Фазлутдинов К.К.

03.05.2019 (обновленно 03.05.2019)

16615 просмотров

Контроль качества печатных плат

Содержание:

1. Введение.
2. Сводная таблица дефектов печатных плат.
3. Контроль качества печатных плат. 

1. Введение.

Печатная плата (printing circuit board, PCB) – пластина с электроизоляцией, на поверхности которой размещены тонкие электропроводящие полоски, функциональные узлы и электронные компоненты. Печатная плата включает в себя функции носителя электронной компонентной базы и электрического соединения этих элементов.

Печатная плата не должна иметь каких-либо дефектов и поэтому вопрос контроля качества произведенных плат имеет огромное значение.

Дефект – это каждое отдельное несоответствие продукции печатных плат требованиям нормативной документации.

Национальный стандарт РФ для печатных плат представлен в ГОСТ Р53432-2009 "Платы печатные. Общие технические требования к производству".

Все дефекты печатных плат можно классифицировать на видимые и скрытые:

• Видимые дефекты – дефекты, которые можно выявить визуальным осмотром или с помощью измерений. Например, это может быть скручивание, изменение геометрических форм и размеров, царапины и вмятины.
• Дефекты, которые невозможно определить визуальным осмотром, но проявляющие себя во время эксплуатации прибора, относят к скрытым дефектам, например, трещины, нарушение контакта, наплывы и т.д.

Стоит учесть, что характер дефектов определяет специфику их поиска, именно из-за этого важно определить, к какому классу относится этот дефект. Систематизация дефектов помогает ускорить определение брака и уменьшить время на исправление и ремонт печатной платы.

Обобщая материал, представленный в нормативной литературе и ГОСТ, можно привести следующую классификацию технологических дефектов печатных плат. 

2. Сводная таблица дефектов печатных плат.

На основе классификации технологических дефектов ПП были разработаны различные виды методов контроля.

 3. Контроль качества печатных плат.

Контроль качества печатных плат предназначен для определения качества выпускаемой продукции, под которым понимается степень их соответствия конструктивным требованиям, техническим условиям, отраслевым и национальным стандартам.

Чтобы увеличить количество годных новых изделий с использованием печатных плат и при этом не допустить появление ряда дефектов, разобранных выше, в процесс сборки необходимо включать операции выходного контроля качества.

Существующие на данный момент методы контроля ПП можно классифицировать по следующим признакам: 

3.1 Общее описание методов контроля качества печатных плат.

• Оптический метод. Этот метод заключается в визуальном осмотре продукции под большим увеличением. Метод контроля прост и визуален. Оборудование: растровый электронный микроскоп с увеличением в 200-1000 раз, приборы визуального контроля с увеличением в 4-50 раз. Недостатки: низкая эффективность обнаружения дефектов.

• Рентгеновский метод. Данный метод заключается в том, что печатная плата просвечивается пучком рентгеновских лучей, он в свою очередь создает изображение объекта в рентгеновских лучах, которые через видикон преобразуются в изображение на экране кинескопа. Данный способ позволяет выявить характер, вид и расположение дефектов.

Недостатки: низкая эффективность обнаружения дефектов.

• Метод томографии. Созданный на основе рентгеновского метода, является более эффективным. Печатная плата и пленка синхронно вращаются вокруг параллельных осей, которые расположены в одной плоскости с источником. Все точки в проецируемой плоскости имеют четкое изображение и остаются статичными, а точки других плоскостей описывают на пленке окружности и «расплываются». Способ дает возможность контроля межслойных изображений, в связи с чем его применяют для послойного контроля токопроводящих цепей.

• Тепловой контроль. Метод основан на измерении градиента температуры в местах нахождения дефекта. Нагрев платы осуществляется за счет пропускания электрического тока через контролируемую цепь, где тепловое излучение измеряется тепловизором. Возможно определение следующих дефектов:

- Наличие пор в металлизации.

- Короткое замыкание.

