W każdym PCBA (Printed Circuit Board Assembly) połączenia lutowane odgrywają kluczową rolę — służą nie tylko jako połączenia elektryczne między komponentami a płytką drukowaną, ale także jako fizyczne podpory. Nie będzie przesadą stwierdzenie, że jakość lutowania jest podstawą funkcjonalności i niezawodności PCBA. Lutowanie jest jednym z najważniejszych i najbardziej krytycznych procesów w produkcji PCBA, a jego jakość bezpośrednio decyduje o tym, czy PCBA będzie działać prawidłowo. Jednak różne czynniki występujące w procesie lutowania mogą prowadzić do wad, które należą do najczęstszych problemów identyfikowanych podczas testowania PCBA. Dlatego w systemie testowania PCBA kontrola i zarządzanie jakością lutowania są kluczowe dla zapewnienia jakości produktu.

Dlaczego testowanie PCBA kładzie tak duży nacisk na jakość lutowania? Wynika to z bezpośredniego wpływu wad lutowania na wydajność i niezawodność PCBA:

Błąd połączenia (zimne połączenie lutowane/otwarty obwód): Połączenia lutowane nie tworzą skutecznych połączeń elektrycznych, co prowadzi do awarii obwodu.

Niezamierzone połączenie (zwarcie lutownicze/mostkowanie): mostki lutownicze tworzą się między różnymi spoinami lutowniczymi lub ścieżkami, powodując zwarcia, które mogą uszkodzić komponenty lub skutkować błędami funkcjonalnymi.

Słabe połączenie (zimne lutowanie/niewystarczające lutowanie): słabe spoiny lutownicze lub nadmierna rezystancja mogą powodować tłumienie sygnału, niestabilne połączenia, a nawet pęknięcia pod wpływem wibracji lub zmian temperatury.

Wewnętrzne wady lutownicze (pustki): szczególnie w kulkach lutowniczych obudów BGA, puste przestrzenie mogą osłabiać wytrzymałość mechaniczną i wydajność cieplną, powodując ukryte ryzyko.

Zmniejszona niezawodność: wady lutownicze są główną przyczyną wczesnych awarii PCBA lub sporadycznych problemów podczas pracy.

Wykrywanie tych wad lutowniczych jest jednym z głównych celów testowania PCBA. Jakość lutowania jest bezpośrednio określana przez poziom kontroli procesu lutowania podczas produkcji PCBA. Dlatego kontrola jakości lutowania jest zintegrowana z wieloma etapami testowania PCBA.

Aby sprawdzić jakość lutowania na PCBA, zazwyczaj stosuje się jedną lub więcej z następujących metod testowania lub kontroli:

Kontrola pasty lutowniczej (SPI): przeprowadzana po wydrukowaniu pasty lutowniczej, ale przed umieszczeniem komponentu. SPI sprawdza objętość, kształt, położenie i grubość pasty lutowniczej. Ponieważ większość wad lutowania wynika z nieprawidłowego drukowania pasty lutowniczej, SPI jest krytycznym pierwszym krokiem w zapobieganiu wadom lutowania podczas produkcji PCBA.

Automatyczna kontrola optyczna (AOI): przeprowadzana po lutowaniu rozpływowym. AOI wykorzystuje kamery szybkoobrotowe do rejestrowania obrazów PCBA i stosuje algorytmy do sprawdzania wyglądu spoin lutowniczych i rozmieszczenia komponentów (np. biegunowość, położenie, brakujące komponenty lub nieprawidłowe ustawienie). Może wykrywać problemy, takie jak nadmierne/niewystarczające lutowanie, mostkowanie lub zimne spoiny lutownicze (czasami objawiające się nieprawidłową morfologią spoin lutowniczych). AOI jest skuteczną metodą kontroli partii wad lutowniczych po produkcji PCBA.

Kontrola rentgenowska: Niezbędna w przypadku obudów takich jak BGA i QFN, w których spoiny lutownicze są ukryte pod komponentami. Kontrola rentgenowska może „widzieć” komponenty, aby zbadać kształt kulki lutowniczej, wewnętrzne puste przestrzenie, mostkowanie i stan lutowania pinów. Oferuje wyjątkowe zalety w zakresie wykrywania niewidocznych wad lutowania i jest powszechnie stosowana w produkcji PCBA o wysokiej niezawodności lub złożonej.

