Входной контроль – важнейший этап подготовки производства


PDF версия

Среди стандартных процессов подготовки сборочно-монтажного производства одно из важнейших мест занимает входной контроль комплектующих — и печатных плат, и компонентов. Цель настоящей статьи — представить обзор основных методов входного контроля, сферу их применения, требования к процедурам, возможные проблемы и методы их решения.


Визуальный входной контроль печатных плат

Достаточно ли внимания вы уделяете входному контролю печатных плат? Наиболее полные критерии оценки качества изготовления печатных плат приведены в стандарте IPC-A-600G. Для визуальной оценки отдельных параметров возможно также использование стандарта IPC-A-610D RU.
Наиболее распространенные дефекты печатных плат, которые могут быть обнаружены на этапе входного контроля, приведены в таблице 1. Дальнейшие действия, предпринимаемые при обнаружении того или иного дефекта, должны опираться на производственные стандарты предприятия.

Таблица 1. Виды дефектов печатных плат, которые могут быть обнаружены на этапе входного контроля

Пример дефекта

Описание дефекта

 

Механическое повреждение печатной платы. Сколы по краю платы, повреждение паяльной маски и диэлектрика

 

Дефект изготовления печатной платы — монтажное отверстие заполнено припоем

 

Дефект изготовления печатной платы — монтажные отверстия заполнены паяльной маской. Установка компонентов невозможна

 

Дефекты изготовления печатной платы: 1) Смещение рисунка паяльной маски относительно размещения контактных площадок.
2) Переходные отверстия полностью не заполнены паяльной маской. Потенциальные ловушки для остатков флюса при отмывке печатных узлов.
3) Чрезмерное утоньшение паяльной маски на контактных площадках переходных отверстий

 

Образование пустот под паяльной маской. Возможно ее отслоение в процессе последующих технологических операций

 

Неудовлетворительное качество финишного покрытия/повреждение финишного покрытия контактной площадки

 

Дефект изготовления печатной платы — нарушение геометрии контактной площадки

 

Дефект изготовления печатной платы — дефектная металлизация контактной площадки переходного отверстия

 

Дефект финишного покрытия (низкое качество лужения) — перемычка припоя в неположенном месте

 

Дефект изготовления печатной платы — перетрав проводников

 

Дефект изготовления печатной платы — разрыв проводников под паяльной маской

 

Дефект изготовления печатной платы — отслоение металлизации от контактной площадки

 

Дефект изготовления печатной платы:
1) Нарушение покрытия паяльной маски,
2) Вкрапление частиц металлизации,
3) Замыкание проводников

 

Дефект изготовления печатной платы — деформация. Существует высокая вероятность повреждения оборудования для сборки печатных плат. Максимальная деформация по диагонали не должна превышать 0,75%

 

Входной контроль печатных плат — изгиб и скручивание

Деформация печатных плат является одним из наиболее распространенных дефектов базовых материалов. Насколько опасны эти дефекты? Какие существуют допуски на деформацию? Как произвести измерения и определить степень пригодности печатных плат к сборке? Эти и другие вопросы будут рассмотрены ниже.
Многие производители электронных изделий необоснованно пренебрегают дефектами, вызванными изгибом и скручиванием печатных плат. Например, нам неоднократно приходилось слышать такие фразы: «С помощью прижимных планок и поддержки снизу мы можем компенсировать деформацию печатных плат». Действительно, названным способом во многих случаях можно компенсировать небольшую деформацию печатных плат. Однако применение плат, имеющих существенную деформацию, может стать причиной поломки дорогостоящего оборудования (см. рис. 1—3) или многочисленных производственных дефектов.

Рис. 1. Дефект печатной платы: продольная деформация — изгиб. Автоматизированная сборка таких плат невозможна
Рис. 2. Дефект печатной платы: деформация по диагонали — скручивание. При движении по конвейеру правый нижний край печатной платы «заехал» на прижимную планку — возможно повреждение оборудования при установке компонентов
Рис. 3. Пример повреждения автомата установки компонентов. Сломан шток установочной головки (указано красной стрелкой)
Нормативные требования

«Общий стандарт по конструированию печатных плат» IPC-2221A гласит: «Если нет иных указаний в основном чертеже, максимальное значение изгиба (см. рис. 1) и скручивания (см. рис. 2) не должно превышать 0,75% для плат с применением технологии поверхностного монтажа компонентов и 1,5% для плат, используемых для всех других технологий монтажа. Используемые при сборке мультиплицированные печатные платы и групповые заготовки, которые затем разделяются, должны также соответствовать указанным требованиям».

