變化中識(shí)別和消除潛在的缺陷原因，這就揭示了以前通過光學(xué)或電子測(cè)試孤立地隱藏的東西?！?/p>

將整個(gè)供應(yīng)鏈的數(shù)據(jù)連接起來，使工程師能夠在源頭解決問題，而不是通過生產(chǎn)線末端的檢測(cè)來解決問題。

”我們已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，這樣我們的客戶就可以攝取可追溯的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，“Shedletsky說。”數(shù)據(jù)包括各個(gè)階段的圖像、測(cè)試站數(shù)據(jù)以及ICT測(cè)試等性能測(cè)試。這個(gè)平臺(tái)就可以讓工程方或制造方的不同利益相關(guān)者在第一時(shí)間獲得實(shí)際解決問題所需的信息?！?/p>

對(duì)于復(fù)雜的供應(yīng)鏈來說，發(fā)現(xiàn)問題的源頭往往可以在檢測(cè)問題的上游。將這些數(shù)據(jù)結(jié)合到一個(gè)分析平臺(tái)中，工程師就能從根本上解決問題，從而提高產(chǎn)量，減少?gòu)U品，提高質(zhì)量。

然而，數(shù)據(jù)并不總是一致和可用的?！贝蠖鄶?shù)情況下，數(shù)據(jù)被塞進(jìn)壁櫥（數(shù)據(jù)湖）中，沒有經(jīng)過太多的分類，“NI旗下OptimalPlus汽車解決方案副總裁Sam Jonaidi說。”數(shù)據(jù)也是在HDD存儲(chǔ)可用的范圍內(nèi)存儲(chǔ)在機(jī)械上。最壞的情況下，數(shù)據(jù)僅用于做出實(shí)時(shí)決策，然后被丟棄。我們規(guī)定了一個(gè)全面的數(shù)據(jù)工程紀(jì)律，在這個(gè)紀(jì)律中，整個(gè)數(shù)據(jù)宇宙被映射，高價(jià)值的數(shù)據(jù)元素被賜與數(shù)據(jù)束，并進(jìn)行精確和監(jiān)控治理。

SEMI和IPC都制定了產(chǎn)品可追溯性的標(biāo)準(zhǔn)，這有助于連接整個(gè)制造供應(yīng)鏈的數(shù)據(jù)。然而跟蹤原材料也有價(jià)值，可以更快地對(duì)生產(chǎn)問題進(jìn)行根源分析。

“這可以是簡(jiǎn)單的跟蹤消耗品，如使用的焊膏批次，一直到分析生產(chǎn)線末端的測(cè)試數(shù)據(jù)，以找到逃過半導(dǎo)體測(cè)試過程的半導(dǎo)體工藝問題，”Huntley說。“事實(shí)證明，通過收集所有這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以將可靠性案例的避免率提高50%?！?/p>

結(jié)語

隨著新舊PCB技術(shù)的發(fā)展，制造商加大了對(duì)數(shù)據(jù)收集的投資，這反過來又刺激了對(duì)分析解決方案的需求，以充分利用數(shù)據(jù)。收集和存儲(chǔ)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)可以導(dǎo)致檢測(cè)缺陷，而理解其根本原因可以導(dǎo)致減少缺陷。

這代表了電子行業(yè)這部分的重大轉(zhuǎn)變?！笆昵埃琍CB制造主要是面向通過實(shí)施MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）將正確的構(gòu)建配方送入生產(chǎn)線，”Huntley說?！爸攸c(diǎn)是確保機(jī)器被正確設(shè)置，以將拼圖的所有部分組合在一起，最終形成一塊完整的電路板。從MES到機(jī)器的通信更多的是單方向的。如今，在機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能時(shí)代，這種流動(dòng)是雙向的。然而，與半導(dǎo)體制造相比，仍然存在巨大的差距。現(xiàn)在收集到的大量數(shù)據(jù)并沒有很好地存儲(chǔ)，也沒有以統(tǒng)一、一致、智能的方式收集，無法做到跨業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)?！?/p>

板卡制造工程師無法改變他們沒有測(cè)量到的東西。當(dāng)它被測(cè)量時(shí)，工程師應(yīng)該能夠分析它。
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