一種距離光線傳感器失效分析及整改

卞國任 沈絢樺

摘 要：文章結合一種距離、光線傳感器失效問題，進行問題調查，發現主要原因為：傳感器的增高板存在回流焊后受到熱沖擊導致過孔沉銅拉裂出現似接觸非接觸不穩定的故障；最終通過增大過孔及用環氧樹脂堵孔的方式進行設計后，問題得到最終解決。

關鍵詞：傳感器；失效機理；回流焊；沉銅

0 引言

科技發展的時代，我們對于手機功能及用戶體驗方面要求更高，而傳感器就是手機獲取更多功能和更好體驗非常重要的一部分。手機集成的傳感器包括[1]：距離傳感器、光線傳感器、加速度傳感器、指紋傳感器、壓力傳感器、重力傳感器、電子羅盤傳感器等。距離傳感器工作原理[2]是通過紅外傳感接收由IR LED 發出穿過蓋板并從物體反射回來的光，經過模/數轉換將數據提供到傳感器芯片，控制亮滅屏；而光線傳感器是常規兩路光電二極管作為接收，光轉為電信號，進行模/數轉換，通過對環境光數據和紅外數據相減得到可見光的數據，以此數據作為背光調節的依據。由于在使用過程中某廠家的距離、光線傳感器出現了失效，為了從根本上分析解決傳感器失效問題，本文將從傳感器失效機理、工藝設計、器件結構等方面進行分析，制定整改措施并通過實驗驗證其可靠性。

1 背景

在某型號手機生產測試過程中，功能測試崗位連續出現多單距離、光線傳感器失敗故障機下線，且該故障存在失效不穩定現象，質量不可控，生產測試不可控，極易流至售后，存在售后投訴隱患，嚴重影響手機產品質量和用戶實際體驗，問題急需解決。

2 傳感器失效原因分析

手機生產過程中出現10%的距離、光感測試失效，對此我們對故障樹進行原因分析[3]。共找到7個問題原因（圖1），其中根據異常主板SN號追溯SPI測試數據無異常，均為一次性測試通過，說明錫膏印刷過程無異常，失效原因為傳感器本體異常，此項排除；車間按照無塵標準進行生產，溫濕度按標準嚴格管控，生產環境問題可以排除；員工均持證上崗，按標準進行作業，經驗豐富，且定期進行考評，此項排除；對生產設備進行檢查，發現廠家自動送料軌道存在偏移，此項為異常原因之一；剩余的IC功能、焊盤上錫異常、沉銅不良需要進一步分析驗證。

2.1 傳感器失效分析

將故障品物料與正常品物料進行驗證分析，發現故障品存在以下異常導致功能失效，傳感器實物如圖2所示。①將故障品與正常品的IC進行對調測試功能，發現故障品與正常品結論不變，說明IC功能正常，所以鎖定墊高板為傳感器異常原因之一。②觀察墊高板底部焊盤，發現異常腳底部焊盤不上錫，對比正常腳錫量飽滿，如圖3所示。在放大鏡下觀察異常物料焊盤，發現有氧化、黑色油墨上焊盤現象，底部油墨偏多，局部堆高，導致物料腳與錫膏有高度差，焊接時無法與錫膏有效接觸，上錫異常導致功能失效，如圖4所示。③用萬用表測量墊高板兩端導通情況，發現故障品上下焊盤存在開路情況而正常品導通，如圖5所示。將故障傳感器墊高板做金相實驗，發現傳感器下面墊高板存在過孔不通，沉銅斷開，導致上下焊盤開路，使傳感器故障，如圖6所示。用砂紙磨開過孔位置有發現黑色物質，如圖7所示。分析為PCB在鉆孔過程鉆頭高速旋轉后，鉆頭發熱燒黑板材后殘留的粉塵，后道清洗工序沒有處理干凈所致。

2.2 廠家生產工藝分析

經過對廠家生產工藝排查，發現生產過程中存在如下諸多隱患點。

1）墊高板鉆孔完成后沉銅（過孔在傳感器焊盤上），過孔孔壁與焊盤交接處會形成電鍍銅與焊接基材覆銅焊接帶，然后再做阻焊，阻焊完成再做油墨填塞過孔，即在焊盤上過孔位置處灌塞油墨，存在油墨灌塞偏多導致上焊盤、過孔位置高于焊盤高度，造成傳感器接觸不良；