Оценка деформации

Оценка производится измерениями в соответствии со стандартом IPC-TM-650, «Метод 2.4.22».

Требуемое оборудование

– плоская поверхность;
– микрометр.

Проведение испытаний (изгиб)

Поместите образец печатной платы на плоскую поверхность. Надавите на образец для его выпрямления, измерьте его длину (Д) и ширину (Ш) (см. рис. 4)

Рис. 4. Внешнее измерение

Поместите образец печатной платы на плоской поверхности выпуклой стороной вверх.
Придавите каждый край с обеих сторон для полного контакта с поверхностью (см. рис. 5).

Рис. 5. Измерение изгиба

Проведите измерение зазора по центру между плоской поверхностью и нижней стороной образца печатной платы с помощью микрометра по длине и/или по ширине.
Рассчитайте процентное соотношение изгиба по формулам:

 

 

где ИД — процент изгиба по длине; ИШ — процент изгиба по ширине; RД — измеренный максимальный зазор поперек длины платы; RШ — измеренный максимальный зазор поперек ширины платы.
Сравните полученные результаты с данными стандарта IPC-2221A.

Проведение испытаний (скручивание)

Поместите образец на плоскую поверхность. Надавите на образец для его выпрямления, измерьте образец по диагонали (D). Поместите образец печатной платы таким образом, чтобы три угла касались плоской поверхности.
Измерьте зазор между четвертым углом и плоской поверхностью микрометром и запишите измеренный результат как R.
Рассчитайте процентное отношение скручивания по формуле:

,

 

где R — размер зазора;  D — величина диагонали образца1.
Сравните полученные результаты с данными стандарта IPC-2221A.

Входной контроль печатных плат — тесты на паяемость

Часто встречаются ситуации, когда клиенты, сталкиваясь с неудовлетворительной паяемостью печатных плат (см. рис. 6—9), задают вопросы о том, какие материалы для пайки (припой, флюс или паяльную пасту) лучше выбрать для устранения проблем. Однако борьба с возникшей проблемой не способствует ее предотвращению. «Сражаясь» с дефектом, вы не устраняете причину его возникновения, тем самым увеличивая себестоимость изделий и снижая их надежность в процессе эксплуатации.

Рис. 6. Неудовлетворительная паяемость контактных площадок
Рис. 7. Неудовлетворительная паяемость контактных площадок и монтажных отверстий
Рис. 8. Отсутствие паяемости контактных площадок с покрытием (NiAu)
Рис. 9. Неудовлетворительная паяемость контактных площадок, припой не смачивает контактные площадки и собирается в шарики

Причины неудовлетворительной паяемости могут быть разными, включая неправильное хранение и обращение с печатными платами. Срок хранения печатных плат прежде всего ограничен условиями хранения и, конечно, зависит от материала финишного покрытия. Именно поэтому перед началом использования новой партии печатных плат наиболее эффективным профилактическим мероприятием является введение операции входного контроля. Методика проведения испытаний на паяемость печатных плат подробно описана в стандарте IPC/J-STD-003B, который уже переведен на русский язык.
В стандарте IPC/J-STD-003B представлено более 10-ти методов контроля паяемости контактных площадок и монтажных отверстий печатных плат. Мы же подробно остановимся на методе контроля паяемости печатных плат, используемых в производстве изделий с применением технологии поверхностного монтажа.

Метод Е — моделирование процесса поверхностного монтажа с применением оловянно-свинцового припоя

Данный метод контроля имитирует реальные условия для пайки печатных плат методом оплавления, изготовленных для технологии поверхностного монтажа.

Требуемое оборудование

Устройство трафаретной печати/трафарет. Для проведения теста конструкция трафарета должна соответствовать рисунку контактных площадок печатной платы и требованиям стандарта IPC-7525A; толщина трафарета должна удовлетворять требованиям таблицы 2.

Таблица 2. Выбор толщины трафарета

Номинальная толщина трафарета, мм

Шаг выводов ИС, мм

0,10

<0,50

0,15

0,50…0,65

0,20

>0,65

Тестовый образец

Тестовый образец печатной платы должен быть частью печатной платы или целой платой. Тестовый образец должен быть выборкой из испытываемой партии плат. Образец должен тестироваться в условиях, максимально приближенных к условиям реального процесса сборки печатных узлов. Обращение с тестовым образцом должно быть аккуратным и исключать возможность его загрязнения или механического повреждения контактных поверхностей.

