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通过清洁度测试
  2020-12-29      90

编辑手记:本文最早是于2006年6月在《电路树期刊》上发表。Happy Holden 更新了文中的一些细节,但基本上没有改变电子制造中的清洁度测试与检查的基本方法。本文全面介绍和有效回顾测试和检查的原则。

你是不是想过如何提高利润?提高利润的一个办法是了解你的各个工艺,收益损失是怎样造成的,以及如何组装电路板。据我所知,要做到这一点,最佳工具是众多用来进行参数分析和特征分析的样品。分析这些样品是质量评估工艺的一个部分。这些评估工艺覆盖可靠性评估、最终产品评估、半成品评估和工艺参数评估。

下面是我将详细说明这六个样品系统:

1、参数测试系统(PTS)

2、导体分析技术(CAT)

3、印刷电路的质量和与之相关的可靠性(PCQR2)

4、高加速热冲击(HATS)

5、互连强度测试(IST)

6、完美测试

为什么这六个样品系统很重要?

由于你在进行生产时要使用许多不同编号的零件,因此很难知道你的制造工艺运行得如何。这是集成电路(IC)制造面临的最大挑战。集成电路制造商要了解他的工艺是否正确运行的一种方法是,测量放在每个晶片上的一个专用参数芯片样品和拥有特定参数的晶片。

可以在特定的工艺步骤中设置探针探测台来探测这些参数芯片,提供工艺是否在控制范围内运行的反馈。有对特定工艺反应灵敏的专用样品,在运行工艺时,这个专用样品在制造工艺对产品造成伤害之前,就会发出工艺出现问题的信号。这些工艺效果和设计的积累在最终测试中会以产品特性的第一次通过成品率(FPY)体现。

参数测试系统

参数测试系统(PTS)是惠普公司(HP)的印刷电路部门在1987年创建的,根据从1972年就开始在生产中使用的早期惠普样品改进。那些早期样品关注的重点是测试内层移动,使用I/L上的铜短路到电镀通孔(PTH)、莫尔电路、通孔的高质量横截面。台湾南亚科技公司第一个PCB工厂(大约在1983年)把参数化的PCB作为培训工具和工艺中的测试工具,这是参数PCB的附加作用。这个PCB有各种技术的设计规则,并且提供如何改进工艺的反馈。

HP的PTS是一组7个的样品,这些样品可以放在生产面板上或放在一块参数面板上,提供工艺能力的快照。最初设计的用来测试的七个样品(图1):

                                             

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图1:惠普公司设计的7个样品:(a)外层定位增量在0.00025英寸之内,(b)内层定位与移动增量在0.00025英寸之内,包括0.1密尔X光微调,(c)多个层上的走线/走线/焊盘开路与短路电路,(d)PTH电路的连续性,包括I/L以不同角度连接到PTH,(e)原图缺陷分析在增量0.00025英寸之内,以及(f)蚀刻因子分析在增量0.00025英寸之内。

所有设计的这些样品都是用来测试的,由测试设备的测试器使用测试机器的开路-短路钉床进行连续测试。在这个例子中,测试器的故障文件被HP工作站捕获和存储。每个样品都有一个已存储的完美响应或网络列表,用它和故障文件进行对比,将开路和短路转换为维度偏移或其他的参数数据。使用RS/1统计程序生成控制图表和统计报告,以及历史数据。这个系统如图2a所示。

图2中(b和c)也展示了小型的独立式样品测试器,操作人员必须用它即时检查工艺,作为可信的指标。这些自制的毫欧姆表使用简单的1安培电流电源块、4位数字的面板式仪表和以及一个有机玻璃加工的试样架一起工作,在四线开尔文测量方案中,样品支架有8个装在弹簧上的金针用金属线连接到4个方位的旋转开关(图3j)。

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图2:(a)带有连续性测试仪的HP PTS装置,(b)各个样品的测试夹具,(c)在开尔文四线测试配置中,毫欧姆测量使用的1安培电流电源和数字面板仪表。

导体分析技术

CAT是使用时间最长的商用参数样品系统。它源自于Scandia国家实验室的NCMS计划,创始人是Tim Estes和Ron Rhodes从Scandia获得测试机器的授权并且在1994年开始推广CAT。这个测试设备和测试方法获得美国第5,659,483号专利。由于测试的可用长度、完整性和大量的出版物,CAT样品是使用最多的基准样品。

6个尺寸都是25.4 毫米×25.4毫米(1.0英寸x 1.0英寸)的样品组成CAT的主要传感器(图3):

像CAT这样的参数化系统的价值在于它能够捕获一个工艺、一个步骤、一台机器或各种材料的真实能力。每个样品上都有许多功能,这样,它们可以捕获测试对象当前的功能。由于这些对象都很复杂,无法检查它们和进行分类,因此,它们真正代表测试对象正在发生的情况。对于新用户,吸引力在于通过检查它们以获得完美的样本。这种检查通常被证明是无效的活动,因为其中有一些特性在设计上超出当前的能力。