- Уменьшение толщины проводников.

- Малое сопротивление изоляции.

Недостатки: данный метод является малоинформативным, поэтому используется не часто.

• Электрофизический контроль основан на пропускании электрического тока большой силы через токопроводящие цепи платы. В случае наличия дефекта платы происходит расплавление дефектного участка.
Недостатки: контроль приводит к появлению дефекта, который невозможно устранить, малая информативность.

• Электрический контроль. Метод основан на проверке целостности токопроводящих цепей платы с помощью зондов. В ходе проверки данным методом замеряется омическое сопротивление металлизированного отверстия между противоположными сторонами платы. При отклонении полученного результата от стандартного проводник считается дефектным.

Недостатки: значение сопротивления может быть неточным, так как зонды не могут обеспечивать равномерное распределение тока.

• Радиационный контроль. Данный метод основан на использовании обратного β-излучения. В зависимости от толщины металлического покрытия платы изменяется поток прошедшего через нее β-излучения.

Недостатки: низкая производительность (30 с на 1 отверстие), особые меры по технике безопасности при работе с радиоактивными веществами.

• Ультразвуковой метод основан на распространении в твердом теле ультразвуковых колебании и их способности отражаться от границ дефектов. Позволяет определять такие дефекты, как расслоение и трещины.

Недостатки: данный метод считается эффективным, но малоинформативным.

Поскольку все вышеперечисленные методы контроля имеют определенные недостатки, в последнее время все чаще используется многоступенчатый автоматический контроль, включающий в себя элементы представленных выше видов контроля. 

3.2 Многоступенчатый автоматический контроль

С учетом возрастания плотности расположения компонентов на печатных узлах специалисты предлагают в серийном производстве использовать сплошной многоступенчатый автоматический контроль производства печатных плат. Данный технологический процесс включает в себя:

• Автоматический оптический контроль;
• Рентгеновский контроль;
• Электрический функциональный контроль. 

Порядок организации данного многоступенчатого контроля современных электронных модулей на печатных платах представлен на рисунке 1. 

Рисунок 1 – Организация многоступенчатого контроля современных электронных модулей на печатных платах
На линиях сборки многоступенчатый контроль осуществляется посредством автоматических установок. Стоит рассмотреть основные этапы организации данного контроля. 

3.2.1 Автоматическая оптическая инспекция.

Автоматический оптический контроль основывается на оптическом тестировании и позволяет контролировать: 

• Качество нанесения пасты припоя и ее количество.
• Расположение компонентов на ПП и наличие посторонних объектов.
• Качество соединения паяного узла.

Основой данного вида инспекции является получение изображения элементов и их анализ. С помощью оптических матриц формируется 2D изображение, которое в дальнейшем может сравниваться с эталоном на наличие дефектов.

Основным плюсом АОИ является быстродействие, данная система может выполнять проверку со скоростью около 150000 элементов в час.

Применение систем на основе лазеров дают возможность сформировать 3D изображение объектов, это применяется, когда используются элементы малой высоты и они находятся максимально близко друг к другу. Лазерные системы не формируют изображение, суть их работы заключается в том, что они анализируют отражение от элемента: если формируются тень вместо отражения луча, это означает, что в данном месте отсутствует нужный компонент.

На рисунке 2 приведены примеры дефектов, распознанных при помощи автоматического оптического контроля. Под (а) изображен фотошаблон, на котором видна перемычка, приводящая к замыканию схемы. Под (б) показана ПП, воспроизведенная по данному типу шаблона, на ней хорошо различим дефект. При визуальном контроле оператор затратил бы больше времени, чем при АОИ. 

а)                                    б)

Рисунок 2 – Примеры дефектов, найденным при помощи АОИ: а - дефект фотошаблона, б - печатная плата с дефектом. 

3.2.2 Рентгеновские контрольные технологические установки.