Оборудование для пайки оплавлением

Для оплавления припоя должна использоваться ИК-/конвекционная печь или система парофазной пайки. Температуры, приведенные в таблице 3, соответствуют температуре/длительности пребывания для паяльной пасты.

Таблица 3. Выбор параметров процесса оплавления

Тип печи

Температура, °C1

Время, с

Парофазное оплавление

215.219

30…60 (контакт при оплавлении)

ИК/конвекционная паяльная печь

Предварительный нагрев 150…170

50.70

Оплавление 215…230

1В зависимости от размеров и толщины тестового образца для достижения температуры пайки, указанной в таблице 3, может потребоваться дополнительное время.

Оборудование для визуального контроля

Визуальный контроль осуществляется с помощью стереомикроскопа с 10-кратным увеличением.

Процедура контроля

Нанесите паяльную пасту через трафарет на тестовый образец печатной платы. Произведите оплавление паяльной пасты в печи на рекомендуемых режимах. После завершения процесса пайки произведите очистку поверхности печатной платы от остатков флюса с помощью подходящей промывочной жидкости.

Критерии оценки

Минимум 95% поверхности каждой контактной площадки должно иметь равномерное покрытие припоем (см. рис. 10). Остальная поверхность может иметь незначительные области, не смоченные припоем, или проколы при условии, что данные дефекты не сконцентрированы в одном месте (см. рис. 11).

Рис. 10. Хорошая паяемость; контактные площадки полностью смочены припоем без проколов
Рис. 11. Удовлетворительная паяемость; области, не смоченные припоем, не превышают 5% площади покрытия припоем контактной площадки
Входной контроль ЭРЭ — тесты на паяемость

Трудно найти предприятие, которое хоть раз в своей практике не столкнулось с проблемой неудовлетворительной паяемости выводов электронных радиоэлементов (ЭРЭ), как показано на рисунках 12 и 13.

Рис. 12. Выводы оптрона частично смочены припоем
Рис. 13. Вид вывода оптрона (детализация рис. 12) сбоку. Вывод оптрона погружен в припой, но угол смачивания вывода припоем >90°, что свидетельствует о неудовлетворительной паяемости вывода

Причин возникновения данного дефекта много: от неправильного выбора технологических материалов и режимов пайки до нарушения условий хранения или бракованных комплектующих. И все же наиболее часто подобные проблемы связаны именно с нарушением условий/сроков хранения элементов или поставкой некачественных компонентов.
Эта часть статьи будет посвящена двум наиболее важным и часто задаваемым вопросам: методике оценки паяемости выводов ЭРЭ и критериям оценки качества.

Предварительный анализ

Контроль ЭРЭ на паяемость может осуществляться как в обязательном порядке (выборочный входной контроль), так и в случае обнаружения большого количества дефектов в процессе сборки печатных узлов (см. рис. 12 и 13). Безусловно, проведение выборочного входного контроля является более предпочтительным по сравнению со вторым случаем, т.к. в случае обнаружения ЭРЭ с неудовлетворительной паяемостью можно предпринять превентивные меры и не допустить лавинообразного нарастания числа дефектов при пайке.

Тем не менее, если вы столкнулись с дефектами, аналогичными приведенным на рисунках, перед принятием решения о необходимости проведения испытаний по контролю паяемости ЭРЭ необходимо забракованные печатные узлы подвергнуть общему предварительному анализу. Если неудовлетворительная паяемость выводов наблюдается практически на всех типах компонентов, то, в первую очередь, необходимо подвергать исследованию качество применяемых технологических материалов и параметры техпроцесса. Если же проблема проявляется только на одном типе ЭРЭ, то исследованию подвергаются уже сами компоненты.

Подробно методика проведения испытаний на паяемость ЭРЭ рассмотрена в стандарте IPC/EIA/JEDEC J-STD-002С «Методы оценки паяемости выводов компонентов, контактов, проушин, клемм и проводов». В данном стандарте приведено более 10-ти методов контроля паяемости выводов ЭРЭ для поверхностного монтажа и монтажа в отверстия с использованием свинцовой и бессвинцовой технологии пайки. Мы же остановимся подробно только на одном методе контроля паяемости компонентов поверхностного монтажа.

