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提高成品率与降低成本的主要驱动力
  2021-07-06      148

作者:Ray Prasad,RAY PRASAD咨询公司

不管你从事SMT行业多长时间,需要不断学习新的东西,尽管SMT是一门成熟的技术,但它仍然在不断发展演进。例如,我们大批量生产SMT产品已经有近40年的历史,但首次通过率超过90%SMT公司还不到10%。换句话说,90%SMT公司的产品都要进行大量的返工。

在我以前的一些专栏文章中,我详细讨论了SMT产品缺陷的主要类型。我们之所以会担心的缺陷,原因有很多,但主要的原因是,缺陷会增加产品的制造成本并降低产品的可靠性。这些有缺陷的产品必须送去返工,这样你才能达到交付要求,且不会大幅度推迟交货时间。即使你能够最大限度缩短最终的产品交付延迟时间,但是,只要你把产品送去返工,就没有办法防止产品的可靠性下降。为什么产品的可靠性会因此而下降?这是因为,在返工时,你需要加热焊点,而每一次加热都会增加焊点中金属间化合物层的厚度。金属间化合物(IMC)层是元件和电路板之间实现可靠连接时必不可少的部分,但IMC层不能太厚。IMC很脆,如果IMC层太厚,那么你的产品有可能在现场使用的早期就会出故障。对任何一个公司来说,没有哪种情况比产品在现场被退回的情况更糟糕的,因为这些产品不仅维修费用昂贵,还会对公司的声誉造成负面影响。

随着微间距和超微间距的高引脚数BGA、0402、0201和01005电阻器和电容器的出现,以及免清洗助焊剂的广泛使用,SMT产品的成品率问题变得越来越严峻。随着无铅材料的广泛使用,成品率问题变得更加复杂。当成品率问题不断时,大部分人会把矛头指向产品制造。这对制造公司是不公平的,会导致SMT公司无法实施必要的纠正措施。

在SMT公司内部,应该由谁对缺陷负责呢?仔细想想,无论你是身在哪个职位,无论你在哪个部门工作,不管你从事的是工程设计、生产制造、质量控制、采购还是管理,你们的共同点是,你们都需要对产品的质量和成本负责。你们分别以不同的方式影响质量和可靠性。没有哪一个团队能够独自解决这个问题。如果你从50000英尺的高度来看这个问题,影响产品质量的三个主要领域包括:可制造的设计、来料的质量和生产制造。

电路板是怎样设计的,选用什么元件,都会影响产品的制造成本和质量。这主要是设计师的责任。你在制造时需要的所有东西——元件、电路板和材料,例如焊锡膏和助焊剂,都要从外面购买。负责选择供应商的人通常是采购经理。当然,缺陷是在制造过程中产生的,但是,负责制造的人对糟糕的设计或质量不好的来料无能为力。所以,我们要更加仔细地考察这三个方面:可制造设计、来料质量和生产制造。

可制造设计

请记住,可制造设计(DFM)是决定制造成品率一个关键因素,即使不是最重要的因素。但是,了解产品制造工艺的电路设计师和电路板设计师很少。DFM文件必须是公司专有的。使用像IPC-7531这样的行业标准是一个很好的开始(在80年代中期,在我最初担任IPC委员会主席时IPC-7531称为IPC-SM-782)。SMT产品的DFM中应包括的主要项目有:

l在强调SMT产品之间差异的重要性的同时,要建立设计规则和指南

l元件选择标准化,包括合并零件清单,以尽可能减少冗余零件和排除过时的零件

l拼板时的注意事项

l基准要求

l焊盘图案的设计

l阻焊膜的考虑

l过孔位置

l测试设计

l任何特殊设计

随着高引脚数BGA的广泛使用,无法对产品进行视觉检查,应当认真考虑在线电路测试(ICT)要有足够的测试覆盖。请记住,没有哪一种检查方法是完美的。防止缺陷逃过检查到达应用现场的唯一方法是有赖于叠加的测试与检查方法。由受过良好训练的团队建立的DFM文件一旦定稿并发布,违反DFM的可能性通常不会出现。

建立DFM文档很不容易;但是,DFM文档将从源头纠正制造中的各种问题,防止它们再次发生。在所有制造业务基本上都被外包或转移到海外生产的环境中,这一点至关重要。

来料质量

设计师和制造人员选择的材料,无论它们是什么样的元件、电路板、焊锡膏、助焊剂,还是别的,来料的质量是由提供这些材料的供应商控制的。谁负责选择供应商?是那些以低价格作为订货标准的采购人员吗?在决定选择哪家供应商时,材料的价格和材料的质量及产品的总成本相比,哪个更重要? 