Test w obwodzie (ICT): Używa sond do kontaktu z punktami testowymi na PCBA w celu wykonania testów przerw/zwarć i pomiaru parametrów elektrycznych komponentów. ICT skutecznie identyfikuje zwarcia spowodowane mostkowaniem lutowniczym i przerwy spowodowane zimnymi spoinami lutowniczymi lub brakującymi spoinami lutowniczymi. Elektrycznie weryfikuje poprawność połączeń wynikających z produkcji PCBA.

Test funkcjonalny (FCT): Sprawdza funkcjonalność PCBA poprzez symulację rzeczywistych warunków pracy i sygnałów wejściowych. Niektóre zimne spoiny lutownicze lub słabe połączenia mogą wydawać się normalne podczas testów statycznych lub w temperaturze pokojowej, ale objawiają się jako okresowe awarie lub nieprawidłowe działanie podczas FCT pod wpływem zasilania, ciepła lub wibracji. FCT pomaga odkryć takie ukryte problemy funkcjonalne spowodowane jakością lutowania.

Ręczna kontrola wizualna: Chociaż mniej wydajna i podatna na czynniki ludzkie, doświadczeni inspektorzy nadal mogą zidentyfikować pewne wady lutowania w krytycznych lub złożonych obszarach, stanowiąc uzupełnienie automatycznych kontroli.

Wykrywanie problemów z jakością lutowania to tylko pierwszy krok; skuteczne zarządzanie i ciągłe doskonalenie są kluczowe dla zmniejszenia nawrotów:

Dokładne rejestrowanie i klasyfikacja wad: Utwórz szczegółową bazę danych wad, aby udokumentować typy wad, lokalizacje, ilości i etapy wykrywania (AOI, rentgen, ICT, FCT itp.). Prawidłowa klasyfikacja pomaga w późniejszej analizie.

Standaryzowane przeróbki i ponowne testowanie: Profesjonalne przeróbki wykrytych wad lutowania. Proces przeróbek musi ściśle przestrzegać specyfikacji, przy użyciu odpowiednich narzędzi i materiałów, aby uniknąć wtórnych uszkodzeń. Przerobione PCBA muszą zostać ponownie przetestowane, aby potwierdzić rozwiązanie i brak nowych problemów.

Analiza przyczyn źródłowych (RCA): Przeprowadź dogłębną analizę wad lutowania o wysokiej częstotliwości lub krytycznych, aby zidentyfikować ich prawdziwe przyczyny. Może to obejmować parametry drukowania pasty lutowniczej, dokładność maszyny pick-and-place, profile temperatury reflow, aktywność topnika, projekt padów, jakość PCB, a nawet zgodność operatora podczas produkcji PCBA.

Kontrola i optymalizacja procesu: Na podstawie ustaleń RCA dostosuj parametry produkcji PCBA, konserwuj sprzęt, udoskonalaj procesy i ulepszaj szkolenia. Na przykład zoptymalizuj profile temperatury pieca reflow, aby zmniejszyć liczbę pustych przestrzeni, ulepsz projekt szablonu do drukowania pasty lutowniczej, aby rozwiązać problem mostkowania lub niewystarczającej ilości lutu lub zaostrz kryteria kontroli AOI, aby poprawić wskaźniki wykrywania wad.

Analiza danych i pętla sprzężenia zwrotnego: Wykorzystaj zgromadzone dane testowe i inspekcyjne do analizy trendów, statystyk wydajności i analizy trybu awarii. Terminowe sprzężenie zwrotne do zespołów ds. badań i rozwoju, projektowania i inżynierii produkcji tworzy zamknięty system ciągłej poprawy, rozwiązując problemy z jakością lutowania u źródła.

Jakość lutowania jest kołem ratunkowym niezawodności PCBA, a jej rygorystyczna kontrola i zarządzanie są kluczowe dla systemu testowania PCBA. Dzięki zastosowaniu SPI, AOI, promieni rentgenowskich i innych metod kontroli na różnych etapach produkcji PCBA, w połączeniu z ICT i FCT w celu walidacji funkcjonalności elektrycznej, wady można skutecznie wykrywać. Co ważniejsze, analiza przyczyn źródłowych zidentyfikowanych problemów i sprzężenie zwrotne danych do procesu produkcyjnego umożliwiają ciągłą poprawę. Tylko poprzez integrację zaawansowanych technologii kontroli z naukowymi metodami zarządzania można wytwarzać produkty PCBA o wysokiej wydajności i wysokiej niezawodności.