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确定你的产品的缺陷水平
录入时间:2019/12/3 10:41:48

作者:Ray PrasadRAY PRASAD咨询集团公司

在本专栏中,我将讨论为什么零缺陷的目标可能只是个无法实现的理想目标。我将用一些行业数据来证明我的观点,你可以使用这些数据来确定你的产品中的缺陷水平。我还将讨论我们选择的元件对你所期望的缺陷水平的巨大影响。

我想要澄清的是,回流后的产品是零缺陷的情况也许是不现实的,但是,我们确实必须确保交付给客户的产品是零缺陷的。这就要进行检查、测试和修复产品的根本原因,尽管这些工艺步骤本身不会产生附加值,但它们都必不可少。毕竟,您不希望自己的客户在他们的站点或现场发现在这些产品中存在缺陷。

尽管所有的缺陷都是不可接受的,但是,缺陷还是可以分为坏的缺陷和不是很坏的缺陷。请注意:几乎所有公司的产品中都存在缺陷。尽管你有严格的测试和检查制度,但还是存在缺陷没有被发现的情况。

为什么我们做不到零缺陷?

大多数公司都试图通过开支巨大的反复试验在SMT产品中获得更高的成品率。虽然我们大规模制造SMT产品已经超过30年,但是,只有不到10%的公司的首次通过成品率超过90%。这意味着其他90%的公司的首次通过成品率要低得多。

我使用1985年作为大批量主板生产的基准。你们中的一些人可能还记得第一批配备了英特尔286(一种非常快的6兆赫处理器)的真正意义上的个人电脑(PC)。我买这台电脑花了5000美元,这还是英特尔员工内购价,是正常价格的八折。我只额外增加两个软盘和很多内存(256KB,不是256MB),但我确实省了很多钱,因为我没有再花1600美元买30MB的硬盘驱动器。我有了一个高密度的1MB软盘驱动器,那为什么还要再买一个硬盘驱动器?在我编写教材《表面贴装技术:原理与实践》的第一版时,额外增加的两个软盘和256KB内存就已经够用了。

值得重视的是,主板的设计和工艺步骤从那时起就没有改变过。但是,更新更复杂的主板只是增加了间距比较小的封装,这些封装必须用一些以前处理相同的旧封装的方法,包括处理通孔的方法来处理。使用无铅材料和免清洗助焊剂使问题变得更复杂。

在本专栏后续的讨论中,我将提供一些缺陷数据,但是,问题的本质是,90%的公司都对产品做了太多的返工。返工增加产品的成本,降低焊点的可靠性,因为每一次回流焊点都会增加金属间化合物的厚度。造成这种高缺陷率的原因包括:

•    回流工艺以非常快的速度进行

•    必须由机器执行回流工艺

•    必须对设备进行全面的特征描述,即必须了解会影响设备性能的所有参数,确定它的性能

•    供应商可能会说做到这一点很容易,但事实并非如此

•    大多数大公司都指定工程师对机器进行优化,而小公司是边做边学

•    边做边学不是一个选择,因为收益或产品时间表(或两者都有)可能会受回流工艺的负面影响

目前电子行业的缺陷水平是什么水平?

让我先从引用Stig Oresjo的一篇论文[1]开始。这是一篇很早的论文,但随着微间距和超微间距QFP,多引脚BGA,0402、0201、01005电阻器和电容器,以及无铅材料和免清洗助焊剂的广泛应用,电子制造中成品率问题没有得到任何改善。我还必须指出,Stig Oresjo这篇论文中的结论和我在从事咨询服务期间在不同客户网站上发现的情况非常相似。

Stig Oresjo对美国和欧洲的15家主要的一流OEM和EMS公司进行广泛的研究。他使用超过550种电路板结构的超过325,000块电路板,研究的焊点总共超过10亿个。可以肯定地说,这项研究使用了大量的样本,这些样本的制造商都是一流的组装商,都能负担成本在50万美元以上的AXI检查系统。

