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装配背后的清洗挑战
  2021-09-22      86

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I-Connect007编辑团队专访

埃里克·卡姆登 (EricCamden) 认为,对装配制造商来说,没有人像你一样更了解你的电路板,因此是时候开始进行自己的清洁度测试和尽职调查,不再依赖外部组织来确定电路板需要达到的清洁程度。

诺兰·约翰逊(Nolan Johnson):你能否介绍一下你自己、你的背景以及你工作的公司情况,以便我们快速进入话题?

埃里克·卡姆登(EricCamden):我是印第安纳州科科莫 Foresite 公司的首席调查员。 我们是一家失效分析和可靠性测试实验室。 我在这里已经工作 21 年了,我大部分时间都花在优化其他人的工艺上。 我会看到失效,也会看到他们努力在装配方面以某种方式优化工艺; 我们将对此进行分析并现场查看设备和工艺参数,然后确定如何进行优化。我花了很多时间以这种方式为我们的客户提高可靠性,以及失效分析。我们是一个深入的失效分析实验室,拥有行业各个专业的经验,从元器件封装到组装。

约翰逊:目前最紧迫或最明显的问题是什么?

卡姆登:在过去的几年里,在进行涉及化学、残留物和相似类型的失效分析项目时,小型化带来的问题一直在上升并超越可靠性问题。清洁度仍然是一个大问题;它推动了我们在这里所做的很多事情,当我们查看 IPC 的变化时,他们对 J-STD-001 清洁度的规定(用于ROSE 测试可接受性的 1.56 目标数字已经删除了),现在已被创建你自己的客观证据所取代。 WP-019 解释了 Rhino Group 如何得出这些结论,以及如何实施而不是接受那个历史数字。清洁度和可靠性是密切相关的,我认为它不会很快发生变化。 当你要优先考虑小型化的时候,会使你自己的问题更加复杂。

约翰逊:你提到ROSE 测试的IPC 标准改变等等。 从你的角度来看,会发生了什么?

卡姆登:从表面上看,这似乎很简单。由国防部在 1970 年代开发的 ROSE 测试仪从未打算成为验收标准。试想一下,当时使用的材料组和元器件,通过/不通过数字被放在一起并被许多制造部门普遍接受——那时是全松香板,清洗的时候,是的用氟利昂。从 1970 年代开始,当该标准出现时,没有一项技术能够像原样那样真正存活下来。

随着时间的推移,关于小型化,我们看到为保证功能正常,电路板上的表面活性剂减少了,因此必须有更好的方法来确定你的特定电路板需要进行什么测试。业界开始意识到并非所有的电路板都是一样的。我们都知道这一点,但我们需要失效数据来告诉大家你的板子是非常独特的。一旦他们确定 1.56 这个数字真的不再适用,那么它就被删除了。很多公司自己都在朝着这个方向努力,因为他们看到他们的左手拿着一份报告,说他们符合某些标准,右手拿着他们的失效分析报告。

当你看过足够多的案例时,你可以得出结论,这可能行不通。 IPC 的 Rhino Group确实为装配制造商提供了很多支持:“如果这是我的最终使用环境,我可能应该进行此类测试。”现在,它更像是一条准则:“这就是你得出的结论,即你的电路板已清洗干净。”这是一个没有人能回答的老问题:清洗到什么程度才足够干净?这取决于你的最终使用环境,人们开始接受他们无需依赖外部组织来确定他们的电路板需要达到的清洁程度。现在 IPC 支持这个想法,说:“你需要弄清楚你的电路板有多干净。”我认为这是彻底改变 J-STD-001 第 8 节的动力。

约翰逊:如果对清洗的看法和要求正在发生变化,如果我们正进入清洗越来越重要的时期,那么装配商的驱动因素是什么?

