PCB电路板缺陷类型总结

电路板制造商正在加大对检测、测试和分析的投资，以满足汽车等安全关键部门对可靠性日益严格的要求。这代表着与过去的重大转变，过去人们对可靠性的关注主要针对连接到印刷电路板的设备。但随着SoC因成本上升和扩展芯片的技术复杂性而被分解成高级封装，安装这些不同组件的电路板也变得越来越密集。线路和导线之间的空间正在缩小，而连接所有这些组件的高密度互连技术也变得越来越复杂。

其结果是对尖端芯片中同样的先进监控技术的需求越来越大。这是汽车、医疗植入物、航空电子和一些工业应用的必备条件。然而，由于高密度互连（HDI）技术的敏感性，以及对社交媒体如何聚焦故障的担忧，即使是智能手机和音频/视频控制盒等消费产品也开始要求更高的质量。对此，电子板制造商和组装商加大了检测力度，并投入更多的数据收集，这些数据可用于数据分析平台。

Ansys新技术和新兴技术产品管理总监Craig Hillman说：“有三个大的变化，首先是在PCB/PCBA制造过程的每个阶段越来越多地使用检测--特别是在最早的阶段，比如模板印刷。第二，正在使用的自动光学检测（AOI）越来越复杂。第三，不再依赖‘去/不去’的决定，而是越来越多地使用参数数据来预测异常的存在。”

需要HDI PCB技术的系统应用也有缺陷检测的要求，远远超出了开路和短路的范围。

“在过去的十年里，我们看到智能手机、通信、大数据服务器以及汽车PCB的新PCB技术有不断增长的趋势。”KLA公司Orbotech的via formation产品营销经理Micha Perlman说。“PCB的线路质量缺陷可能会影响任何类型的电子产品，对于航空、医疗或汽车等行业来说尤为关键，因为这些行业的故障会给用户及其周围环境带来高风险。智能手机和笔记本等消费类产品的制造商也在更加关注这类缺陷。”

对长期可靠性的要求也对电路板制造商对报废成本的敏感度产生了影响。“任务关键型应用现在不允许对电路板进行终端维修，”PDF Solutions业务发展总监Dave Huntley说。“在流程的早期发现和隔离问题对于减少废品至关重要。拥有存储并可与测试数据相关联的组装和耗材数据可以实现这一点。”

所有这些数据提供了一个更精细的设备视图，这对可靠性有很大影响。它还可以用于在制造过程中更早地识别和隔离问题。

目前正在努力促进不同设备之间的数据共享，允许在多个过程中收集和关联数据。因此，数据分析平台不只是测试或检查缺陷，而是更充分地让工程师减少缺陷。

PCB缺陷类型

焊点仍然是在线和现场缺陷的首要来源，但这些不是唯一的问题领域。了解缺陷机理，可以从工程的角度来理解为什么简单的开路和短电测试在缺陷检测中是不够的。

在电路板和元件之间，焊球连接需要对准，焊膏需要无污染。一个触点可以通过电气测试--简单的短路/开路，但在现场却由于对准不准或材料问题而失败，并在现场变得更糟。例如，考虑一个电视机顶盒。

“这台设备是在某人的家中出现故障的。使用它的机柜环境变得足够热，以至于焊点失效。”Aegis软件公司新兴产业战略高级总监Michael Ford分享道。“元件和电路板焊盘之间发生了错位，然而这只是在制造公差范围内。但当你开始在一定的使用条件下通过它施加大量的功率，再加上比理想的温度更高，故障就发生了。”

那么，在什么情况下，生产变化——一面黄色的旗帜——会导致失败呢？如果没有来自实地的反馈，几乎不可能分辨。

“我们发现的大多数东西无法通过功能测试检测出来，”Instrumental的首席执行官兼创始人Anna-Katrina Shedletsky说。“我们看的是那些可能难以实际测试的东西。考虑到部分屏蔽层不能全部扣下来。”

然而焊接缺陷仍然可以通过，Instrumental在盒子构建时发现了这一点，当它查看数据的汇总时。该公司分析了400万个客户单位的10万个缺陷。“其中一个有趣的事情是，焊接是前10名中的第4名。因此，我们实际上看到了焊接缺陷的普遍性，这些缺陷能一直通过生产线末端检查，这代表了有多大比例的缺陷可能会逃到现场。”

随着HDI技术的发展，开放性缺陷和短缺陷也在增加。然而，对高质量痕迹的需求推动了计量和检测需求。

“质量上的缺陷，如线路缺口、碟形缺陷或异常焊盘，在安全和可靠性是关键任务的行业中是非常关键的，如航空、医疗和汽车，”Orbotech的Perlman说。“这些质量缺陷的潜在风险远远大于开放性或短缺陷。”

