電路板制造商正在加大對檢測、測試和分析的投資，以滿足汽車等安全關(guān)鍵部門對可靠性日益嚴(yán)格的要求。這代表著與過去的重大轉(zhuǎn)變，過去人們對可靠性的關(guān)注主要針對連接到印刷電路板的設(shè)備。但隨著SoC因成本上升和擴展芯片的技術(shù)復(fù)雜性而被分解成高級封裝，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，以及對社交媒體如何聚焦故障的擔(dān)憂，即使是智能手機和音頻/視頻控制盒等消費產(chǎn)品也開始要求更高的質(zhì)量。對此，電子板制造商和組裝商加大了檢測力度，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。

Ansys新技術(shù)和新興技術(shù)產(chǎn)品管理總監(jiān)Craig Hillman說：“有三個大的變化，首先是在PCB/PCBA制造過程的每個階段越來越多地使用檢測--特別是在最早的階段，比如模板印刷。第二，正在使用的自動光學(xué)檢測（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)測異常的存在。”

需要HDI PCB技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用也有缺陷檢測的要求，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、通信、大數(shù)據(jù)服務(wù)器以及汽車PCB的新PCB技術(shù)有不斷增長的趨勢。”KLA公司Orbotech的via formation產(chǎn)品營銷經(jīng)理Micha Perlman說。“PCB的線路質(zhì)量缺陷可能會影響任何類型的電子產(chǎn)品，對于航空、醫(yī)療或汽車等行業(yè)來說尤為關(guān)鍵，因為這些行業(yè)的故障會給用戶及其周圍環(huán)境帶來高風(fēng)險。智能手機和筆記本等消費類產(chǎn)品的制造商也在更加關(guān)注這類缺陷。”

對長期可靠性的要求也對電路板制造商對報廢成本的敏感度產(chǎn)生了影響。“任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用現(xiàn)在不允許對電路板進(jìn)行終端維修，”PDF Solutions業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Dave Huntley說。“在流程的早期發(fā)現(xiàn)和隔離問題對于減少廢品至關(guān)重要。擁有存儲并可與測試數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的組裝和耗材數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)這一點。”

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

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

PCB缺陷類型

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

在電路板和元件之間，焊球連接需要對準(zhǔn)，焊膏需要無污染。一個觸點可以通過電氣測試--簡單的短路/開路，但在現(xiàn)場卻由于對準(zhǔn)不準(zhǔn)或材料問題而失敗，并在現(xiàn)場變得更糟。例如，考慮一個電視機頂盒。

“這臺設(shè)備是在某人的家中出現(xiàn)故障的。使用它的機柜環(huán)境變得足夠熱，以至于焊點失效。”Aegis軟件公司新興產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略高級總監(jiān)Michael Ford分享道。“元件和電路板焊盤之間發(fā)生了錯位，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。”

那么，在什么情況下，生產(chǎn)變化——一面黃色的旗幟——會導(dǎo)致失敗呢？如果沒有來自實地的反饋，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試檢測出來，”Instrumental的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Anna-Katrina Shedletsky說。“我們看的是那些可能難以實際測試的東西。考慮到部分屏蔽層不能全部扣下來。”

然而焊接缺陷仍然可以通過，Instrumental在盒子構(gòu)建時發(fā)現(xiàn)了這一點，當(dāng)它查看數(shù)據(jù)的匯總時。該公司分析了400萬個客戶單位的10萬個缺陷。“其中一個有趣的事情是，焊接是前10名中的第4名。因此，我們實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逃到現(xiàn)場。”

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，對高質(zhì)量痕跡的需求推動了計量和檢測需求。

“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。“這些質(zhì)量缺陷的潛在風(fēng)險遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開放性或短缺陷。”

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

“由于組件組裝過程中或終端設(shè)備運行過程中的高應(yīng)力，潛伏缺陷為未來的故障引入了高風(fēng)險，”Perlman說。“因此，十年前比較少見的激光通過檢測，如今已經(jīng)比較普遍。對可靠性和安全性要求較高的汽車電子制造商對它的需求很大。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試，但這種情況還是發(fā)生了。”

檢查、收集、測試

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

三十多年來，光學(xué)檢測一直是PCB生產(chǎn)的一部分，無論是查看圖像以確定正確的焊點，還是在層壓前檢測電路板內(nèi)層的問題。

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

用于計量目的的成像系統(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。” 他補充說，用于激光孔道的AOI已經(jīng)被越來越多的制造商實施。

雖然檢測一直是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、取放和電測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)測中。例如，目前存在可以測量焊膏沉積量的系統(tǒng)。可以提供焊料體積實時測量的傳感器數(shù)據(jù)可以用來預(yù)測疲勞壽命。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)。”