卡姆登:驱动因素是他们推荐进行客观证据测试。表面绝缘阻抗将是任何新产品获得验收的先决条件(如果你正在查看 IPC)。 表面绝缘阻抗确实是一项一致认可的测试,这是理所当然的。 有几种不同的方法可以做到这一点。 有多种方法可以调整该测试,并且仍然符合 IPC TM-650 测试方法的精神。 但是他们推荐 SIR,然后你可以在此基础上进行自己的 ROSE 测试。 如果你通过 SIR 获得了可接受的电路板数量,那么你可以在同一时间范围内使用相同材料制造的许多电路板进行 ROSE 测试以确定该数量是多少,具体取决于他们的设备。

上世纪 90 年代中期的一篇论文显示,ROSE 测试人员的序列号为一、二、三,会在三个不同的电路板上得到不同的结果。对于每个单独的合约制造商来说,在他们的板上使用他们的设备并得到了可重复的数字真的变得更加重要。不管是每平方英寸 1 微克还是每平方英寸 100 微克,这都是他们的设备在他们的环境中测量的。 SIR 驱动数据表明:“这个工艺中的这些材料应该适用于我们的产品。”

结合一些额外的 ROSE 测试或更高级的离子色谱测试,可以确定你的电路板的清洁程度。这为工艺监控创建了一个基准。你仍然可以使用 ROSE 测试仪进行清洁度监测。他们并不是告诉你不能使用它,他们只是说你需要一个更好的数据集来确定你的可接受性标准,因为它不再是 1.56。你仍然可以对工艺监控进行相同的测试,但在开始进行测试之前,你需要一个更好的客观数据集。

约翰逊:可靠性的最终测试是现场故障率。我认为装配制造商希望在该指标上取得成功,因为这反映了装配制造商的水平。

卡姆登:哦,当然。有很多方面:声誉和底线。

约翰逊:它把更多的决策权交给了装配制造商。那么装配制造商是否掌握这方面的专业知识?

卡姆登:第一梯队的装配制造商有这种专业知识。根据我的经验,与我们合作的绝大多数合约制造商都意识到这种朝着新标准发展的动力,并正在自行确定。他们一直积极主动地采用这种新的客观证据思维方式。

丹·范伯格(Dan Feinberg):埃里克,你有没有看到最近现场故障率的差异,电气与机械方面的?现在有更多的便携式电气设备,它们更容易受到跌落冲击等机械问题的影响。你看到这个趋势了吗?

卡姆登:首先,我们看到更多的电力驱动故障,尤其是在谈论漏电路径时。当我们谈论长期和各种最终使用环境中的故障时,主要是电气方面的。如果合约制造商 知道该设备将是便携的,他们就会努力使产品功能更加强大。他们正在改变清洗电路板的方式。

我们在这里看不到许多批量生产的产品,因为更换它们比排除故障更便宜。我会说我们仍然看到移动便携式设备上的电路故障相当多,但我没有看到机械故障的增加。

约翰逊:埃里克,你们的业务在增长?

卡姆登:我们看到更多的失效分析可能由于所需的方法而没有完成。早些时候,我在讨论封装样品,最近我们看到了很多封装组件。我认为他们正在接受测试,而不是因为缺少组件而仅仅被视为“没有发现问题”,。我认为存在很多问题,人们担心他们将无法获得 BGA,或者他们正在削减任何可能被视为失效的东西。

拆下这些部件需要长时间的化学暴露,非常耗时且相当昂贵。由于现在获取组件的难度增大,人们比以前进行了更多的失效分析,以在更大范围内阻止任何故障。随着零部件短缺成为一个真正的问题,他们将对以前可能报废的零部件进行一些失效分析。

约翰逊:打算修复失效的东西,然后再重新使用?

卡姆登:可能有两个方面需要考虑。首先,要找到失效的根本原因。这是最重要的事情。弄清楚在工艺中是否有可以更改或优化的部分。一旦弄清楚了这一点,你就有可能避免使用该组参数生产其他产品。其次,一旦我们拆下一个元器件——如果我们没有对它造成任何机械损坏——他们就可以将它用作替换零件。

约翰逊:这似乎与汽车对元器件数量的采购需求增加有关。如果从这个角度考虑,这项额外的失效分析工作就变得有意义了。

卡姆登:是的。任何时候,只要你能从一开始就阻止失效的发生,通常就值得投资。以前,如果一家公司看到千分之一或千分之二的故障率,他们可能只是将其销账;现在他们更有可能继续做失效分析的工作。

巴里·马蒂斯(Barry Matties):我们会看到更多的零件回收吗?

