電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究

金正國(guó)

（北京中電創(chuàng)新科技有限公司，北京 100102）

0 引言

目前，企業(yè)在檢測(cè)電子元器件產(chǎn)品時(shí)，主要采用抽檢方式，這種方式在具體運(yùn)用中，要借助專門質(zhì)檢工的力量進(jìn)行操作，這樣一來，不僅增加檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度，還降低檢測(cè)效率，無法實(shí)現(xiàn)全檢目標(biāo)。而電子元器件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可以有效地解決以上問題，這是由于該系統(tǒng)將電磁鐵與彈簧定位塊相結(jié)合的方式[1]，精確化定位電子元器件，保證產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果的精確度。因此，技術(shù)人員要在設(shè)計(jì)和開發(fā)電子元器件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)其檢測(cè)方法進(jìn)行全面化研究和分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量的自動(dòng)化、高效化檢測(cè)。

1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子元器件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包含以下3 個(gè)部分。

（1）電磁振動(dòng)自動(dòng)上料裝置。該裝置主要是由電磁振動(dòng)料道、電磁鐵等多個(gè)部分組成。該裝置在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要采用電磁振動(dòng)的方式，將電子元器件產(chǎn)品緩慢地轉(zhuǎn)移到螺旋料道中。在電磁振動(dòng)力的影響下，排列好的電子元器件按照一定的順序依次進(jìn)入直料道中[2]，從而達(dá)到自動(dòng)化上料的目的。

（2）檢測(cè)觸頭機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電子元器件相關(guān)參數(shù)的精確化檢測(cè)，需要在定位操作元器件的基礎(chǔ)上，對(duì)電子元器件引腳進(jìn)行引出處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子元器件質(zhì)量精確化檢測(cè)，而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開檢測(cè)觸頭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。檢測(cè)觸頭機(jī)構(gòu)在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要借助單片機(jī)，對(duì)檢測(cè)觸頭進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，當(dāng)待元件定位結(jié)束后，檢測(cè)觸頭可自動(dòng)化伸出，與電子元器件的引腳進(jìn)行有效地連接。當(dāng)檢測(cè)工作結(jié)束后，檢測(cè)觸頭會(huì)自動(dòng)返回，此時(shí)，檢測(cè)觸頭與元器件引腳之間處于相互脫離狀態(tài)[3]。

（3）分選機(jī)構(gòu)。分選機(jī)構(gòu)在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要自動(dòng)分流優(yōu)等品和劣等品，為降低分選工作期間所造成的負(fù)載，需要將小直流電機(jī)設(shè)置為執(zhí)行元件。借助固定板，將直流電機(jī)與上料定位機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效地連接。在扭簧的影響下，擋板主要固定于左側(cè)極限位置，通過全面化檢測(cè)待測(cè)元件質(zhì)量，如果元件質(zhì)量達(dá)標(biāo)，直流電機(jī)會(huì)暫停動(dòng)作，此時(shí)，元件自動(dòng)被分流至儲(chǔ)料盒內(nèi)。如果元件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，并對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功能進(jìn)行觸發(fā)，確保擋板自動(dòng)移動(dòng)至定位塊中。

2 電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)檢測(cè)模式下，僅僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量元件單個(gè)參數(shù)的測(cè)量，測(cè)量元件多個(gè)參數(shù)時(shí)，需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行多次傳送和測(cè)量，同時(shí)，按照測(cè)量結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分選，很容易摩擦、劃傷元件表面結(jié)構(gòu)，降低電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量。在同一個(gè)工位上，通過對(duì)元件多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，可以將上料下料輔助時(shí)間成本降到最低，降低工件劃傷概率，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的有效保護(hù)。電子元器件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，從圖1 中可以看出，該系統(tǒng)在具體運(yùn)行中，需要借助檢測(cè)單片機(jī)和模擬開關(guān)，將元件引腳依次連入電阻測(cè)量電路、可焊性測(cè)量電路、氣密性測(cè)量電路中，全面化測(cè)量這些電路的各個(gè)參數(shù)[4]，并對(duì)最終測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)化記錄。在測(cè)量引腳可焊性時(shí)，需要做好對(duì)3 個(gè)引腳輸出點(diǎn)的設(shè)置。在檢測(cè)元件引腳外形時(shí)，要借助傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一響應(yīng)，并借助單片機(jī)，集中化分析和處理傳感器所采集到的圖像數(shù)據(jù)，并分析和檢測(cè)元件引腳外形特點(diǎn)是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，最后，向檢測(cè)單片機(jī)實(shí)時(shí)傳輸檢測(cè)結(jié)果[5]。在此基礎(chǔ)上，借助檢測(cè)單片機(jī)，系統(tǒng)化分析所有測(cè)量參數(shù)，分析和判斷該電子元件質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。同時(shí)，還要與上位機(jī)建立良好的通信關(guān)系，使用上位機(jī)界面存儲(chǔ)和顯示測(cè)量結(jié)果，便于其他人員查看和調(diào)用。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 諧振頻率檢測(cè)

