以代工為主的電子產(chǎn)品制造服務(wù)（EMS）環(huán)節(jié)的利潤(rùn)率越來(lái)越低，PCBA代工的質(zhì)量保證要求卻越來(lái)越高，根據(jù)SPC統(tǒng)計(jì)故障概率譜來(lái)設(shè)計(jì)工藝測(cè)試的工序點(diǎn)，借助一定的組裝檢測(cè)儀器設(shè)備來(lái)監(jiān)控制程合適，是保證PCBA加工質(zhì)量檢測(cè)和改進(jìn)提升的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于許多中小型電子制造代工廠已無(wú)力投資增添高額成本的組裝檢測(cè)儀器設(shè)備，采用功能測(cè)試設(shè)計(jì)（Functional Tester Design）來(lái)保證PCBA加工品質(zhì)，是一種性價(jià)比較高的措施手段，廣泛應(yīng)用于小批量多品種外協(xié)加工生產(chǎn)測(cè)試過程中。
1 引言
電子制造代工作為比較成熟的加工制造方式正在進(jìn)入微利時(shí)代， PCBA代工的利潤(rùn)率是越來(lái)越低，PCBA代工的質(zhì)量保證要求卻越來(lái)越高。
在PCBA加工中的一個(gè)基本要求是一致性、正確性，對(duì)于差異要控制，變異不允許。在組裝制造過程中的品質(zhì)不良有設(shè)計(jì)問題、材料問題、組裝問題三個(gè)方面，前兩項(xiàng)需預(yù)先采取措施防止其發(fā)生，組裝過程中的問題象缺件、損件、錯(cuò)件、偏移等大部分是可以目視檢查的，但是焊接質(zhì)量很難用目視的方法來(lái)完全判定，而且有時(shí)會(huì)出現(xiàn)PCBA交付在顧客處的炸機(jī)、爆板、功能不良等故障。
根據(jù)中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室可靠性研究分析中心提供的PCBA電裝品質(zhì)問題分析統(tǒng)計(jì)，主要的組裝失效模式為焊接不良，占所有組裝不良問題的57%，如圖1所示。可見絕大多數(shù)產(chǎn)品品質(zhì)問題是由組裝焊接過程焊點(diǎn)故障引起的。
電裝不良統(tǒng)計(jì)圖
隨著PCBA的設(shè)計(jì)趨于小型化，更小的器件，更小的間距，電子組裝件的微型化(高密集度)越來(lái)越多，引起PCBA的焊點(diǎn)缺陷、檢測(cè)定位困難、可視性及可維修性差，甚至不可修復(fù)潛在失效風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。
僅從組裝過程的傳統(tǒng)目視檢查控制不能完全剔除焊接不良，還需要進(jìn)行自動(dòng)X射線無(wú)損檢測(cè)，在長(zhǎng)三角、珠三角、還有軍工生產(chǎn)中已經(jīng)推廣應(yīng)用，效果十分好。但是增添設(shè)備的投資較大，本來(lái)勞動(dòng)力成本連年遞增已經(jīng)讓許多中小型電子制造代工廠叫苦不迭，再加上顧客對(duì)加工品質(zhì)的不斷要求，實(shí)力不強(qiáng)的代工廠已無(wú)力增添高額成本檢測(cè)手段。
2 生產(chǎn)測(cè)試技術(shù)
目前在電子組裝測(cè)試領(lǐng)域中使用的測(cè)試技術(shù)種類繁多，常用的有人工目視檢查(Manual Visual Inspection，簡(jiǎn)稱MVI)、在線測(cè)試（In-CircuitTester，簡(jiǎn)稱 ICT）、自動(dòng)光學(xué)測(cè)試（AutomaticOptical Inspection，簡(jiǎn)稱 AOI）、自動(dòng) X 射線測(cè)試（AutomaticX-ray Inspection，簡(jiǎn)稱AXI）、功能測(cè)試（Functional Tester，簡(jiǎn)稱 FCT）等。
它們可以根據(jù)PCBA是否通過加電歸為兩大類：一種是電氣測(cè)試技術(shù)，一種是非電氣測(cè)試技術(shù)；也可以根據(jù)PCBA是否和測(cè)試設(shè)備接觸分為兩大類：一種是接觸式測(cè)試技術(shù)，一種是非接觸式測(cè)試技術(shù)。見表1，供參考。
2.1 人工目視MVI
人工目視測(cè)試是通過人的視覺比較來(lái)確認(rèn)PCBA上的元器件貼裝、插裝、焊接質(zhì)量。靠操作者的眼睛看或輔以放大鏡、顯微鏡目視。這種技術(shù)是使用最久遠(yuǎn)和最廣泛的在線測(cè)試方法之一，圖1所示。
人工目視檢查