2）PCB在自動送料軌道夾持中固定不好或PCB工藝邊有異物造成夾持位置不平整，錫膏在印刷時超出焊盤外，形成不規律錫珠導致虛焊；

3）對PCB過孔時鉆頭高速旋轉發熱易燒黑板材，但后續清潔力度不夠，導致異物殘留，出現沉銅斷層現象。

3 傳感器失效整改措施

3.1 整改方案

通過長期生產數據分析，該廠家不同批次的物料存在不同類型的問題，異常問題不斷出現，說明廠家沒從根本上解決。經過對廠家的生產過程隱患點進行排查，加以實驗驗證，從工藝流程、器件結構、檢驗工序三個方面優化并制定有效的解決方案。

1）工藝流程：從鋼網厚度、錫膏量等方面優化工藝參數，提高精度，將焊盤上過孔孔徑由0.35 mm擴至0.45 mm，由原過孔塞油墨改為填塞樹脂工藝，版面看不到過孔，版面平整，傳感器與墊高板能良好導通；

2）檢驗工序：對自動送料軌道及PCB工藝邊全面檢查，用20倍鏡45°斜角顯微鏡對上錫量進行全檢，并增加測試治具限位裝置，避免虛焊/假焊產品因測試壓力過大而造成誤判導致不良品流出；

3）器件結構：增加PCB鍍銅層厚度可減少斷層現象，在清洗工序增加超聲波和高壓沖洗工序，防止粉塵殘留。

3.2 整改效果評估

對整改后傳感器的性能結構、產品可靠性進行全面評估，檢查能否達到預期整改水平。

1）結構分析：將整改前后的傳感器放入X-Ray進行觀察，整改后的墊高板沉銅均勻，無過孔不通、斷層現象，對比如圖8所示。焊盤過孔由原先的油墨填塞工藝改為樹脂填塞工藝，更改后的焊盤版面完整，上錫正常，如圖9所示。根據公司《傳感器檢驗規范》文件，要求PCB墊高板過孔沉銅厚度平均值不小于20 μm，最小值不小于18 μm，孔角及孔壁銅層不均出現破損、缺損現象。對整改后的墊高板進行金相切片，孔壁厚度符合標準，沉銅均勻無異常，如圖10、圖11所示。

2）實驗分析：針對傳感器更改了多項生產工藝，安排實驗驗證其可靠性。對500 pcs整改前與整改后的傳感器過孔增加點環氧膠后回流焊高溫驗證，在-10±2 ℃、60±2 ℃環境下各保持30 min，循環20次，實驗結果如表1。

將傳感器組裝成整機進行連續工作老化試驗48 h，分別在老化12 h、24 h、48 h試驗后進行功能測試，實驗結果如表2。

對整改前后的樣品裝100臺整機進行50 ℃高溫烘烤6 h之后，進行隨機振動30 min，測試傳感器功能，實驗結果如表3。

可以看出，整改前傳感器在不同實驗環境下均存在失效現象，測試不可控，無法保證生產穩定性，而整改后傳感器功能均無異常，產品可靠性強，整改效果明顯。

4 傳感器失效整改總結

對整改后的傳感器進行全面評估，整改后性能參數、結構要求符合預期，從實驗結果來看，整改后傳感器可靠性強，整改效果明顯。廠家整改之后，根據生產過程數據顯示無沉銅不良異常，整改效果明顯。本次通過傳感器物料在使用過程中的異常反饋，對實際出現的多種問題進行分析整改，從器件結構、制造工藝、檢驗工序進行優化改進，并加以實驗論證，從根本上有效改善了產品質量和可靠性，提高了生產效率。

參考文獻：

[1] 裴春梅，楊秀清，王貴明.傳感器在智能手機中的應用[J].湖南農業大學學報：自然科學版，2009（10X）：108-109.

[2] 孫晶.傳感器的原理與應用研究[J].科技咨詢，2011（21）：4.

[3] 戴俊夫，嚴明.電子元器件失效分析技術及方法[J].微機處理， 2015（4）：1.