这些样品都可以通过CAT定制:导体间距(1-20密尔)、过孔直径、过孔的位置、菊花链的顺序、层数、定位的灵敏度和层数、过孔的结构(通孔、盲孔、埋入孔、跳过孔、堆叠的孔、顺序层压的孔,等等)、阻抗类型(单端、差分、边缘耦合、比较宽的侧面、共面等)、整体厚度、位置和拼板尺寸。有些样品被设计成可以移出和可以放入小型测试器中。可以看到一些测试器是经过重新设计的,你可以在CAT测试信息中看到新的小型测试器下面的测试电路。

CAT的主要设备如图3g所示。这是由Scandia设计的,由对准系统、夹具和钉床组成,钉床连接到灵敏的断续AC、四线开尔文电阻测量系统(图3j),测量结果送至个人电脑。在1999年设计的便携系统也拥有同样的功能,这样,在生产中可以用安捷伦34401伏特计得到读数,如图3中的h和i所示。便携系统具有额外的样品尺寸,从0.33英寸x 3.0英寸到0.5英寸x 2.0英寸,这样样品可以很容易地放置到生产的拼板上,同时也便于软件自动计算各种响应。为了改善对阻抗的测量,在2003年增加Polar RITS-510机器人探针和测量单元。在2004年,香港生产力委员会在香港建立了使用这种设备的第二个测试工厂[1]。

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图3:CAT(a)钻透样品,(b)制作有各种导体间距的样品,(c)定位样品的阻焊膜,(d)有4个过孔网菊花链的样品,(e)有阻抗的样品,(f)定位样品,(g)4线微欧姆测试系统灵敏的断续交流电流,(h)使用安捷伦公司34401A仪表的便携式样品测试系统,(i)样品探针的近摄镜,和(j)四线开尔文测量结构电流与电压配置(CAT测试的信息)[2]。

印刷电路工艺的能力、质量与相对可靠性

CAT面板的普及最终导致IPC在2000年将它标准化。IPC的D-36小组委员会建立标准参数板和测试标准,即著名的IPC-9151 PCQR2。来自这些基准电路板的数据保存在数据库中,可以向IPC订阅。全球超过89家PCB制造商已经制造了用于测试的PCQR2板。业内人士可以在pcbquality.com上免费得到这些基准电路板的原图和规格。图4是典型的PCQR2板,它采用14层(IPC-14VB-D)过孔的刚性电路板设计(18英寸x 24英寸),利用了通孔、盲孔、埋入孔和两个层压层的亚复合过孔。图4说明PCQR2 面板的完整列表。

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图4:PCQR2的原图,通过横截面说明14层过孔刚性板的厚度范围,以及各种通孔、盲孔、埋入孔、亚复合过孔和背面钻的过孔(pcbquality.com[3]

Highly Accelerated Thermal Shock

高加速热冲击

D-36小组委员会在相对可靠性方面的工作成果之一是建立了高加速热冲击程序。Microtek实验室使用CAT开发的HATSTM以30秒热循环周期对PCQR2进行空对空热循环,温度变化从-45℃到145℃(也可以是-60℃到160℃),见图5a。通过连接到测试夹具的四线数据采集系统对样品进行连续检测(图5b),测量过孔菊花链的电阻,监测10%的电阻改变,或500个热循环周期的电阻变化。这些样品的尺寸从0.5英寸x 1.0 英寸到1.0英寸x 2.0英寸不等(图5-c,d,e)。这些都可以在hats-tester.com通过样品生成器软件免费获得。由于这个测试系统的测试速度和效率,许多公司正在购买这种测试单元。

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图5:HATS是在测试单元中完成的,在测试单元中:(a)产生冷空气和热空气,让这些空气通过测试夹具(固定样品的装置),(b)夹具中容纳36个测试样品,如从(c)中看到的1.0英寸x1.0英寸和(d)中的2.0英寸x1.0英寸,或(e)中的0.5英寸x1.0英寸的样品(hats-tester.com)。

互连的强度测试

IST是组装行业中最古老和最常用的加速热过孔可靠性系统。1989年由加拿大数字设备公司开发出来,1994年获得专利,1995年由PWB Interconnect Solutions公司商业化,已经在全球安装120多套系统。超过120个OEM、EMS和PCB制造商使用这个系统,它在全球拥有6个授权服务中心,按照IPC-TM-650测试方法2.6.26,用直流电流进行热循环测试,使测试标准化。

典型的样品如图6a所示。这是OEM提供的一块IPC 3类测试板。这块测试板上有通孔,盲微过孔和埋入的过孔,使用高Tg、低损耗层压板。所有的IST测试样品都由两块这种测试电路板构成,进行互连强度测试,直到样品通过正式认可的IST循环次数,这种测试样品不是生产中组装的样品。生产中组装的样品不能通过测试意味着样品要返回制造商进行分析。

IST方法测量经过热循环过孔的电阻和与内层连接电阻的变化。热循环是由大电流产生的,这个大电流流过特定的一组过孔(通常是有200个过孔的菊花链)与内层连接的电阻,这些过孔使两个相邻的层互连,被称为电源电路(图6c)。电流接通三分钟产生的热量使连接过孔的温度从室温上升到指定的高温度。断开电流和强制空气冷却,将过与内层的连接冷却2到3分钟(图6f)。

