浅谈完善组装工艺与实施统计过程控制(SPC)的关系

电子组装厂商成功的关键在于保证产品质量，减少产品缺陷。统计过程控制(SPC)是一种通过监控制造过程来保证产品质量的方法。通过SPC可以及时修改装配中的不合理问题，及时解决生产过程中发现的问题，从而减少返工，降低生产成本。

球栅阵列封装技术是表面贴装技术中的前沿技术之一。随着元件的引线间距降至20密耳以下，组装过程变得非常困难和复杂。BGA技术以更大的间距在相同的机身尺寸下提供相同的I/O数量。PCB厂商发现传统的表面贴装技术对于PCB组装已经足够，缺陷率低至4ppm。然而，这种技术面临的最大挑战是无法用传统方法检查包装的物理性能，需要的是对完成的组件进行检查。

x射线分层摄影就是解决这个问题的一种方法。通过使用分层摄影等截面X射线技术，可以在回流焊后识别BGA焊点的完整性。分层摄影技术的主要优点之一是可以实现在线检测，并使用各种测量结果进行统计过程控制(SPC)。操作人员单独站在透射式x光机下检查上千种焊接情况是不切实际的，因此在线自动检查非常重要。此外，X射线分层摄影还可以检查双面板。在线x光分层摄影不仅可以高效地改进装配过程，还可以用于统计过程控制。

扫描束断层扫描(SBL)是一种显微聚焦X射线系统，可识别焊接缺陷并收集SPC数据信息，以自动生成和分析焊点横截面图像。在不同高度(焊盘、焊球和元器件)拍摄截面图像，可以准确测量BGA互连中焊料的数量和位置。使用该系统，焊料的图像颜色较深，而不够致密的基材的图像颜色较浅。

BGA组装工艺的各种变量产生各种缺陷，这些缺陷通常与空洞、短路、焊料不足、焊料过多、引脚和元件偏移、开路和焊球较少有关。利用计算机对BGA焊点截面的X射线成像进行分析，形成定量测量，识别上述缺陷。

SPC工艺过程监控

统计控制是利用数理统计原理对生产过程进行监控的一种方法。使生产过程中的每一个环节都处于理想状态，确保为厂家提供生产合格产品的条件。

工艺数据的监控需要监控电子制造过程中设备产生的数据，包括炉温、焊膏印刷高度、贴装精度等相关工艺参数。这些数据通常是一个变量，而不是常数，所以在操作中不容易收集。为了及时了解生产过程中的实际情况，应使用SPC软件对操作系统进行实时数据采集和实时统计分析，以便将统计数据信息及时反馈给操作人员。SPC还可以提供缺陷总数，并单独列出组件、产品批号和缺陷类别，并提供分析。同时通过图表对数据库提供的数据进行分析，以灵活的方式快速找出缺陷的主要原因。

监控任何生产过程并准确提供过程控制是非常重要的。对于潜在缺陷，在表代码中列出观察到的缺陷后，找出缺陷的可能原因。选择最可能的缺陷诱因，以确定缺陷的真正原因。最后，测试验证选择缺陷诱因的正确性。根据提出的解决方案，进行实验以确保所选择的缺陷诱因确实是正确的。

如果用户可以识别各种控制参数和控制范围，就可以获得X射线断层成像最有效的应用。与BGA相关的流程可以概括为:模板印刷→检验→元件放置→回流焊→检验。

制造工程师可以控制的两个主要步骤是模板印刷技术和回流焊技术。然而，焊点形状和尺寸的变化也来自许多其他因素。

成功加工技术的关键是系统地减少每个工艺步骤的可变性。由于不可能消除所有的变量，我们必须研究它们对最终装配的影响。在考虑从BGA元器件到电路板组装的整个过程时，能够影响焊点完整性的基本变量有:焊球体积；组件上的焊盘尺寸；印刷电路板上的焊盘尺寸；焊膏印刷量；回流温度下元件的翘曲；放置精度；回流曲线。

BGA工艺比通常的表面贴装装配工艺更容易预测。如果知道不同工艺参数的变量，就可以根据焊点的物理形状，用统计的方法来评估工艺量。由于表面张力，可以注意到焊球假设为截头球形，回流焊接后，焊点假设为两端截头球形。从这些表格中，可以评估过程能力。球形接头的尺寸取决于上面列出的许多因素。

工序能力

下面的讨论是基于PBGA的研究，该研究提供了520针熔融焊球和免清洗焊膏。带有2英寸x2英寸组件和5圈外围阵列的焊球。考虑到贴片的准确性以及开路和桥接的可能性，执行六西格玛能力分析。计算基于以下假设:

1.印刷电路板上的焊盘尺寸和元件是连续的；

2.元件翘曲为零；

3.组装后，平均偏差基于平均焊料体积；

4.假定元件高度由浮力和表面张力平衡；

5.焊盘和焊球没有可焊性问题；

6.所有分布都是正态的。

BGA定位

使用标准的表面贴装机来定位BGA，在六西格玛，的条件下，使用能够识别焊球图像的平衡定位机来放置3密耳以内的BGA。影响定位的其他变量有:模板印刷能力= 4密耳@ 六西格玛。印刷电路板上焊盘的XY精度= 3密耳@ 六西格玛。综合标准偏差可评估为:

σ=σ1+σ2+σ3+σ4……

这里，σ1、σ2、σ3、σ 4...是加工成分的标准偏差。这给了我们一个1088密耳的定位偏差的组合标准偏差，并表明在六西格玛，条件下，过程变量的最大定位偏差为6.53密耳。对于直径为28密耳的焊盘尺寸，元件的自对准是由熔融焊料的表面张力引起的，因此这种偏差在定位中可以忽略不计。这样就消除了元件的错位，所以从定位的角度来看，虽然由于操作人员的干扰或者板装卸台的移位可能会出现套准不准的情况，但是BGA组装工艺有能力实现六西格玛。

焊料开路

焊料开路是由于组装过程中焊球塌陷造成的。就520引脚的BGA而言，焊球由直径30密耳的焊球组成。焊球的标准偏差为500立方密耳。焊球的体积为14，130立方密耳，组件侧面的焊盘直径为28密耳，所用模板的厚度为6密耳，组件上焊球的平均高度可评估为24密耳。在研究六西格玛焊料体积变量中，焊料高度差(共面性)等于5.0密耳@六西格玛。元件板的翘曲等于6密耳@+ 六西格玛。组合共面性(从零平面开始)等于7.8密耳@六西格玛。

组装后，根据平均焊料体积(焊料和焊膏体积)，焊点的偏移高度为19密耳。焊膏印刷高度的测量和评估在六西格玛/的变化下从4密耳变为8密耳，这意味着:

球形焊膏的最小印刷高度=3密耳。

球塌陷的最小值=7密耳。

最小塌陷值=10密耳。

防止开路的最小安全公差=2.2密耳。

如果将这些变量控制在一定范围内，BGA工艺可以达到六西格玛工艺能力。否则，有许多变量起作用。通常组装过程通过回流焊时，不仅元器件会翘曲，板材也会翘曲，使得偏移高度不一致。此外，不仅在元件侧，而且在印刷电路板侧，都存在与焊盘参数相关的特定变量，这也增加了工艺的可变性。在评估过程能力时，必须考虑这些变量。如果考虑所有这些变量，就可以找出开路的可能性。在这些情况下，为了检查潜在的开路现象，可以使用x光分层摄影。

焊料桥接(短路)

使用相同的方法，根据桥接条件评估BGA组件的工艺能力。焊点的直径可以变化很大，实测数据表明，在六西格玛，单个焊点在任意位置的组合焊料体积(焊球和焊膏)可以从12，800到19，250立方密耳不等。这表明实际上不可能在50密耳间距的BGA上引起桥接现象。

统计过程控制在血糖分析中的应用

如果能有效控制与BGA相关的各种工艺，就能实现焊点完整性变化不大的组装。然而，这些过程中的许多因素没有得到很好的控制，迫使生产工程师使用检测技术来完成连续的过程监控。为了检查过程中的变化，应监控的各种变化包括:

焊膏的印刷高度和体积。

器件接口处焊点的直径。

印刷电路板焊点界面的焊点直径。

焊接中心的焊点直径。

空洞大小和发生率。

焊球。

锡膏印刷的检测过程可以通过基于激光的检测器完成，印刷变量可以根据预定的焊点形状和焊点完整性控制在一定水平。焊点直径的x射线检测。但是透射X射线技术无法测量各种高度的直径，所以X射线分层摄影是最适合的方法。

图1和图2分别显示了焊点中心和PCB末端的焊点半径的X射线图。可以看到，第一个样品在两个条形图中失控，然后检查这种现象并返回到焊点的除湿状态。可以看出，焊点的最低可用半径是焊盘的半径，因此单个焊球的较低剔除控制范围应在焊盘直径处进行调整。例如，考虑到焊点周围较小的焊点，焊点与印刷电路板焊盘界面的x光分层摄影图像显示，焊点实际上是颈缩的。这种类型的变化是BGA技术固有的，因此应仔细确定焊料不足或焊点半径不足的拒绝范围。

结束语

通过深入了解各种相关变量，并将其控制在理想水平，证明了BGA技术在零缺陷组装方面的巨大潜力。如果本文讨论的所有变量都很好地控制在控制范围内，各种缺陷的可能性极低，那么检测过程就可以取消。然而，这些变量中的大多数仍然没有得到很好的控制，需要进行一定数量的检查。在线x光分层摄影不仅可以用于高效的工艺改进，还可以用于工艺控制，这也是成功组装的关键。SPC技术作为最有效的在线控制手段，对于发现工艺过程中的一些潜在问题，并在没有废品时及时发出报警信息，从而采取纠正措施，从而减少废品，提高工艺过程的一次通过率和质量一致性起到了关键作用。