但是隨著微電子表面組裝技術(shù)(SMT)的應(yīng)用發(fā)展，電子產(chǎn)品朝輕薄小型化方向發(fā)展，印制板組件(PCBA)的密度隨著元器件的不斷微型化變得越來(lái)越高。密集插裝元器件的相互阻擋視線，還有近幾年廣泛出現(xiàn)的微封裝(0201) 、“不可見”焊點(diǎn)( 如BGA、 CSP 和倒裝晶片組件FCA)，人工目視“查顏觀色”的方法肉眼已無(wú)能為力，已經(jīng)無(wú)法保證PCBA加工的品質(zhì)。
曾經(jīng)有人進(jìn)行過這樣的試驗(yàn)，讓四位經(jīng)驗(yàn)豐富的檢驗(yàn)員對(duì)同一塊板子（中等復(fù)雜程度的線路板，如300個(gè)元件、3500個(gè)節(jié)點(diǎn)的單面板）的焊點(diǎn)質(zhì)量分別作四次檢驗(yàn)。結(jié)果是，第一位檢驗(yàn)員查出了其中百分之四十四的缺陷，第二位檢驗(yàn)員和第一位的結(jié)果有百分之二十八的一致性，第三位檢驗(yàn)員和前二位有百分之十二的一致性，而第四位檢驗(yàn)員和前三位只有百分之六的一致性。
這一試驗(yàn)暴露了人工目檢的主觀性，目檢既不可靠也不經(jīng)濟(jì)。
目前在代工制造中，人工目視測(cè)試方法僅作為補(bǔ)充的輔助方法來(lái)使用。
2.2 在線測(cè)試ICT
在線測(cè)試儀(ICT)，也稱飛針(探針、針床)測(cè)試儀，圖2所示。它的原理是通過對(duì)組裝完成的PCBA在板元器件的電性能及電氣連接進(jìn)行測(cè)試來(lái)檢查生產(chǎn)制造缺陷及元器件不良的一種測(cè)試技術(shù)手段。
一種ICT測(cè)試儀
在線測(cè)試儀測(cè)量時(shí)使用專門的飛針(探針、針床)與已焊接好的線路板上的元器件接觸，并用數(shù)百毫伏電壓和10毫安以內(nèi)電流進(jìn)行分立隔離測(cè)試，從而精確地測(cè)出所裝電阻、電感、電容、二極管、三極管、可控硅、場(chǎng)效應(yīng)管、集成塊等通用和特殊元器件的漏裝、錯(cuò)裝、參數(shù)值偏差、焊點(diǎn)連焊、線路板開短路等故障，并將故障是哪個(gè)元件或開短路位于哪個(gè)點(diǎn)準(zhǔn)確定位。
飛針測(cè)試最大的優(yōu)點(diǎn)是市場(chǎng)反應(yīng)速度快，但檢測(cè)速度慢，適合測(cè)試樣板和小批量訂單。若是顧客要求打樣品，可選擇飛針測(cè)試，直到顧客做大批量訂單時(shí)再改做針床測(cè)試，這樣免去了顧客更改過程或撤銷訂單的針床制作成本投入。
ICT 的長(zhǎng)處是電氣缺陷測(cè)試，如器件的功能不正常或錯(cuò)值。在線測(cè)試能夠有效地查找組裝過程中發(fā)生的各種缺陷和故障，但它不能完整評(píng)估PCBA的電氣性能。
ICT需要顧客的PCB設(shè)計(jì)符合ICT可測(cè)試性設(shè)計(jì)要求，對(duì)于代工顧客的的多樣化層次實(shí)施起來(lái)較為麻煩。另外，PCBA測(cè)試的節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，成本將急劇增長(zhǎng)，主要是消耗在針床或飛針設(shè)計(jì)制造上，而且會(huì)存在下針測(cè)試?yán)щy的挑戰(zhàn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)超過ICT的要求時(shí)，當(dāng)PCBA的物理尺寸超過ICT要求時(shí)，問題將更難解決。
電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展趨勢(shì)直接導(dǎo)致了PCBA的設(shè)計(jì)微型化(高密集度) 組裝，PCB設(shè)計(jì)對(duì)于ICT 測(cè)試節(jié)點(diǎn)僅留有很小的空間，甚至被取消，ICT測(cè)試的價(jià)值將隨之消失。這就意味著生產(chǎn)制造將面臨大量的潛在問題，PCBA加工完成直接進(jìn)入終檢，不僅會(huì)導(dǎo)致合格率的下降、返修量與故障診斷費(fèi)用的增加，而且會(huì)造成生產(chǎn)的延誤。
2.3 自動(dòng)光學(xué)測(cè)試AOI
自動(dòng)光學(xué)測(cè)試也稱為自動(dòng)視覺測(cè)試，圖3所示。它的原理是機(jī)器通過攝像頭自動(dòng)掃描PCBA，將PCBA上元器件及焊接特征（貼片元器件狀態(tài)、焊點(diǎn)形態(tài)及缺陷）捕捉成圖像，通過軟件處理，與數(shù)據(jù)庫(kù)中合格的參數(shù)進(jìn)行綜合比較，判斷這一元器件及其狀態(tài)是否完好，然后得出檢測(cè)結(jié)果。