本研究只使用AXI机器进行检查,没有使用功能测试或电路测试(ICT)设备来确定缺陷。考虑到AXI机器的局限性,如果同时使用ICT和功能测试,缺陷的数量可能会更高。尽管如此,本研究中的缺陷水平在650到10,000 PPM之间变化,并且所有电路板的平均缺陷水平是1100PPM。

你必须遵循正确的步骤来计算PPM水平。例如,如果你的电路板上有100个元件,并且所有元件一共有1,000条引线,那么产生缺陷的总机会是1100个(即所有的元件都是坏的,所有焊点也都是坏的)。但愿你不至于如此不幸,你的电路板没有这么糟糕(这样的情况是没有的),而你的产品中只有11个缺陷。这时,你的PPM水平将是10,000(11除以1100后再乘100万)。

计算PPM的美妙之处在于,在计算PPM时,和你的电路板有多简单或有多复杂没有关系。虽然首次通过成品率是一种有效的质量度量方法,但它不能区分有1000次缺陷机会的极其简单电路板和有10000次缺陷机会的复杂电路板。在复杂电路板中,很低的首次通过成品率可能比在较简单的电路板中比较高的首次通过成品率更能反映电路板的质量。我们应该用这两种方法来衡量我们的质量水平。

元件类型、间距和缺陷水平

了解元件类型与它们的缺陷水平之间的关系很重要。例如,研究发现一个值得关注的问题是元件类型和缺陷之间的密切关系。例如,即使我们对通孔元件有近70年的波峰焊经验,它们的缺陷水平一直都非常高(4000PPM)。和翼形器件1400PPM的缺陷水平相比,BGA只有600PPM。所有这些元件的缺陷水平的平均值是1100PPM。

元件的间距对缺陷的影响最大。间距定义为引脚中心到相邻引脚中心之间的距离,而不是相邻引脚之间的距离。元件的间距决定焊锡球粉末的尺寸、焊膏的类型和你处理它们时所需要的印刷机和贴装机的类型等选择。例如,研究发现,PPM水平随翼形元件的不同间距而变化。这方面的调查结果见表1。

间距

PPM

16密耳(0.4毫米)

13088

20密耳(0.5毫米)

1878

25密耳

950

50密耳

650

表1:QFP的缺陷水平与间距的关系。

不用说的是:当你使用间距小于20密耳或0.5毫米的元件时要非常小心。

在你的产品中的目标缺陷水平

我见过非常低的缺陷水平,比如在一种英特尔产品中的缺陷水平是6PPM,以及在马来西亚的一家EMS公司的缺陷水平是4.5PPM。但是,即使在这些公司,也不是每一种产品的缺陷率都这么低。虽然低于50PPM是非常罕见的,但低于100 PPM并不是不常见或不可能的。无论如何,正如我在2019年5月的专栏中强调的,你不仅需要内部编写的DFM和工艺文档,而且(更重要的是)还要遵循它们。

此外,正如本专栏前面所提到的,一些元件,例如用波峰焊焊接的通孔和间距小于0.5毫米的翼形元件更难达到比较低的PPM水平。因此,只有在你没有其他的选择时才会使用这些元件。

达到低的PPM的缺陷水平很重要,但是,对于高成品率和高可靠性,只做到这一点还不够。你需要有正确的缺陷类型,这将是我在下一期专栏文章的主题。敬请关注。

参考文献

作者简介:Ray Prasad是RayPrasad顾问集团公司的主席,他是《表面贴装技术:原则和实践》教科书的作者。Prasad还入选IPC名人堂,这是电子行业的最高荣誉,他从事SMT数十年,拥有在SMT行业多个领域的经验,包括在波音公司和英特尔公司担任SMT方面的领导职务;帮助OEM和EMS客户在全球范围内建立强大的、内在的、能够自我持续的SMT架构;此外,他还提供现场的深度SMT课程教学培训班。


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