卡姆登:我相信我们将开始看到更多可用的零件。我知道 Bob Wettermann 有一个很好的专栏,该专栏也出现在 2021 年 3 月的 SMT007 杂志上,关于能够抢救零件。我认为我们将开始看到更多被抢救回来的元器件,并且某些客户要求我们验证那些从电路板上拆下来的零件清洁度。现在抢救回来的数量不多,但我认为随着芯片短缺的持续发生,时间越长,我们就会看到更多人努力抢救元器件。

马蒂斯:听说短缺将持续数年之久。

卡姆登:确实如此。因为他们现在远远落后,他们需要一年时间才能赶上,又需要一年时间才能清零。

嗨皮·霍尔顿(Happy Holden):在疫情之前,我们的供应似乎还可以;只是一年半后,突然出现短缺。

卡姆登:他们已经用光了仓库中的所有库存,然后没有像以前那样快速补货。所以,这是有道理的。

约翰逊:在提高可靠性方面,最常见的挑战是什么?

卡姆登:知道如何对自己的工艺进行故障排除。你无法使用 ROSE 测试仪检测清洁度的微小变化。你必须进行本地化提取。你必须进行离子色谱检测,并且必须使用实际产品。通常,我们看到客户通过 SIR 对 B-52 测试板进行验证;他们甚至会进行 596 小时的电化学迁移测试。他们会做一些扩展测试,然后他们会尝试将相同的配方和所有材料转移到他们的实际产品中,这显然将是一个非常不同的部件、厚度等组合。微调验证后的工艺对一些公司来说可能有点麻烦。这是因为他们使用的是 ROSE 测试仪指标,该指标无法检测小范围的污染,也无法确定哪些组件由于热容量或其他任何原因而最难回流,然后无法确定将工艺微调到那个失效的区域。

我认为合约制造商将验证工艺转移到实际产品中还是有困难的,只是因为它们如此不同。

约翰逊:他们有能力做到这一点?

卡姆登:是的。但是仍然存在人才流失的问题。我们仍然可以看到管理人员裁减长期从事电路板制造的员工。这些员工带走了专有知识,这些知识真的会丢失——直到其他人意识到问题所在以及如何解决它。我们看到很多人从一家公司跳到另一家公司,带走了他们的专有知识并留下了空白。

约翰逊:清洁度问题会以多种方式影响可靠性和制造质量。你能帮我们列出一些吗?

卡姆登:是的。这是我们的专长之一。制造组件时,有很多污染的机会;一块板子有100 个不同的接触点,如果你不知道如何寻找每个接触点,可能会出故障,而且永远不知道故障来自哪里。就现场操作而言,清洁度是可靠性,非常重要。

你首先看到的是漏电。可能有一半是“没有发现问题”。这是佛罗里达州与亚利桑那州的难题,其中 10 个被送往亚利桑那州并且从未出现过问题, 10 个被送到佛罗里达州,并且每个都出现问题。当你制造电路板时,最终使用环境中大气水分是一个非常关键的参数,因此你要知道电路板如何清洗以及允许的残留物水平。

有时电路板上的冷凝会导致它出现故障。你说,“在这里出现故障了,寄回给制造商。”制造商把它放在桌子上,并没有出现故障。现在,客户发誓出现故障,而合约制造商说,“它不可能有故障。”我们发现电路板正处于失效的边缘。由于漏电,如果经常出现故障,你真的很幸运。这意味着我们可以进行一些测试,以确定导致漏电的确切原因。

这些问题从漏电开始,然后如果允许它在通/断电流的情况下继续工作,它就会长出树突。现在你遇到了严重的失效。这是第二件事,我们仍然看到在保形涂层下发生的这些漏电路径问题。电路板没有准备好进行保形涂敷,因此仍然能够吸收水分。污染电路板的方法有很多种,但最终结果通常是某种漏电、不需要的电压,甚至是烧坏。有很多不同的方式使电路板因污染而失效,但最终都会出现电气问题。

约翰逊:埃里克,这是当前清洗技术的缺点吗?