AOI可以檢查出PCBA上缺陷諸如錫膏印刷、元器件貼裝（元器件缺失、極性反轉(zhuǎn)）、回流焊接（橋接、或者焊點(diǎn)質(zhì)量問題），并通過顯示器或自動(dòng)標(biāo)志把缺陷顯示/標(biāo)示出來(lái)，供維修人員修理用。
AOI測(cè)試儀
這種測(cè)試技術(shù)是一種非電氣的、無(wú)夾具的測(cè)試技術(shù)，對(duì)短路識(shí)別較差，不能檢測(cè)電路錯(cuò)誤，同時(shí)對(duì)不可見焊點(diǎn)的檢測(cè)也無(wú)能為力。通常AOI工藝設(shè)計(jì)的SMT產(chǎn)線工序點(diǎn)有三處，錫膏印刷之后、回流焊前、回流焊后，如圖4所示，可根據(jù)公司的具體需要選擇。AOI測(cè)試的檢測(cè)前置，起到的預(yù)防缺陷作用越明顯。從總的使用效果來(lái)講，AOI對(duì)SMT測(cè)試較好，對(duì)THT作用較差。
AOI技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是對(duì)元器件貼裝位置快速有效的測(cè)試。但是也有其不足和所面臨的挑戰(zhàn)：
(1)元器件的微型化
0402、0201甚至01005器件的逐步應(yīng)用使焊點(diǎn)檢測(cè)變得越來(lái)越困難。因?yàn)楹副P外露長(zhǎng)度A在不斷減小，甚至可能消失，這會(huì)造成器件定位不準(zhǔn)及焊點(diǎn)不可檢。如圖4所示。
焊點(diǎn)不可檢
(2)PCB的微型化(高密集度)
由于PCB設(shè)計(jì)的高密集度導(dǎo)致出現(xiàn)高矮器件相鄰的陰影效應(yīng)，小器件的一邊焊點(diǎn)由于太靠近高器件，高器件擋住入射光而使這些焊點(diǎn)比較暗，如圖5所示；二次反射光造成的偏色效應(yīng)，小器件對(duì)稱排放的間距小到一定值后，入射的紅光（R）會(huì)使跟其對(duì)稱的焊盤中間的紅色偏多，如圖6所示。AOI在測(cè)試這些焊點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多誤報(bào)。
2.4 自動(dòng)X射線測(cè)試AXI
X射線測(cè)試儀AXI如圖7所示，組裝好的PCBA沿導(dǎo)軌進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部后，位于PCBA上方的X-Ray發(fā)射管發(fā)射X射線穿過線路板后被置于下方的探測(cè)器（一般為攝像機(jī)）接受，由于焊點(diǎn)中含有可以大量吸收X射線的錫鉛金屬元素，因此與穿過PCB玻璃纖維的X射線相比，照射在焊點(diǎn)上的X射線被大量吸收，而呈黑點(diǎn)產(chǎn)生良好圖像，使得對(duì)焊點(diǎn)的分析變得相當(dāng)直觀，故簡(jiǎn)單的圖像分析算法便可自動(dòng)且可靠地檢驗(yàn)焊點(diǎn)缺陷。X射線透視圖可以顯示焊點(diǎn)厚度，形狀及質(zhì)量的密度分布。這些指針能充分反映出焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量，包括開路、短路、孔、洞、內(nèi)部氣泡以及錫量不足，并能做到定量分析。
一種X射線測(cè)試儀AXI
X射線測(cè)試技術(shù)有兩種方式，一種是2D或透射X射線測(cè)試法，這與簡(jiǎn)單的X射線胸透類似。對(duì)于單面PCBA焊點(diǎn)的測(cè)試，板上元器件的焊點(diǎn)可產(chǎn)生清晰的視像。另一種是斷層或3D X射線測(cè)試法，目前PCBA制造商正在使用的、可實(shí)現(xiàn)3D X射線檢驗(yàn)的技術(shù)被稱作X射線斷層照像機(jī)。X射線斷層照像機(jī)之所以能夠測(cè)試雙面PCBA，因?yàn)樗梢詫?duì)兩側(cè)的焊點(diǎn)獨(dú)立成像。還可對(duì)那些不可見焊點(diǎn)如BGA（BallGridArry,焊球陳列）等進(jìn)行多層圖像"切片"檢測(cè)，即對(duì)BGA焊接連接處的頂部、中部和底部進(jìn)行徹底檢測(cè)。同進(jìn)利用此方法還可測(cè)通孔（PTH）焊點(diǎn)，檢查通孔中焊料是否充實(shí)，從而極大地提高焊點(diǎn)連接質(zhì)量，避免過早失效。