石英晶體諧振器作為一種常見的電子元件，可以為微控制器穩(wěn)定化運(yùn)行提供源源不斷的時(shí)鐘信號(hào)。在對(duì)石英晶體諧振器頻率進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要盡可能地突破主單片機(jī)工作頻率的限制，盡可能地降低待測(cè)元件的頻率[6]。所以，本文結(jié)合石英晶體諧振器提出相應(yīng)的檢測(cè)方法。

2.2.1 石英晶振的等效電路

石英晶體諧振器主要是指按照一定的方向，對(duì)二氧化硅進(jìn)行切割，使其切割為薄晶片，然后，使用兩個(gè)電極，封裝拋光和銀層。石英晶體諧振器工作原理如下：將交變的電場(chǎng)設(shè)置到石英晶體兩個(gè)管腳之間，在電場(chǎng)的影響下，該晶體會(huì)出現(xiàn)一定的機(jī)械變形，機(jī)械變形所導(dǎo)致的振動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生一定程度的交變電場(chǎng)，這種現(xiàn)象屬于典型的壓電效應(yīng)。對(duì)于交變電場(chǎng)而言，當(dāng)其頻率上升到某一定值時(shí)，石英晶體會(huì)出現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象[7]，導(dǎo)致振幅出現(xiàn)明顯上升現(xiàn)象，這種頻率被稱為“石英晶體諧振器的諧振頻率”。石英晶體諧振器等效電路如圖2 所示，從圖2 中可以看出，當(dāng)石英晶體諧振器停止工作時(shí)，可以將其等效為靜態(tài)電容，該電容用電容C0表示。當(dāng)石英晶體諧振器發(fā)生振動(dòng)時(shí)，需要對(duì)振動(dòng)的慣性、晶片的彈性、晶片的摩擦損耗分別等效為電感L、電容C、電阻R。

圖2 石英晶體諧振器等效電路

2.2.2 石英晶體諧振器頻率檢測(cè)方法

單片機(jī)具有強(qiáng)大的計(jì)數(shù)功能，借助引腳，可以確保電平達(dá)到負(fù)跳變現(xiàn)象，使得計(jì)數(shù)器與1 自動(dòng)相加。當(dāng)石英晶體諧振器的頻率較低時(shí)，需要在所設(shè)置好的時(shí)間段內(nèi)，計(jì)數(shù)處理晶體振蕩波形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)石英晶體諧振器諧振頻率的精確化計(jì)算[8]。在以上思路的啟示下，相關(guān)人員要重視對(duì)頻率測(cè)量電路的設(shè)計(jì)。在該電路中，石英晶體諧振器采用并聯(lián)諧振模式，將10M 電阻與非門輸入輸出端相連接，并反相輸出電信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，還要將石英晶體諧振器、非門C14 進(jìn)行有效地并聯(lián)，從而形成并聯(lián)諧振電路。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，借助單片機(jī)，對(duì)開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，將待測(cè)石英晶體諧振器的兩個(gè)引腳與測(cè)量電路進(jìn)行有效地連接，并將晶振蕩波形延時(shí)時(shí)間控制在6ms。當(dāng)單片機(jī)處于打開狀態(tài)時(shí)，要重新計(jì)數(shù)石英晶體諧振器振蕩波形。當(dāng)定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，借助中斷程序，單片機(jī)可以快速讀入T0計(jì)數(shù)值，然后，精確地計(jì)算出最終的諧振頻率。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)

在本次實(shí)驗(yàn)中，以“32.768kHz 石英晶體諧振器”為研究對(duì)象，將定時(shí)時(shí)間設(shè)置為1s。為將誤差降到最低，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，需要采用平均值方法，獲得頻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）。