卡姆登:技术很好。这只是每个合约制造商以及该生产线上的操作员的问题,他们一开始就要知道如何建立良好的清洗工艺。了解如何设置设备、需要多少温度、传送带速度以及如何优化清洗工艺,然后使用不同的测试方法进行验证,包括仅在现场环境室内进行的标准老化类型测试,看看你的清洗效果。

我们不缺清洗化学试剂或设备,缺的是经验丰富的操作人员和工程师,他们可以设置清洗配置文件,给自己最好的机会,用选定的一套材料做最好的工作。我刚从一个客户那里回来,验证了两个清洗工艺;你只要对这些工艺稍加调整,就会对清洁度产生巨大影响。

不管是建立一个真正的免清洗工艺,还是要清洗,你知道如何达到那个点。

约翰逊:一个人如何获得清洗所需的专业知识?

卡姆登:就像我的孩子学骑自行车一样;你只要坚持下去。我是说,你摔了下来,伤了自己,但你还是继续骑。如果你够幸运的话,你的工厂里有个导师。除此之外,网上还有大量关于如何清洗电路板的文章和视频,你可以加入SMTA和IPC这样的小组。

很多人都是在做错之后才得到经验的,这种经验可能相当昂贵,好像一项艰难的实验。有很多不同的方法可以做到这一点,这取决于他们想投入多少努力。

约翰逊:为了提高可靠性,装配制造商现在真正需要知道什么?

卡姆登:他们需要知道清洗和整个装配工艺是很重要的。他们需要知道品质部门是他们永远不能亏待的。他们需要知道你的板子在装运前的最后一个地方需要有多干净,他们需要知道如何测量和监控板子的清洁程度,他们需要知道如何做好所有的功课。正如我所说,J标准WP-019是一个非常好的参考,可以用来为自己的产品制定清洗标准。这是他们一直需要了解的。没有人像你一样了解你的板子,所以你需要做你自己的清洗测试。

我从来都不提倡一刀切。即使我在一个失效分析实验室工作,我们有自己的建议限额,适用于我们的大多数客户,但我从来不会说这些数字绝对适用于你的板子。我们说,“这应该对你有效,但你必须做一些测试来确定它是否有效。”每个合约制造商都得出了这个结论,现在他们正在努力确定如何最好地达到这个目标,并遵循新的IPC指南。合同制造商不遵循IPC标准是出于好心;这些标准是在合同某个条款中规定的。大型合同制造商当然与IPC合作,但他们只遵循这些指导原则,因为他们的客户要求他们这样做。

约翰逊:你预计在未来三到五年内,装配制造商的可靠性会发生变化吗?会发生哪些变化?

卡姆登:我看到了更好的内部测试资源来测试现场产品。我认为公司在生产之后会进行更多的测试,他们会在一个环境室中测试更大批量的产品,以便在他们的电路板上增加润湿,从而决定产品的品质和可靠性。

我认为公司会更加关注验证实际的产品,而不仅仅是测试板。很多客户已经开始了验证测试,他们在第一次验证实际产品后会思考,“这与我们验证测试板相比有什么不同?”他们会有一种想法,即更彻底地使用数据,用验证后样品监控实际产品。

霍顿:埃里克,随着越来越多的底部焊端器件的出现,引脚到本体底部的间距越来越小。晶圆级封装和小型化,尤其是低间隙,是否会导致更多的污染或清洗问题?在过去,所有的零件都是开放的,很容易取用,但Z方向的小型化流行起来后,特别是底部焊端器件,许多合同制造商都在谈论空洞。一方面,你只能用X光来检查,但另一方面,在所有的焊端之间,还有什么东西能被困在下面呢?

卡姆登:对。我总是说QFN把我的第一个孩子送进了大学,按照这个速度,我的第二个孩子可能也会被送去。我的意思是,在这个行业中,没有任何一个组件比QFN表现出更多的失效,绝对是因为你提到的原因。你可以有一个4密耳的钢网,你可以打印一个QFN,当大的热接地焊盘焊接好的时候,它有时低到半密耳高。我们做了横截面,显示只有半密耳的高度。现在,如果你使用的是免清洗工艺,你应该如何排出气体?而且它们不会像预期的那样100%可靠地排出气体。