這種測(cè)試技術(shù)是一種非電氣的、無(wú)夾具的測(cè)試技術(shù)，一般設(shè)計(jì)工序放置點(diǎn)在焊接全部完成之后。AXI技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是對(duì)焊接性能進(jìn)行綜合測(cè)試，避免焊點(diǎn)早期失效，提高品質(zhì)可靠性，特別是對(duì)不可見焊點(diǎn)的檢測(cè)。但不能測(cè)試電路電氣性能方面的缺陷和故障，對(duì)于元器件的極性、方向測(cè)試能力不足，還面臨開焊測(cè)試不能檢出的挑戰(zhàn)。
盡管ICT 和FCT 能夠檢測(cè)出封裝器件引腳與焊盤間的電氣連接是否有效，但這些技術(shù)卻不能檢驗(yàn)出品質(zhì)低劣和/ 或可能產(chǎn)生過早失效的焊點(diǎn)。隨著ICT的消失，取而代之可用AXI，保持較高的組裝效率，并減少故障診斷與返修工作，使送到終檢的PCBA良率大大提高。當(dāng)然，由于AXI的價(jià)格昂貴，對(duì)于那些無(wú)力購(gòu)置檢測(cè)設(shè)備的廠家，可采用功能測(cè)試設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)解決。
BGA焊點(diǎn)的3D X射線檢測(cè)能顯示出氣孔和不充實(shí)的焊點(diǎn)
2.5 功能測(cè)試FCT
功能測(cè)試的基本原理是將組裝完成的PCBA作為一個(gè)功能體，使其處于所構(gòu)成的完整產(chǎn)品中，看其整機(jī)的所有功能和電氣性能是否滿足要求，藉此來(lái)評(píng)價(jià)PCBA的組裝品質(zhì)。對(duì)其提供輸入信號(hào)，按照設(shè)計(jì)要求檢測(cè)輸出信號(hào)，包括電壓、電流、波形等。這種測(cè)試是為了確保PCBA能否按照設(shè)計(jì)要求正常工作。
這種技術(shù)方法簡(jiǎn)單、投資可多可少，可以采用單片機(jī)控制設(shè)計(jì)成較為專業(yè)的自動(dòng)功能測(cè)試儀，也可以自行設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)易手動(dòng)控制的專用功能測(cè)試儀。功能測(cè)試的缺點(diǎn)是不具有自動(dòng)診斷故障和故障準(zhǔn)確定位，只能確定故障的大致范圍，維修還要靠技術(shù)分析和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。
2.6 幾種測(cè)試技術(shù)的比較
在電子組裝行業(yè)，電子元器件及電子組件的微型化開始普及，微型的BGA、POP、01005，這個(gè)變化對(duì)組裝工藝測(cè)試設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，特別是工藝測(cè)試設(shè)備（AOI、AXI、ICT）在測(cè)試的諸多方面遇到了挑戰(zhàn)，如微型化(高密集度)PCBA給ICT夾具制造帶來(lái)較大沖擊，AOI設(shè)備的設(shè)計(jì)使其無(wú)法檢測(cè)到藏于組件下面的引腳或焊接狀況，BGA器件的引腳全部排放在器件底部，特別是對(duì)于帶金屬屏蔽的BGA，對(duì)于無(wú)引出線的多層電路板的BGA，使得ICT力所不能及等。此外，AOI、AXI這兩種設(shè)備的測(cè)試還受到來(lái)料變化、焊點(diǎn)形態(tài)變化等影響，最終都會(huì)影響其檢出率，不能很好地滿足要求。
所以很難界定哪些技術(shù)手段是組裝業(yè)所必須的，而哪些是不需要的，每種測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和測(cè)試手段都不盡相同，都有其測(cè)試的側(cè)重點(diǎn)，主要是根據(jù)工廠實(shí)力和承受能力來(lái)實(shí)施。從近幾年的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，測(cè)試技術(shù)方法選擇的主要依據(jù)應(yīng)該著眼于PCBA組件和工藝的類型、故障概率譜和對(duì)產(chǎn)品可靠性的要求，使用兩種或以上測(cè)試技術(shù)手段并用、互為補(bǔ)充乃是最佳途徑。
各種組裝測(cè)試的效能統(tǒng)計(jì)比較數(shù)據(jù)如表1，充分說(shuō)明了不能靠單一的測(cè)試技術(shù)手段。
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