另一组互连包含两个独立菊花链的500个互连过孔,这些过孔都穿过任意两个处于不同水平面的内层。通过测试的是传感电路(图6b)。图6d是平行运行而顺序交叠的两组互连的等距视图。如图6e所示,这个设备提供样品固定、电流、冷却和电阻测量。

由于互连结构中存在热膨胀差别,样品将出现加速失效。失效可能发生在多个位置(图6g),在一个或多个区域的特定位置出现过孔裂纹、后分离、连接裂纹或材料分层。测试循环将持续进行,直到样品达到特定的拒绝标准,或者达到测试要求的循环次数。

IST网站(pwbcorp.com)或它的经过欧盟批准的Polar Instruments(polarinstruments.com)拥有大量可用的应用数据,包括针对所有层数的5英寸和6英寸样品的标准设计,设计覆盖以下这些结构:

• GB400000A:任何两层顺序层压的盲孔

• GB400000B:在两层上钻的任何盲孔

• GC400000B:任意层顺序层压埋孔

• GM400000A:在两层上钻的任何盲微过孔

• GP400000A:PCB上的所有层上的通孔>0.125英寸

• GS400000A:通孔(TH)和盲孔>PCB上的4个顺序层压层≤0.125英寸

• GT408000B:5英寸样品的PCB上所有层的通孔≥0.125 英寸

• GT501000A:6英寸样品的PCB上所有层的通孔≥0.125 英寸

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图6:IST是由直流电流产生的热循环测试:(a)典型的6英寸样品,(b)读出电路菊花链,(c)电源电路菊花链,(d)平行与交叠的电源电路与读数电路的等距视图,(e)IST的功率、数据获得与固定测试设备,(f)常用的加热-冷却循环(g)热强度的互相连接的失效模式 (PWB Interconnect Solutions公司,网址:pwbcorp.com)[5]

完美测试

完美测试(PerfectTest)出现在1989年,用来解决多层材料移动和钻孔定位问题。遗憾的是,提出这种测试的那些人已经不再从事商业活动,但应当阐明他们的理念。几个样品(图7a)放在多层板的外边缘。这些样品的作用是,通过检测被检查PTH的特定I/L铜楔的运动。图7b表示检测到样品在X轴和y轴上从1密尔到9密尔的0.002英寸增量。

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图7:完美测试是材料移动和定位样品的测试系统:(a)样品尺寸0.2英寸x1.73英寸,放在蚀刻多层电路板上,(b)样品的作用是测量PTH相对各个特定层的金属箔的连续性,(c)测试设备包括测试探针头的近摄镜,以及(d)来自一个用户的生产环境12至26层电路板接近250,000个读数的数据 [6]。

样品可以放在多层电路板的每一层上或特定的某一层上。虽然不需要特定的测试设备,图6C展示了配备分析和数据存储软件的完美测试单元。图7d是在六个月内的制造过程中收集到的25万个样品读数汇总。当时,在22个国家有超过185名用户使用这个样品。

虽然现在完美测试样品系统不再提供服务,但如果AOI系统无法测量内层的移动,还是可以把这一理念纳入CAM系统中。

结论

只要电子产品仍然使用印刷电路,就需要使用样品来测试每一个因素。多年以来,电子行业设计出许多极好的样品,这实在是太多了,我就不在这里一一列举。现在的选择比以往任何时候都要多。希望你使用的测试系统是本文这些系统中的一个。你可以买或租这样的系统,甚至还可以自己开发测试系统。由竞争带来经济压力使这些测试系统成为必备的工具。美国国家标准与技术研究院、半导体制造技术联盟(NIST/SEMATECH)免费提供统计软件包和培训[7]。如果没有某些东西,你就会发现,由于盈利能力或产品的可靠性问题,你的业务经营起来会越来越难以为继。SMT007

References

1. Hong Kong Productivity Council, hkpc.org.

2. Rhodes, R.J., & Estes, T.A., “HDI Performance Validation II,” The Board Authority, June 2000, cat-test.info.

3. Estes, T., & Neves, B., “The Effect of Lead-Free Reflow Profiles on Through Via Reliability,” D-36 Subcommittee Report, February 21, 2005, pcbquality.com.

4. Wolf, D., “Highly Accelerated Thermal Shock (HATSTM) Reliability Testing,” SMTA HEE Conference, June 24, 2003.

5. Burch, B., “Accelerated Interconnect Stress Test for Total Interconnect Solutions Using IST Technology,” February 5, 2004, pwbcorp.com.

6. “Tech Note: Test Resolution,” publication of American Testing Corporation, Redmond, Washington.

7. Holden, H., “The Need For Statistical Tools,” CircuiTree Magazine, October 2002.

作者简介:Happy Holden自1970年开始从事印刷电路技术,先后服务于惠普、NanYa/Westwood、Merix、富士康和Gentex等公司。他目前是I-Connect007杂志的特约技术编辑。

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