它们与免清洗助焊剂中的松香或树脂成分混合在一起,只在引线和接地之间的焊盘周围保持活跃。我们看到的是同样的低间隙问题导致了水基工艺的问题,你拿着同样的QFN,现在你想清洗掉底部的所有残留物,但是同样的低间隙高度基本上在组件边缘形成了一个水坝。如果你幸运的话,你会从QFN边缘外侧到中间清理出15-20%的气体,同样的运气也让你清洗掉助焊剂中应该被释放的活性成分。

实际上,你正在去除保护层,我们看到这些部分清洗的免洗助焊剂残留会有很多问题。它基本上暴露了所有的活性污染物,它们本来是包在外壳内的。QFNs下面很难清洗或正确排出免洗助焊剂残留物,直到今天失效依然存在。我相信与QFNs直接相关的故障率并不会降低。QFNs和微型BGA,你们提到的任何一种底部焊端器件,都显示出潜在的失效,就是因为它们很难处理。这是我之前说过的一个事情,关于有经验建立一个好的清洗工艺。我们知道,“这是一个很难清洗的组件。我必须非常注意在哪里加入清洗剂,皮带速度是多少,否则需要额外的时间,额外暴露在皂化水和去离子水中,以确保零件和焊盘之间得到完全清洗。”

QFN在这个行业仍然是一个巨大的困扰,我不知道答案是什么。我们已经看到了一些改善,在焊盘上做热过孔,有助于增加一点间距。你可以为接地焊盘设计一个窗格而不是一个实心垫,增加间隙高度。我见过几个QFN制造商,已经在元器件端做了窗格,有助于增加一点间隙。我认为,更好的QFN设计可增加间隙高度到4密耳。无论如何,你希望看到3-5密耳,以帮助你更好地释放免洗活化剂,以及能够清洗它们。QFN和所有底部焊端器件仍然占失效的很大比例。

霍顿:由于芯片级封装和晶圆级封装越来越密集,焊球越来越小,这意味着偏移越来越少,迭代将使这一问题越来越严重。特别是IBM宣布在他们最新的一组晶圆上采用两纳米的几何结构。所有这些都将会有更多的IOs,更多的接地IOs;pitch也越来越小。

卡姆登:完全正确,这就是他们付出的代价。他们必须对清洁度、清洗或其他任何事情进行额外的审查,这是一种权衡。他们必须更加注重可靠性。这当然不是一对一的关系,但是你的间隔越小,允许的污染就越少。随着电压的升高,这也会起到一定的作用。清洗总是很重要的,正如你所说的,当小型化发展到这个程度时,尤其是Z高度的清洗就更重要了。

约翰逊:埃里克,我知道我对这个问题过于简单化了,但是免洗的东西过时了吗?

卡姆登:不,没有过时。它是合约制造商的首选。正如我前面提到的,我们看到很多失效与部分清洗的免洗助焊剂去除外层有关。我肯定,但没有数据支持,清洗免洗助焊剂这一趋势是由那些从来没有制造过板子的人造成的。他们说,“好吧,这是免洗助焊剂。所以,如果我们没有洗掉它,也没关系。任何我们看不到的东西都无关紧要。”而这恰恰相反。部分清洗的免洗助焊剂对组件造成的危害与清洗工艺后留下的水溶性助焊剂一样。你仍然可以看到活性助焊剂残留物,这些残留物吸湿性强,只要在足够的湿度和足够的电压下不需要很长时间就可以建立起漏电路径。

使用免洗和不使用免洗,将是95比5。免洗绝对是未来或过去10年的潮流,它将继续主导某些行业以外的领域。许多国防产品仍然使用水溶性的,然后清洗。航空航天业使用水溶性的清洗剂来清洁它们的部件,有一种心态,你可以部分清洗它,没事的。人们正在艰难地认识到这不是事实,这可以追溯到我们刚才所说的QFNs清洗工艺。这些是我们看到的大部分局部清洗失效的部件,很难克服。

我总是说如果你要清洗,用水溶性的。别让自己难受了,只要确保你做得好就行了。清洗免洗助焊剂容易多了。不要想通过两分钟的清洗工艺来分解这种松香或树脂材料。能够正确地处理免洗助焊剂,无论是将它们留在原位还是清洗它们,都是非常关键的。

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