Методы контроля качества радиоэлектронных устройств

Требования к эксплуатации наконечников для паяльников

Для решения данной проблемы был проведен анализ существующих ГОСТов и стандартов IPC, что позволило сформировать требования и рекомендации для правильной эксплуатации наконечников для паяльников различных производителей.

Производимая электронная аппаратура

Как правило, производимые изделия на предприятиях радиоэлектронной промышленности — это электронная аппаратура ответственного назначения класса С. Чтобы предотвратить преждевременное выгорание наконечников (JBC, Weller, PACE и др.), рекомендуется придерживаться следующих требований:

1. Библиографическое описание

   Дудоладов, А. В. Методы контроля качества радиоэлектронных устройств / А. В. Дудоладов, А. В. Бастраков, Р. С. Хаметов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2023. — № 45 (492). — С. 6-11. — URL: ссылка (дата обращения: 24.03.2024).

Повышение качества и надежности

Для достижения конкурентоспособности радиоэлектронной аппаратуры необходимо уделить особое внимание обеспечению высокого качества и повышению надежности на всех этапах производства.

Дефекты на стадии изготовления

В статье представлены и классифицированы основные дефекты, возникающие на стадии изготовления электронной аппаратуры. Описаны современные методы автоматизированного контроля качества монтажа электронных устройств.

Методы контроля

Рассмотрено пересечение множеств дефектов и средств контроля, а также предложен оптимальный метод контроля. Ключевые слова: дефект, методы контроля, автоматическая оптическая инспекция, неразрушающий рентгеновский контроль.

Высокие требования к качеству

В условиях активного развития производства радиоэлектронных устройств и функциональных узлов, промышленность предъявляет высокие требования к их качеству. Эти требования основаны на сложности сборки и необходимости быть конкурентоспособными на современном рынке.

Применение автоматизированного контроля

Существует острая необходимость в применении автоматизированного контроля монтажа изделий радиоэлектронной промышленности.

Категории дефектов

Все дефекты радиоэлектронных устройств можно разделить на три категории:

Основные дефекты монтажа электронных устройств

Основные дефекты монтажа электронных устройств, возникающие при различных способах пайки, можно классифицировать следующим образом:

Дефекты паянных соединений

Качество паяных изделий определяется их прочностью, работоспособностью, надежностью, коррозионной стойкостью и способностью выполнять специальные функции, такие как теплопроводность, электропроводность и коммутационные характеристики. Чтобы обеспечить эти характеристики, необходимо принять оптимальные решения в процессе производства паяного изделия.

К наиболее распространенным недостаткам паяных соединений относят:

• поры
• раковины
• включения шлака и флюса
• непропаи
• трещины

Эти дефекты можно разделить на две группы:

1. первая связана с неправильным наполнением расплавом припоя зазоров между соединенными элементами,
2. а вторая возникает в процессе охлаждения после пайки.

Дефекты первой группы обусловлены особенностями заполнения капиллярных зазоров во время пайки. Дефекты второй группы возникают из-за уменьшения растворимости газов в металлах при их переходе из жидкого состояния в твердое, а также из-за усадочных явлений.

Дефекты печатных плат

Дефекты печатных плат делятся на два вида: видимые и скрытые.

Скрытые дефекты возникают в результате нарушения производственных технологий или использования низкокачественных материалов. Они могут быть обнаружены только при помощи специализированного оборудования или в процессе эксплуатации. Многослойные платы чаще всего страдают от подобных дефектов.

С целью увеличения количества годных изделий на каждом этапе монтажа, необходимо в процесс включать операции контроля качества.

Бесконтактные методы обнаружения дефектов

• Визуальное наблюдение объекта человеком
• Наблюдение за объектом визуально
• Анализ фотоснимков изделия с необходимым разрешением
• Анализ видеофайла с записью движения объектива вокруг изделия
• 3D модель объекта
• Анализ 3D модели изделия, выполненного с помощью 3D-сканера
• Анализ рентгеновского снимка
• Анализ отклонения градиента температуры на тепловом снимке

Контактные методы обнаружения дефектов

Функциональный контроль через интерфейсы

Проверка соответствия выходных и промежуточных параметров цепей, логических компонентов, вшитых настроек через интерфейсы (разъемы)

Функциональный или параметрический контроль при помощи ложе гвоздей

Проверка соответствия выходных и промежуточных параметров цепей, логических компонентов, вшитых настроек через точки контакта на плате

Метод Летающие зонды (щупы)

Проверка соответствия промежуточных параметров цепей и логических компонентов

Метод Летающие матрицы

Проверка соответствия промежуточных параметров цепей и логических компонентов

Одними из наиболее распространенных методов контроля качества электронных компонентов являются оптический и рентгеновский неразрушающий контроль.

Автоматическая оптическая инспекция (АОИ) позволяет обнаружить поверхностные дефекты компонентов и конфигурации электронных сборок, а также дефекты паяного соединения.

На сегодняшний день многие компании поставщики оборудования для оптического контроля монтажа предлагают роботизированные системы.

Это комбинация робота и оптического инспекционного модуля, позволяющая осуществлять широкий спектр инспекционных задач.

Шестиосевой манипулятор и динамическая система подсветки обеспечивают гибкое перемещение инспекционного модуля и получение контрастного изображения под разными углами.

Датчики измеряют толщину влагозащитного покрытия и высоту установки компонентов.

С целью обнаружения скрытых дефектов используется неразрушающий рентгеновский контроль (НРК). Принцип такого метода заключается в следующем: рентгеновские лучи проникают в компоненты печатной платы и затухают, проходя через различные материалы.

На выходе получается изображение с яркими и темными областями.

Существуют также методы контроля функциональных характеристик электронных устройств.

Для этого используются узкоспециализированная стендовая аппаратура, средства измерения и испытательное оборудование.

Функциональная проверка электронной аппаратуры, осуществляемая при помощи измерения электрических параметров, позволяет полностью проверить характеристики электронных устройств.

Однако при проверке необходима подача питающих напряжений на входные цепи.

Для избегания повреждения компонентов цепей электронных устройств необходима предварительная проверка до подачи питающих напряжений.

Возможные дефекты при проверке:

• Смещение компонента (с сохранением контакта)
• Смещение компонента (без сохранения контакта)
• Неверная полярность компонента
• Неверный номинал элемента
• Повреждение компонента (царапины, сколы)
• Отсутствие электрической связи с компонентом
• Не припаян вывод компонента (при наличии контакта)

Распыление (всплески) припоя

Замыкание (мостики припоя)

Трещина (дефект) соединения

Непаянное соединение

Дефекты печатной платы

Нарушение металлизации отверстий

Обрыв проводника (внутренний слой)

Замыкание проводника (внутренний слой)

Отслоение проводника от диэлектрика

Согласно статистическим данным за 3 года на одном из предприятий, производящем радиоэлектронные устройства, было проверено около 15500 электронных узлов на печатных платах. Из них 322 были обнаружены с дефектами. Соответственно, 206 из них — дефекты паянных соединений (64%), 114 — дефекты компонентов (35,4%) и 2 — дефекты печатной платы (0,6%).

По результатам классификации всех видов дефектов в радиоэлектронных узлах и анализа существующих на сегодняшний день методов автоматизированного контроля получено пересечение дефектов и методов контроля (Таблица 3). С учетом статистических данных, наиболее оптимальным выбором для обнаружения дефектов является использование автоматической оптической инспекции, которая способна обнаружить до 99% дефектов. Для обнаружения всех видов дефектов целесообразно совместное использование оптического и рентгеновского контроля.

Завершение работы

Для продления срока службы жала паяльника после завершения работы его необходимо очистить от остатков припоя и нагара. Для этой цели используйте специальные губки и щетки, входящие в комплект паяльной станции.

Пошаговое описание процесса пайки с использованием трубчатого припоя

На начальном этапе работа с трубчатыми припоями может вызвать сложности. Как правильно паять с трубчатыми припоями? Приведенная последовательность пайки элементов со штыревыми выводами поможет быстро освоить эту технологию.

Пайка элементов, устанавливаемых в отверстия:

1. Обеспечьте хороший тепловой контакт между жалом паяльника и паяемыми поверхностями.
2. Нанесите небольшое количество припоя на жало паяльника, чтобы образовался мостик между паяемым участком и выводом элемента.
3. Перемещайте трубчатый припой по кругу вдоль площадки в противоположном направлении от жала паяльника.
4. Обеспечьте контакт между жалом паяльника и паяемыми поверхностями до формирования галтели припоя.
5. Как только соединение сформировано, уберите припой и отведите жало паяльника.

Для образования правильной формы галтели жало паяльника должно двигаться вверх вдоль вывода элемента (рис. 7).

Рис. 7. Движения жала паяльника вверх вдоль вывода элемента для образования правильной формы галтели

Внимание! Избегайте сильного давления жалом паяльника на КП. Не допускайте контакта жала паяльника с галтелью припоя без использования трубчатого припоя, это может привести к деградации паяного соединения.

Возможные проблемы, причины и методы решения указаны в таблице 2.

Разбрызгивание припоя Высокая скорость нагрева Подавать пруток припоя на разогретые контактные поверхности (вывод элемента и КП), не подавать трубчатый припой на жало паяльника

Матовые паяные соединения Длительный контакт жала паяльника с паяным соединением после отвода прутка припоя из зоны пайки Сократить время контакта жала паяльника с паяным соединением

Остатки после пайки в виде нагара Использование флюсов на основе неочищенной канифоли Произвести очистку жала паяльника и губки

Избыточные остатки флюса вокруг паяного соединения Большой диаметр трубчатого припоя. Избыточная подача трубчатого припоя в место пайки. Низкая температура пайки Использовать припой меньшего диаметра. Использовать паяльник большей мощности или увеличить температуру пайки

Соблюдение всех рассмотренных выше правил и требований поможет повысить качество паяных соединений и сократить количество брака от перегрева элементной базы и деформации печатных плат. Срок службы наконечников будет соответствовать заявленным срокам любого производителя, а именно 12–18 месяцев и более.

Правила эксплуатации наконечников

Форму и геометрические размеры наконечника необходимо подбирать в соответствии с размерами контактных площадок и выводов монтируемых элементов (рис. 1), что позволит:

Рис. 1. Подбор размера наконечника с учетом планируемой работы

Рабочая температура

Чем выше температура пайки, тем больше окисление и коррозия наконечника. Необходимо использовать теплоэффективные наконечники и очищать жало от окислов. Оксид железа не смачивается припоем. Используйте встроенные функцию сна и функцию пониженного энергопотребления, что позволит продлить срок эксплуатации наконечников.

Флюс и припой

Выбирайте качественные материалы для пайки. Применение флюсов с содержанием неочищенной канифоли не только приводит к преждевременному выгоранию наконечников, но и наносит вред здоровью (канифоль относится к материалам 3‑го класса опасности по ГОСТ 12.1.007). Паяльные работы, выполняемые монтажником, связаны с выделением вредных для здоровья веществ. К наиболее опасным компонентам паяльного дыма следует отнести частицы абиетиновой кислоты (канифоли), вызывающей астматическую реакцию даже у здорового человека. Длительное вдыхание воздуха, в котором содержание частиц канифоли превышает допустимый уровень, приводит к развитию необратимой аллергической реакции организма, часто переходящей в астму. Для снижения риска для здоровья необходимо применять флюсы с высокоочищенной канифолью либо бесканифольные флюсы. Также следует помнить об активности материала, поскольу использование высокоактивного флюса приводит к коррозии наконечников.

Международными стандартами IPC рекомендуются следующие типы флюсов: ROL, REAL и ORL (табл. 1).

Активность флюса (% содержания галогенов), % Канифольные Rosin (RO) Синтетические Resin (RE) Органические Organic (OR)

При использовании трубчатого припоя содержащегося в нем флюса может не хватить для формирования галтели — для этого нужно выполнять дополнительное флюсование контактных площадок.

Кроме того, применение флюсов ФКСП, ФК, ФСКП, содержащих высокий процент твердой части (30% и более), приводит к быстрому образованию нагара, ухудшению теплоотдачи, завышению температур пайки и быстрому сгоранию жала. Все современные производители флюсов на аналогичных основах и на органике стремятся свести количество твердых частиц к минимуму (обычно не более 5%, максимум 20%).

Процесс пайки

Избегайте сильного давления жалом паяльника на контактную площадку в зоне пайки, поскольку это усилит его износ и может привести как к искривлению выводов элементов, так и к повреждению контактных площадок на печатной плате.

Очистка наконечника

При очистке наконечников не используйте механические или химические средства. Применяйте методы очистки, рекомендуемые производителем (рис. 2). Для очистки сильно окисленных жал паяльников можно использовать пасту для очистки и лужения наконечников Tip Activator.

Рис. 2. Оснастка для бережной очистки жал паяльников

Рекомендуемая последовательность работы

При работе с трубчатыми припоями пайка осуществляется с двух рук. Для того чтобы при пайке получить наилучшие результаты, рекомендуется выполнять работу в такой последовательности (рис. 3):

Рис. 3. Правильная и неправильная подача припоя:а, б) правильная подача припоя;в, г) неправильная подача припоя

Внимание! Если припой подавать непосредственно на жало паяльника, активные компоненты флюса будут преждевременно выгорать и его эффективность резко уменьшится. Не подавайте избыточное количество припоя на паяное соединение. Это может привести к увеличению количества остатков флюса и ухудшению внешнего вида изделия. Рекомендуется выбирать диаметр прутка припоя равным половине диаметра жала паяльника.

Весь процесс пайки должен занимать 0,5–2 с на одно паяное соединение в зависимости от массы, температуры и конфигурации жала, а также от паяемости поверхностей. Избыточное время или температура могут, во‑первых, истощать флюс до смачивания припоя, что приведет к увеличению количества остатков, а во‑вторых, увеличивают хрупкость паяного соединения.