獲取這些設(shè)備數(shù)據(jù)促使印制電路研究所（IPC）制定了一個名為 “互聯(lián)工廠交換”（CFX）的標(biāo)準(zhǔn)。“這是一個基于IIoT的數(shù)據(jù)交換機制，”Aegis的福特說。“我們已經(jīng)定義了確切的數(shù)據(jù)字段，以及它們對每一種技術(shù)的含義，這樣，所有的機器通信都是根據(jù)它們的操作和能力進(jìn)行數(shù)字化建模的。基本上，任何發(fā)生的測量或事件，無論是視覺的還是電子的，都會通過CFX傳輸。

用于計量目的的成像系統(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。”此外，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。“ 他補充說，用于激光孔道的AOI已經(jīng)被越來越多的制造商實施。

雖然檢測一直是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、取放和電測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)測中。例如，目前存在可以測量焊膏沉積量的系統(tǒng)。可以提供焊料體積實時測量的傳感器數(shù)據(jù)可以用來預(yù)測疲勞壽命。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)。“

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

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

電路板電氣測試為互連健康提供了關(guān)鍵的把關(guān)作用。除了對開路和短路進(jìn)行簡單的連接性檢查外，還有機會進(jìn)行參數(shù)測量--頻率、電壓、電流、電容、電阻和沉降時間，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)測試數(shù)據(jù)/現(xiàn)場數(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)。

由于對連接性的關(guān)注、信號獲取途徑的減少以及測試設(shè)備的限制，這種級別的數(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)測試數(shù)據(jù)，“PDF的Huntley說。”例如，電路內(nèi)測試機（ICTs）沒有記錄大部分可以記錄的測試數(shù)據(jù)。原因是，它大大影響了測試時間，這將造成生產(chǎn)線瓶頸。另外，在PCB線端（EOL）測試中，測試人員的技術(shù)并不成熟。不同測試機的測量精度差異很大。這導(dǎo)致廢品增加，出貨的零件質(zhì)量差。“

板級制造之后就是測試箱的制造，這又會造成新的問題。將完全組裝好的板子封裝到容器中的機械過程會導(dǎo)致物理變化，從而對電氣性能產(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“，一個微小的位置變化就會破壞WiFi性能。如果工程師未能在系統(tǒng)級測試中提供RF/Wifi測試，這些可能會變成客戶退貨。

連接生產(chǎn)步驟之間的數(shù)據(jù)

在每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)收集的數(shù)據(jù)都有價值。事實上，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)的趨勢分析來增強該檢查或測試過程。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)或電子測試孤立地隱藏的東西。“

將整個供應(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)線末端的檢測來解決問題。

”我們已經(jīng)創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)平臺，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)包括各個階段的圖像、測試站數(shù)據(jù)以及ICT測試等性能測試。這個平臺就可以讓工程方或制造方的不同利益相關(guān)者在第一時間獲得實際解決問題所需的信息。“

對于復(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問題的上游。將這些數(shù)據(jù)結(jié)合到一個分析平臺中，工程師就能從根本上解決問題，從而提高產(chǎn)量，減少廢品，提高質(zhì)量。

然而，數(shù)據(jù)并不總是一致和可用的。”大多數(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存儲可用的范圍內(nèi)存儲在機械上。最壞的情況下，數(shù)據(jù)僅用于做出實時決策，然后被丟棄。我們規(guī)定了一個全面的數(shù)據(jù)工程紀(jì)律，在這個紀(jì)律中，整個數(shù)據(jù)宇宙被映射，高價值的數(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)，這有助于連接整個制造供應(yīng)鏈的數(shù)據(jù)。然而跟蹤原材料也有價值，可以更快地對生產(chǎn)問題進(jìn)行根源分析。

“這可以是簡單的跟蹤消耗品，如使用的焊膏批次，一直到分析生產(chǎn)線末端的測試數(shù)據(jù)，以找到逃過半導(dǎo)體測試過程的半導(dǎo)體工藝問題，”Huntley說。“事實證明，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%。”

結(jié)語

隨著新舊PCB技術(shù)的發(fā)展，制造商加大了對數(shù)據(jù)收集的投資，這反過來又刺激了對分析解決方案的需求，以充分利用數(shù)據(jù)。收集和存儲適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)可以導(dǎo)致檢測缺陷，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。“十年前，PCB制造主要是面向通過實施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。“重點是確保機器被正確設(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到機器的通信更多的是單方向的。如今，在機器學(xué)習(xí)和人工智能時代，這種流動是雙向的。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，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)。”

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