HDI允许层与层之间有数以万计的微小孔隙，这就转化为同等数量的缺陷机会。

“由于组件组装过程中或终端设备运行过程中的高应力，潜伏缺陷为未来的故障引入了高风险，”Perlman说。“因此，十年前比较少见的激光通过检测，如今已经比较普遍。对可靠性和安全性要求较高的汽车电子制造商对它的需求很大。几位汽车PCB专家最近告诉我们，他们目前所处理的质量问题中，有很大一部分是由于HDI板通过激光孔隙的层间连接不良而导致的故障。尽管PCB在发货前已经成功通过了所有的电气测试，但这种情况还是发生了。”

检查、收集、测试

电路板的制造过程，以及元件到电路板的组装，主要是机械过程。为了找出缺陷，电路板制造商依靠视觉检查和生产线末端测试。

三十多年来，光学检测一直是PCB生产的一部分，无论是查看图像以确定正确的焊点，还是在层压前检测电路板内层的问题。

“检测已经从2D外观缺陷发展到3D检测和计量，”CyberOptics总裁兼首席执行官Subodh Kulkarni说。“从合格/不合格报告到定量测量，制造商现在不仅可以进行AOI和焊膏检测（SPI），还可以通过在线坐标测量机（CMM）功能实现坐标测量，比传统CMM系统快得多。对计量数据的需求不断增加，因此他们不仅可以检测关键缺陷，还可以测量关键参数。”

用于计量目的的成像系统已经变得越来越普遍。“直接成像（DI）可确保图案与Z尺寸连接之间通过孔隙进行精确的登记，”Perlman说。“此外，DI的图案成像质量非常准确，沿板稳定，边缘粗糙度最小。这支持了对要求苛刻的阻抗控制传输线的精确线路成像和蚀刻的需求。” 他补充说，用于激光孔道的AOI已经被越来越多的制造商实施。

虽然检测一直是PCB质量控制的面包和黄油，但制造商已经开始更仔细地研究来自焊膏检测、取放和电测试前的其他步骤的数据。

“从历史上看，传感器数据主要集中在去/不去的参数上，”Ansys的Hillman说。“往后，更多参数化的传感器数据可以直接输入到可靠性预测中。例如，目前存在可以测量焊膏沉积量的系统。可以提供焊料体积实时测量的传感器数据可以用来预测疲劳寿命。这将大有裨益，可以让制造商在什么是好的，什么是坏的方面有更多的自由裁量权。”

获取这些设备数据促使印制电路研究所（IPC）制定了一个名为 “互联工厂交换”（CFX）的标准。“这是一个基于IIoT的数据交换机制，”Aegis的福特说。“我们已经定义了确切的数据字段，以及它们对每一种技术的含义，这样，所有的机器通信都是根据它们的操作和能力进行数字化建模的。基本上，任何发生的测量或事件，无论是视觉的还是电子的，都会通过CFX传输。

用于计量目的的成像系统已经变得越来越普遍。”直接成像（DI）可以确保图案与Z维连接之间通过孔隙进行精确的登记，“Perlman说。”此外，DI的图案成像质量沿板非常准确和稳定，边缘粗糙度最小。这支持了对要求苛刻的阻抗控制传输线的精确线路成像和蚀刻的需求。“ 他补充说，用于激光孔道的AOI已经被越来越多的制造商实施。

虽然检测一直是PCB质量控制的面包和黄油，但制造商已经开始更仔细地研究来自焊膏检测、取放和电测试前的其他步骤的数据。

”从历史上看，传感器数据主要集中在去/不去的参数上，“Ansys的Hillman说。”往后，更多参数化的传感器数据可以直接输入到可靠性预测中。例如，目前存在可以测量焊膏沉积量的系统。可以提供焊料体积实时测量的传感器数据可以用来预测疲劳寿命。这将大有裨益，可以让制造商在什么是好的，什么是坏的方面有更多的自由裁量权。“

获取这些设备数据促使印制电路研究所（IPC）制定了一个名为 ”互联工厂交换“（CFX）的标准。”这是一个基于IIoT的数据交换机制，“Aegis的福特说。”我们已经定义了确切的数据字段，以及它们对每一种技术的含义，这样，所有的机器通信都是根据它们的操作和能力进行数字化建模的。基本上，任何发生的测量或事件，无论是视觉上的还是电子上的，都会通过CFX传输，在单一的‘即插即用’语言环境中被实时报告。“