Метод моделирования процесса поверхностного монтажа с применением оловянно-свинцового припоя

В данном методе для компонента поверхностного монтажа имитируются реальные условия пайки методом оплавления.

Требуемое оборудование

Устройство трафаретной печати/трафарет. Для проведения теста конструкция трафарета должна соответствовать рисунку контактных площадок печатной платы и требованиям стандарта IPC-7525A, толщина трафарета должна удовлетворять требованиям таблицы 2.

Подложка для испытаний

Для проведения испытания используется керамическая подложка (не смачиваемая припоем) номинальной толщиной 0,635 мм. Возможно использование других типов подложек.

Оборудование для пайки оплавлением

Для оплавления припоя должна использоваться ИК-/конвекционная печь или система парофазной пайки. Температуры, приведенные в таблице 3, соответствуют температуре/длительности пребывания для паяльной пасты.

Оборудование для визуального контроля

Визуальный контроль осуществляется с помощью стереомикроскопа с 10-кратным увеличением. Для контроля компонентов с малым шагом выводов или контактных поверхностей (с шагом 0,5 мм или меньше) увеличение в процессе контроля должно быть не менее 30 крат.

Процедура

1. Нанесите паяльную пасту на подложку для испытаний через металлический трафарет одним плавным движением с помощью металлического или полиуретанового ракеля.
2. Аккуратно, стараясь не размазать отпечаток пасты, снимите трафарет.
3. Убедитесь в том, что геометрия полученного отпечатка соответствует выводам тестируемого компонента.
4. Произведите установку тестируемого компонента на отпечатки паяльной пасты на подложке.
5. Используя увеличительное оборудование, убедитесь в точности позиционирования компонента.
6. Поместите подложку с компонентом в печь и произведите оплавление.
7. После оплавления аккуратно извлеките подложку с компонентом из печи и дайте ей остыть до комнатной температуры.
8. Удалите компонент(ы) с подложки. Выводы компонента могут слегка прилипать к подложке из-за остатков флюса.
9. Перед визуальным контролем все видимые остатки флюса необходимо удалить с помощью рекомендуемой отмывочной жидкости со всех выводов компонента.

Критерии оценки

Критерием качества паяемости является равномерное, непрерывное и бездефектное покрытие припоем минимум на 95% металлизированных участков (областей) вывода компонента, являющихся критичными с точки зрения формирования паяного соединения (см. рис. 14—17).

Рис. 14. Критичные области вывода компонента — В (нижние и боковые поверхности вывода на высоту 2Т со стороны пятки вывода). Паяемость верхней части вывода не регламентируется
Рис. 15. Критичные области вывода компонента — А и В (нижние и боковые поверхности вывода на высоту толщины вывода). Паяемость верхней части и торца вывода (области С и С1) не регламентируется. Допускается наличие оголенного базового металла вывода компонента в торце (область С1)
Рис. 16. Критичная зона А (металлизированная область на нижней стороне компонента) и В (2/3 высоты боковой металлизации компонента)
Рис. 17. Каждый шариковый контакт должен быть покрыт слоем припоя (ровный, гладкий припой без несмоченных зон)

Для корпусов с металлизированными теплоотводами по меньшей мере 80% площади критичной зоны теплоотвода должно иметь сплошное ровное покрытие припоем без дефектов. Дефекты, не связанные с несмачиванием, отсутствием смачивания и порами, не являются выбраковочными дефектами.
ЭРЭ имеют несколько областей, у каждой из которых — свои требования к паяемости (см., например, рис. 14—17).
А и В — боковые и нижние стороны вывода компонента. К этим областям предъявляются наиболее жесткие требования. Вся поверхность этих областей должна быть покрыта равномерным слоем припоя (допускаются небольшие распределенные дефекты).
На рисунках 18—20 приведены три варианта паяемости контактных поверхностей чип-конденсатора.

Рис. 18. Хорошая паяемость, не менее 95% контактных поверхностей имеют гладкое, равномерное и блестящее покрытие
Рис. 19. Удовлетворительная паяемость, контактные поверхности имеют небольшие области, не покрытые припоем
Рис. 20. Неудовлетворительная паяемость, контактные поверхности имеют значительное количество точечных отверстий в покрытии и области, не покрытые припоем

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *