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优化PCB板检测方案的三个要素

  生产成本和产品质量是所有生产商努力控制的两个要素,但复杂的产品设计和诸多无法控制的随机因素却令这二者成了供应链上的两大瓶颈。解决成本与质量之间矛盾的关键在于提高效率,只有通过有的放矢的测试和控制,才能翻越成本和质量这两座大山。本文以PCB板检测方案为例,用非常简单的事实和原则阐明了实现系统优化的三个要素。而如何混合和调配这三个要素使之能够适用于不同的生产和测试系统,就是制造商实现“零缺陷”生产的基础所在。

  PCB制造业有一个梦想,期望有朝一日能从“近乎完美”的原料和设计开始,经由“近乎完美”的设备来加工,最后产出“近乎完美”的产品,而这当中不必有任何既费时又花钱的测试和检验开销。不幸的是,PCB板复杂性的增加、瞬息万变的市场动态以及来自企业内部管理的挑战、加上整个制造过程中诸多不确定的随机因素,抵消了单纯由原料、设计、设备和工艺进步所带来的好处。

  今天,一般PCB板的一次性成品率仍徘徊在60%到90%之间,如果不经测试或返修,这无疑会造成巨大的浪费;而一旦有超过5%的次品流入市场,其后果可能是灾难性的。看来生产“近乎完美”产品的梦想终将落空,制造商仍必需继续在检测设备上大笔花钱,它们还不得不购买新的设备,以便应对新技术所带来的新的测试挑战。这一切似乎没完没了,挂在制造商脖子上的品质奖章愈来愈沉重。

  现在的问题是,能否合理地投资、配置和使用好昂贵的测试检验设备,以使它们的效益尽可能发挥到极致。这样,当制造商大把大把从口袋里掏钱时,能稍微心安理得一些。幸运的是,的确存在让制造商既花钱、又宽心的优化检测方案,它们的目标是同时控制生产成本和产品质量。这些方案经过实践检验,行之有效,而究其精髓,却只是建立在少数简单的事实和原则之上:

  1.控制缺陷传播---产品缺陷越早发现则次品造成的经济损失越小。

  2.降低冗余检测---重复性缺陷检测越少则检测成本越低。

  3.掌控质量主敌---排序PCB板缺陷比率,抑制头号质量杀手是事半功倍之举。

  这些简单的事实和原则构成了优化PCB板检测方案的三要素,对它们的综合应用可以帮助构造不同的检测方案,制造商应该利用实际的生产数据对方案进行定量分析,以评估方案的得失。现在让我们对以上三个方面作更详尽的考察。

  控制缺陷的传播

  如同水面上的扰动,其波及的范围将随着扰动的传播而扩大,PCB制造中的缺陷,如不及时发现,其造成的损失也会随PCB板从制造线的上游到下游逐渐扩大。来自制造商的数据表明,对于中等复杂的PCB板(譬如焊点在3,000左右,元件数在500左右),如果缺陷躲过当前的检测,而在下一步检测时才被发现,则PCB板返修的平均费用大约会增加6~7倍。同时,PCB板报废造成的损失也呈直线上升。

  揭示了合理利用测试检验设备,降低总体生产成本的一般思路。同时,也列出了在检测效益分析中需要考虑的一些主要因素。首先,检测设备应按各个生产工序所引进的缺陷类型合理配置,以便及时发现缺陷并为电路板返修提供尽可能准确的缺陷定位信息。其次,各检测设备对相关缺陷的检出率应不低于某个下限,否则配置检测设备将不会产生效益,可以根据工厂的利润目标估算这个下限。最后,应牢记在心的是,任何检测设备都有可能在检测过程中对电路板本身造成损害(如人工目检时的静电、ICT测试时的背面驱动电流等),检测过程亦可能使整个生产线的节奏放慢。在更精细的检测效益分析中,可以考虑这些负面因素。

  降低冗余的检测

  在PCB板的故障缺陷“频谱”中,并非每一种检测设备只覆盖一个“窄带”。简言之,一种检测设备可能查出多种PCB板的缺陷。上图是简化的故障覆盖分配表,该表显示,每一类型的缺陷有可能被多次重复检查。例如,当生产线上同时配有人工目检(MVI)、自动X-射线检测(AXI)、和在线测试(ICT)时,PCB板的焊点开路缺陷将被重复检查三次。对于军用或医用类的PCB来说,冗余的检测可能是有用的,有时甚至必须这样做,但对大多数民用类PCB来说,如此的冗余检测可能是得不偿失的。检测设备供应商和PCB制造商都已经认识到,它们可以在这里做一些文章来降低检测成本,同时还可以维持住产品的质量。所谓的“分布式”测试、检验方案就是针对如何降低冗余检测而言的。

  分布式检测方案,除了试图减少冗余的测试外,还力求提高PCB板总体的测试覆盖率。做到这一点的关键在于对PCB板缺陷分布规律有完全的了解、同时掌握各种测试技术的优劣和PCB板的CAD数据,从而使合适的测试手段在合适的生产阶段被用于检测合适的的故障类型。目前在市场上已有商用的软件用于自动生成分布式检测方案,如GenRad公司的GRFORCE/Strategist。该软件以PCB板的CAD/BOM文件作为输入,统筹包括自动光学检测仪(AOI)、自动X-射线检测仪(AXI)、飞针测试系统(FPT)、生产线缺陷分析仪(MDA)、在线测试系统(ICT)和功能测试系统(FCT)在内的测试资源,输出优化的分布式检测方案。

  掌控质量主敌

  如同进行作战,在和PCB制造缺陷的较量中,必须了解清楚主要的对手。电子制造业有所谓的“80%-20%法则”,意思是说,百分之八十的质量问题常常是因为20%的制造缺陷引起的,而这20%正是产品质量的主要杀手。一个以效益和质量并重的PCB板检测方案,应该建立在对缺陷分布规律的完整认识上,抓住主要的问题对症下药。

  PCB板缺陷分布具有一般性,但并非每一种PCB和制造工艺都会产生相同的缺陷分布。制造商必需根据具体的PCB板及其工艺对缺陷分布作出更精细的量化。

  目前PCB制造总的缺陷分布趋势是:制造引进的结构性缺陷(如焊点问题、贴装偏差等)占七成左右,而元器件的电性能缺陷(如电参数偏差、IC功能失效等)占三成左右。正是这一缺陷分布趋势,改变了过去以电性能测试为主的检测方案,并使得以光学(包括X-射线)检测为代表的结构性缺陷测试设备被广泛应用于生产中。

  深入而言,由于封装技术的进步(μBGA、CSP等)和小型化的趋势,电性能测试对PCB组装中引进的近七成的结构性缺陷已变得无能为力,因此检测方案的着重点势必以控制结构性缺陷为主。

  掌握缺陷控制的轻重缓急,对构造合理的抽样检测方案亦至关重要。抽样的频度基本上正比于缺陷引起的失效频度,由此产生的抽样检测开销则趋于最低。

  总结

  我们已在此简述了优化PCB板检测方案的三要素,如何去混合这些要素,调配出满意的方案则需大量采集来自生产线的数据并静下心来仔细划算。它们可能帮你定性或定量回答诸如这样的问题:能否购置一台贴封后的AOI设备,使得ICT测试的合格率提高5%?能否缩短10%的检测时间,而次品率不至增加1%?但掌握了这些要素并不一定能准确回答有关PCB板检测方案所有的问题。因为即使针对“近乎完美”的制造过程,还会有不可避免亦不可救药的随机因素来模糊我们的估算,何况实际的制造过程可能充满人为的误差和影响产品质量的额外要素。然而令人欣慰的是,前面提到的“80%-20%法则”在这里也成立,从而我们可以用较少的主要因素去帮助构造PCB板检测方案,用来回答我们关心的大多数有关控制质量和成本的问题。

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