Thorsten Niermeyer är Senior Product Manager för SMT AOI systems hos Agilent Technologies Ireland Imaging Operation. Han har mer än 14 års erfarenhet inom testindustrin. Den här e-postadressen skyddas mot spambots. Du måste tillåta JavaScript för att se den. arbetar som ”Senior Test Strategy Consultant”. Han har mer än 25 års erfarenhet av kretskortstestare med HP och Agilent och är författare till många dokument och artiklar rörande provning av bestyckade kretskort samt innehar ett flertal patent relaterade till kretskortstestning.

Blyfri process förekommer, eller kommer snart att krävas enligt lag, i de flesta tillverkningsländer och de flesta företag som sysslar med ytmonterade komponenter (SMT) förbereder sig för övergången eller håller just på att införa processen. Alla sidor av introduktionen, dess utmaningar och risker diskuteras mellan leverantörer, tillverkare och konsulter.

Tillverkningsaspekterna intar förstås det främsta rummet men även testbarheten får inte bortses ifrån. Införandet av Automatisk Optisk Inspektion (AOI) under dessa diskussioner, samt i själva processen är viktigt då övergången till blyfri lödning förväntas påverka kvaliteten på lödningen och med det ett gott produktutfall. AOI kvarstår som ett kvalitetsfönster för processen och använt som ett sådant kommer den att kunna kvalificera resultaten vid införandet.

AOI har etablerat sig som ett ”In-Line” eller ”Off-Line”-verktyg för verifiering av screentryck, komponentmontering och lödkvalitet. Beroende på produktkraven kan ett AOI-system placeras på olika ställen i SMT-linan. AOI använder typiskt synligt ljus och kameror för att ta bilder av de (delvis) monterade kretskorten och utnyttjar sedan algoritmer för att verifiera produktens korrekthet.

Teknologin har gjort det möjligt att tillämpa AOI för bland annat pastainspektion, ”pre-reflow” inspektion, komponentinspektion, ”post-reflow” eller för inspektion av lödpunkter efter våglödningen. Även om legeringarna har varierat från tillverkare till tillverkare var ugnsprofilerna olika, och stora skillnader existerar mellan ”reflow”(omsmältningsugn) och våglödning. AOI-lösningar har alltid visat sig möta uppställda verifikationskrav. AOI har bevisat att det är ett flexibelt testverktyg och har sedan introduktionen genomgått en utveckling mot att kunna utföra mer tester, som t.ex. läsning av text (OCR) eller polaritetsdetektering (mekanisk eller tryckt).

Med hänsyn till AOI:s utveckling och dess bevisade möjligheter kommer införandet av blyfri lödning inte att förändra AOI:s arbetsområde att testa lödanslutningar.

Behovet att kunna använda AOI samtidigt som införandet av den blyfria lödningen sker uppmärksammades mycket tidigt och leverantörer av AOI-utrustning tillfrågades om dess möjligheter. National Physics Laboratory i Storbritannien inbjöd AOI-leverantörer att medverka i en jämförande studie. Denna studie utfördes på ett speciellt utvecklat kretskort med ett brett spektrum av defekter. En inte rengjord pasta med legeringen 95,5Ag3,8Cu0,7 användes. Denna mycket omfattande och vetenskapliga studie omfattade sex AOI-system och resultaten publicerades under 2002 [1].

Resultaten visade på god förmåga att upptäcka defekter och en generell kapacitet för själva teknologin: ”Så den övergripande slutsatsen av denna studie är att användandet av automatiska optiska inspektionssystem för blyfri lödning av ytmonterade komponenter inte representerar en större utmaning än den för lödning med SnPb-enheter. I verkligheten är det så att de program som utvecklats för SnPb kan anpassas för den blyfria lödningsprocessen med viss ändring av godkänd/icke godkända värden”. Otvivelaktigt ger denna objektiva utvärdering en konfirmering av vad AOI-leverantörer har framfört och en viktig information till de företag som investerar i denna teknologi.

Efter utvärderingen har de flesta AOI-leverantörer fått mera praktiska erfarenheter av den blyfria lödningsprocessen under faktisk tillverkning och har kunnat bevisa att ovanstående utvärderingsresultat överensstämmer med verkligheten. Då vissa SMT-tillverkare redan konverterat omkring 50 procent av sina produkter, har AOI-systemen visat att de kunnat medverka till en optimering av tillverkningsprocessen. Det har självklart förekommit en inlärningskurva både för AOI-leverantörer och SMT-tillverkare, men det är ju just detta det handlar om vid införandet av nya produkter och processer.

AOI har visat sig vara mycket effektivt vid identifieringen av skillnader i utseendet på olika lödpunkter, men hur är det med andra defekter? Defektspektrum kvarstår oförändrat men defekterna har förskjutits i paretodiagrammet. Har ingenting ändrats när defekterna undersöks? Det är rätt att ett ”billboarded chip” fortfarande ser likadant ut och så gör även en ofullständig lödning.

För blyfria komponenter har vissa ändringar gjorts i layouten, lödpunkterna för chip-komponenterna är nu mindre och har flyttats närmare komponenterna för att undvika lödtorn.

Om ett AOI-system installeras för ”post-reflow” har ingenting vad gäller defektdetektering ändrats annat än att lödpunkterna har blivit mindre. Storleken på dessa är i sig själv en utmaning i form av upplösningsgrad samt möjligheterna att kunna se själva lödpunkten. Men AOI kan också verifiera för mycket material, alltså för mycket pålagd pasta, vilket kan vara ett resultat av mindre lödpunkter men samma tjocklek på pastan. För mycket pasta kan också skapa andra problem som kanske inte upptäcks direkt, som t.ex. lödkulor.

Om AOI används i en ”pre-reflow”-position vid processverifieringen, skall den nu kunna detektera komponenter med snävare toleranser. Gränsvärdena kan vara så små som 70 µm för en 0402 chipkomponent. AOI-systemet måste kunna hantera dessa små dimensioner på ett tillförlitligt och repeterbart sätt. Det är i allmänhet inget problem för ett AOI-system att mäta komponenter för antingen SnPb-pasta eller blyfria legeringar. Skillnaderna är små i utseendet på pastan, de största ligger i själva utformningen och i de snävare toleranser som används för den blyfria miljön. Ett noggrant AOI-system har möjligheten att avge precisa kvalitativa mätningar av tillverkningsprocessen och dess variationer samt ge statistisk återkoppling av processens möjligheter (Cp och Cpk värden). Dessa värden är de bästa indikatorerna för att hålla en noggrann kontroll på tillverkningsprocessen.

Det kan noteras att beträffande själva lödpunkterna finns det en uppfattning att dessa skulle vara mattare vid blyfri användning, men det beror väldigt mycket på den typ av legering som används, (Bismuth-innehåll), och vid vilken ”ålder” lödpunkten inspekteras. Omedelbart efter en förflödesugn ser lödpunkten klar och glansig ut.

Kretskort som är ett par veckor gamla ser ut att tappa glansen mer än deras SnPb-ekvivalenter. Teoretiskt skulle detta betyda en ändring av testparametrarna för AOI-systemet, men kort inspekteras inte efter så lång tid. Vissa högpresterande AOI-system använder mer sofistikerade metoder för analys, vilka inte bygger på reflektionsfaktorer utan mer på geometrisk utseendeanalys och 3D-inspektion.

Vid inspektion av blyfritt idag måste samtliga i processen ingående moment behandlas omsorgsfullt. Detta inkluderar blyfria komponenter, inte bara lödpastan. Hur mycket av en komponents tennbehandlade anslutningsyta förorenar lödpunkten och dess utseende? Är sättet att närma sig blyfri tillverkning ett vetenskapligt sätt eller tar man bara nu tillgängliga produkter och väntar på vad som skall hända?

SMT-tillverkare som kvalificerar sin SMT-process för blyfri lödning inkluderar typiskt bara sin in-line-testutrustning i sina studier. Dessa studier är primärt fokuserade på tillverkningsdelen i processen och innefattade mestadels screentryckare och ugnar. Om en in-line-AOI hade varit del av processen, naturligtvis beroende på antalet kort, hade ett testprogram tagits fram. När en ny process skall startas med ny teknologi är det viktigt att all hjälp skall finnas tillgänglig för att spåra ändringar och registrera resultat. Detta inkluderar både off-line-system och röntgensystem. Dessa är utvecklade för att närmare undersöka lödpunkter och ge en mer omfattande analys av utseendet och inkluderar dolda lödställen (BGA, CSP) men kan också rapportera problem inuti lödpunkten. I avsikt att detektera alla avvikelser och för att förutse andra problem är det viktigt att göra en omfattande testning redan under kvalificeringsfasen.

Liten fokusering har hittills skett på det faktum att ett in-line-AOI-system kan användas för den statistiska processens förbättring och även för att registrera defekter som hänför sig till olika processändringar. En in-line-AOI är den ideala detekteringsmetoden för avvikelser där toleranserna har satts mycket snävt. För ett mindre antal kretskort kan användaren ha råd med flera påpekanden från systemet för vidare verifiering och kontroll av processtekniker. De snävare toleranserna ger också en tidigare bild av processens variationer och kommer att vägleda systemingenjörerna till en optimering av tillverkningsprocessen och för AOI-utrustningen.

Varje processändring behöver alltid följas noggrant för att se eventuella resultatförändringar. Statistical Process Control (SPC) hjälper till att hitta optimala inställningar och förebygger att processen skenar iväg utan kontroll. Även om AOI inte kan kontrollera ugnstemperaturen, kan den registrera effekten av en temperaturändring. Det mest värdefulla tillskottet som ett in-line-AOI-system tillför den blyfria lödprocessen är dess möjlighet att registrera alla resultat och låta processteknikern jämföra dessa med loggen av andra processparametrar. Att föra noggranna anteckningar av alla resultat under kvalificeringsfasen är en god praxis och tillåter en omfattande genomgång av experimentet vid ett senare tillfälle.

Eftersom den största ändringen vid införande av blyfri lödning kommer att vara kvaliteten på lödpunkten, dvs. den elektriska och mekaniska anslutningen mellan kortet och komponenten, är det försvarligt att investera lika mycket i testmetodiken som i själva tillverkningsverktygen. Överallokeringen av testutrustningen bör ske under kvalificeringsfasen för att bestämma vilka resurser som behövs när man uppnått en fungerande stabil process.

Endast ett utnyttjande av maximala testresurser under den inledande kvalificeringsfasen kan påverka beslutet om vad som är den optimala testmetoden för den nya processen. 
 

Referens: [1] NPL Report MATC(A) 119
“A Comparison of Automated Optical Inspection Systems For Use With Lead-Free Surface Mount Assemblies” July 2002.