Для оценки качества внутренних слоев печатной платы применение оптического метода будет нецелесообразно, поэтому в данном случае используется анализ изображений, которые были получены с помощью РКТУ – рентгеновские контрольные технологические установки.

Из-за высокой проникающей способности рентгеновских лучей появляется возможность получить изображение внутренних слоев многослойной печатной платы и паяных соединений, находящихся под корпусом микросхемы. На рисунке 3 показан принцип рентгеновского контроля. 

Рисунок 3 – Принцип рентгеновского контроля

Интенсивность излучения, которое попадает на детектор, обратно пропорциональна величине поглощения рентгеновских лучей контролируемым объектом. Следовательно, величина поглощения прямо пропорциональна толщине проверяемого объекта и третьей степени атомного веса материала изготовленного объекта. Таким образом, чем тоньше объект и чем меньше атомный вес материала, тем светлее будет изображение на детекторе.

Проникающая способность, в свою очередь, прямо пропорциональна энергии, определяемой напряжением на аноде рентгеновской трубки. Так, например, для пластика печатной платы понадобится напряжение в 30 кВ, для исследования паяных узлов – 100 кВ, стандартным является напряжение в 160 кВ. Данное излучение не несет опасности персоналу, так как полностью поглощается защитными стенками из металла.

С помощью данных установок на основе рентгеновских лучей удается идентифицировать дефекты пайки, которые скрыты под корпусом микросхемы, также дефекты ширины проводящих дорожек, расслоение, пузырение, трещины и нарушение металлизации переходных отверстий. На рисунке 5 и 6 представлены дефекты смещения центра отверстия и контроль качества металлизации отверстия, соответственно. 

Рисунок 4 – Контроль смещения слоев многослойной ПП и отклонений диаметра и формы переходных отверстий методом рентгеновской инспекции 

Рисунок 5 – Контроль качества переходных отверстий методом рентгеновской инспекции

Возможности современных РКТУ позволяют получить изображения для анализа с увеличением до 1500 крат и разрешением лучше 1 мкм. Но стоит отметить, что данные установки весьма дороги и тяжелы в обслуживании, а также имеют низкую скорость контроля качества.  

3.2.3 Электрический контроль.

Электрическое тестирование печатных плат состоит из двух типов тестов: тест на целостность проводящих цепей и тест на разобщенность. С помощью данного метода можно произвести проверку на обрыв проводящих цепей, наличия короткого замыкания и верность топологии.

Существует четыре метода контактного электрического контроля:

• Ручной метод. Суть метода заключается в том, что оператор вручную щупами тестирует все проводящие цепи. Основной недостаток – человеческий фактор. Оператор не замечает до ¼ всех дефектов.

• Метод «ложе гвоздей». Метод предполагает соприкосновение плат с матрицей контактов через подпружиненное устройство – зонд, в узлах координатной сетки. Для каждой платы изготавливается индивидуальная маска с перфорациями в местах контакта. Скорость контроля зависит от скорости переключения зондов. Данный метод имеет высокую производительность, но требуется определенный подход для каждого типа плат.

• Метод «летающих зондов». Оборудование состоит их нескольких головок, на каждой из которых установлен зонд, и привода с возможностью движения по трем осям. По программе головки производят контакт с платой и осуществляют измерение или подачу сигнала. Данный метод не требует определенного подхода для каждого типа плат, однако производительность его не высока.

• Метод «летающих матриц». Это компромисс в выборе методов электрического контроля. Оборудование состоит из кареток с матрицей щупов, имеющих независимый привод по оси. Матрицы передвигаются на небольшие расстояния с большой скоростью, при этом находящийся близко зонд становится активным и производит подачу сигнала или измерение. Эта технология более производительна по сравнению с методом «летающих щупов» в десять раз. Именно данный метод инспекции применяют в многоступенчатом автоматическом контроле.

Таким образом, многоступенчатый автоматический контроль является на данный момент наиболее эффективным и информативным методом контроля, позволяющим выделять недостатки ПП и указывать на локализацию дефектов.