这使工程师能够对实时分析作出反应，它提供了一个更大的数据集，他们可以分析了解产量和现场故障。

电路板电气测试为互连健康提供了关键的把关作用。除了对开路和短路进行简单的连接性检查外，还有机会进行参数测量--频率、电压、电流、电容、电阻和沉降时间，从而深入了解性能变化，并可与制造性能挂钩。参数信息与系统测试数据/现场数据相结合，可以让工程师更好地了解其制造性能指标。

由于对连接性的关注、信号获取途径的减少以及测试设备的限制，这种级别的数据一直是缺乏的。

”在当今的PCB制造生产线中，缺乏良好的丰富的参数测试数据，“PDF的Huntley说。”例如，电路内测试机（ICTs）没有记录大部分可以记录的测试数据。原因是，它大大影响了测试时间，这将造成生产线瓶颈。另外，在PCB线端（EOL）测试中，测试人员的技术并不成熟。不同测试机的测量精度差异很大。这导致废品增加，出货的零件质量差。“

板级制造之后就是测试箱的制造，这又会造成新的问题。将完全组装好的板子封装到容器中的机械过程会导致物理变化，从而对电气性能产生影响。例如，考虑到在具有无线功能的产品中发现的精致天线阵列。通常被称为 ”公主阵列“，一个微小的位置变化就会破坏WiFi性能。如果工程师未能在系统级测试中提供RF/Wifi测试，这些可能会变成客户退货。

连接生产步骤之间的数据

在每个生产环节收集的数据都有价值。事实上，将供应链上所有的数据连接起来，可以是相当强大的。但是存在一些障碍--缺乏标准、数据可用性、通过产品可追溯性连接数据，以及连接制造步骤的有意义的数据。

有了CFX提供的数据标准，工厂管理系统可以让工程师找到电路板制造和组装过程中的薄弱环节。从而提高产量和质量。

”在过去的两年里，事情开始以一种新的和不同的方式改变，“福特说。”我们现在不是依靠物理检查来暴露缺陷，所有的缺陷在大多数情况下不能保证被发现，而是使用基于六西格玛的情境化数据的趋势分析来增强该检查或测试过程。因此，在更早的阶段，你可以从所有不同流程的变化中识别和消除潜在的缺陷原因，这就揭示了以前通过光学或电子测试孤立地隐藏的东西。“

将整个供应链的数据连接起来，使工程师能够在源头解决问题，而不是通过生产线末端的检测来解决问题。

”我们已经创建了一个数据平台，这样我们的客户就可以摄取可追溯的产品数据，“Shedletsky说。”数据包括各个阶段的图像、测试站数据以及ICT测试等性能测试。这个平台就可以让工程方或制造方的不同利益相关者在第一时间获得实际解决问题所需的信息。“

对于复杂的供应链来说，发现问题的源头往往可以在检测问题的上游。将这些数据结合到一个分析平台中，工程师就能从根本上解决问题，从而提高产量，减少废品，提高质量。

然而，数据并不总是一致和可用的。”大多数情况下，数据被塞进壁橱（数据湖）中，没有经过太多的分类，“NI旗下OptimalPlus汽车解决方案副总裁Sam Jonaidi说。”数据也是在HDD存储可用的范围内存储在机械上。最坏的情况下，数据仅用于做出实时决策，然后被丢弃。我们规定了一个全面的数据工程纪律，在这个纪律中，整个数据宇宙被映射，高价值的数据元素被赐与数据束，并进行精确和监控治理。

SEMI和IPC都制定了产品可追溯性的标准，这有助于连接整个制造供应链的数据。然而跟踪原材料也有价值，可以更快地对生产问题进行根源分析。

“这可以是简单的跟踪消耗品，如使用的焊膏批次，一直到分析生产线末端的测试数据，以找到逃过半导体测试过程的半导体工艺问题，”Huntley说。“事实证明，通过收集所有这些数据并进行关联，可以将可靠性案例的避免率提高50%。”

结语

随着新旧PCB技术的发展，制造商加大了对数据收集的投资，这反过来又刺激了对分析解决方案的需求，以充分利用数据。收集和存储适当的数据可以导致检测缺陷，而理解其根本原因可以导致减少缺陷。

这代表了电子行业这部分的重大转变。“十年前，PCB制造主要是面向通过实施MES（制造执行系统）将正确的构建配方送入生产线，”Huntley说。“重点是确保机器被正确设置，以将拼图的所有部分组合在一起，最终形成一块完整的电路板。从MES到机器的通信更多的是单方向的。如今，在机器学习和人工智能时代，这种流动是双向的。然而，与半导体制造相比，仍然存在巨大的差距。现在收集到的大量数据并没有很好地存储，也没有以统一、一致、智能的方式收集，无法做到跨业务关联。”

板卡制造工程师无法改变他们没有测量到的东西。当它被测量时，工程师应该能够分析它。