随着SMT元件间距缩小,工艺窗口变窄,在SMT元件组装中,“送进来的是废物,送出去的也是废物”的情况屡见不鲜。结果是,如果电路板和元件的可焊性差,或者共面性不可接受,就没有办法提高制造的成品率。参照像J-STD-002/003这样的行业标准是一个好办法。另一种情况是现在使用非常广泛的BTC元件。这是一种非常好的元件,具备许多良好的特性,例如极好的电气性能和热性能、尺寸和重量合适等等。不过,这种封装的一个重要特点是,它是你能买到的最便宜的封装。作为一个经验法则,如果你能买到的元件封装是按一个引脚一美分计算来计价,(例如,100个引脚的封装的价格是一美元),这已经很便宜了。BTC的每个引脚的成本不到半美分,难怪它非常受欢迎。但是,在用它进行制造时,你必须有一个非常平的封装和一个非常平的电路板。由于这种封装中没有引脚或焊锡球,封装和电路板都必须非常平,以确保它们能良好连接。为了弥补平坦度,你印刷的焊锡不能过多,因为这会导致BTC元件浮起和焊点中的空洞过多。你所印刷的焊锡膏的厚度也不能非常薄,因为如果封装或电路板翘曲,可能会导致开路增加。另外,BTC端子的末端是不可焊接的,因为它们是裸露的铜。所以,如果你考虑到这些制造上的难题,这些BTC封装就没有人们原先想象的那么便宜了。要深入了解使用BTC封装的设计与制造涉及的复杂性,我建议你参考刚刚发布的IPC 7093B(我是制定这一标准的委员会主席)。

制造工艺

制造的关键职责是对所有的制造工艺进行工艺控制。但是,无论他们把工艺控制得有多好,或者他们的设备的编程有多好,确保焊锡膏的涂敷或印刷是正确的,使用的温度曲线也是正确的,他们也无法消除与设计和材料有关的缺陷。当然,他们可以通过一些工艺变化来弥补一些问题,但它的作用很有限。

如何识别关键制造工艺中的问题?对于制造,存在许多挑战。例如,必须全面描述制造设备的特征。可以把这种描述定义为了解影响设备性能的所有参数。深入了解会影响质量的所有关键参数要花大量的时间和精力。大公司可以指派很多工程师来描述制造产品的工艺。在小公司里,因为没有资源,“边干边学”是常见的做法。供应商可能会说这很容易,但实际情况并非如此。例如,如果你查看来自不同供应商的各种焊锡膏的数据表,你看到的是几乎所有的回流温度曲线都可以用来回流他们的焊锡膏。事实上,这件事没有这么简单。只要你认真考虑供应商们的建议,就会发现,为每个产品开发的独特的温度曲线是不可替代的。

你该如何进行制造呢?首先,描述制造工艺的特征,然后记录在控制成品率方面与设备有关的变量和与设备无关的变量的详细情况。这里会有一些误解,有人在使用某种焊锡膏时所有的缺陷都消失了,或者,有人购买了一种特殊的对流回流炉,就认为没有必要为每个产品开发一条独特的回流温度曲线。这是不正确的,因为每一种电路板的热质量都不一样。

随着BTC元件、BGA元件和微间距元件的广泛使用,对制造的挑战只会越来越大。我们在前面的来料质量这一节简要提到BTC的问题。处理BGA不像在停车场里散步那么简单。贴装BGA的最大的挑战之一是枕头缺陷。如果你浏览与枕头缺陷有关的文献,就会发现产生枕头缺陷有多种原因,例如设计与工艺、焊锡膏、温度曲线等。在这些原因中,有些是正确的。但是,产生枕头缺陷的内在原因是封装翘曲,承认这一点的元件供应商少之又少。这是个非常复杂的问题,需要通过多个专题来解决。我想说的是,即使你在制造时使用的焊锡膏可能是最好的,温度曲线也是最好的,而且其他的所有事情你都做得很好,如果封装是翘曲的,你就不能排除枕头缺陷。你可以尽量减少这个问题,但是,要彻底消除它,真正的解决方案是使用一种在焊接温度(不是在室温)期间不会出现不可接受的翘曲的封装。

要深入了解BGA的设计与组装面临挑战,请关注IPC-7095,我也是IPC-7095委员会的现任主席。

结论

在有正确的设计、高质量的来料和良好的制造能力之外,你还必须有内部的详细DFM和制造工艺菜单;有经过良好培训的各个层级的人员,包括生产车间的操作人员和技术人员;以及工艺工程师、设计工程师和质量工程师。拥有详细的内部DFM文件和工艺文件的公司非常少,很多公司在削减预算时最先削减的就是培训预算。要牢记,没有人在早上起床后会说:“我今天在工作时会搞砸三件事。”他们都在尽自己的最大努力做事情。由谁负责内部文档和培训——最高管理层。掌舵的老板要对质量、可靠性和成本最终负责。

作者简介:Ray Prasad是Ray Prasad咨询集团公司的主席和《表面贴装技术:原则和实践》一书的作者。Prasad还入选IPC名人堂,这是电子行业的最高荣誉,他从事SMT行业几十年,在SMT的所有领域都有丰富的经验,包括在波音公司和英特尔公司担任推广SMT的领导角色,帮助遍布全球的OEM和EMS客户建立强大的、内部的、独立自主的SMT架构;他还提供现场的深度SMT教学班。他的电子邮箱:smtsolver@rayprasasd.com,定期举办深度SMT教学班。可以在rayprasad.com找到关于SMT教学班的详细信息。

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