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，相對(duì)誤差計(jì)算公式如式（1）所示。

由式（1）可知，對(duì)于32.769kHz 石英晶體諧振器而言，其頻率檢測(cè)精確度低于100PPM，可完全符合相關(guān)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2.3 電子元件引腳可焊性檢測(cè)

2.3.1 干法測(cè)量可焊性原理

在相同條件下，盡管電子元件表面鍍層所對(duì)應(yīng)的氧化程度會(huì)存在很大的不同，其氧化物的物理特性也存在很大的不同。但是，隨著可焊性提高，同一種氧化物的厚度會(huì)不斷下降。氧化層內(nèi)部含有多種構(gòu)成成分，這些構(gòu)成成分主要以金屬氧化物為主[9]，在不同電場(chǎng)強(qiáng)度的影響下，這些成分會(huì)呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不斷降低時(shí)，這些構(gòu)成成分會(huì)呈現(xiàn)出一定的絕緣體特性，當(dāng)電壓不斷上升，達(dá)到某一特定數(shù)值時(shí)，電流會(huì)出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象，呈現(xiàn)出一定的擊穿特性。在氧化程度的不斷提高下，擊穿電壓不斷增加。通過對(duì)元件引腳氧化層擊穿電壓特性進(jìn)行系統(tǒng)化檢測(cè)，可以分析和判斷該氧化層的氧化程度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)引腳可焊性的有效描述。

2.3.2 擊穿電壓與可焊性的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

為更好地驗(yàn)證上述原理，需要對(duì)49S 石英晶體諧振器的擊穿電壓強(qiáng)度和烙鐵焊接感覺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所測(cè)試的石英晶體諧振器數(shù)量為300 個(gè)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 擊穿電壓與可焊性的關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于元件引腳鍍層氧化物而言，隨著引腳可焊性的提高，其擊穿電壓會(huì)呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)。當(dāng)擊穿電壓小于2V 以下時(shí)，元件引腳鍍層氧化物會(huì)呈現(xiàn)出良好的焊接性能。當(dāng)擊穿電壓大于19V 時(shí)，該氧化物的焊接性能不斷降低。當(dāng)擊穿電壓大于39V 時(shí)，該氧化物會(huì)喪失一定的可焊性[10]。

2.4 氣密性檢測(cè)

2.4.1 電子元器件氣密性檢測(cè)的重要性

氣密性主要用于對(duì)電子元器件質(zhì)量的有效衡量。當(dāng)電子元器件工作于高溫、潮濕、高壓等惡劣環(huán)境時(shí)，一旦電子元器件的氣密性沒有達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，外界的水汽會(huì)自動(dòng)泄露到部分電子元器件內(nèi)部，對(duì)電子元器件內(nèi)部的芯片電路產(chǎn)生一定的腐蝕，降低電子元器件的使用性能。因此，強(qiáng)化對(duì)電子元器件氣密性檢測(cè)顯得尤為重要。

2.4.2 電子元器件氣密性檢測(cè)新方法

為解決傳統(tǒng)氣密性檢測(cè)方法存在的弊端，本文提出一套切實(shí)可行的電子元器件氣密性檢測(cè)新方法。首先，向無水乙醇的密閉罐中添加一定量的晶振，并將所施加的壓力控制為0.5MPa，乙醇在實(shí)際運(yùn)用中，通常表現(xiàn)出良好的滲透性。因此，當(dāng)晶振表現(xiàn)出較差的氣密性，會(huì)導(dǎo)致乙醇自動(dòng)進(jìn)入晶振內(nèi)部。經(jīng)過半個(gè)小時(shí)后，取出晶振，對(duì)兩引腳之間的擊穿電壓進(jìn)行精確化測(cè)量。發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶振表現(xiàn)出良好的氣密性，乙醇不容易進(jìn)入晶振內(nèi)部，同時(shí)，兩引腳之間表現(xiàn)出無窮大的絕緣電阻，所以，不會(huì)出現(xiàn)被擊穿現(xiàn)象。反之，如果晶振表現(xiàn)出較差的氣密性，乙醇會(huì)自動(dòng)進(jìn)入晶振內(nèi)，導(dǎo)致兩引腳之間的絕緣電阻不斷降低，所以，在電壓的影響下，晶振會(huì)產(chǎn)生大量的電流。

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，要采用電子元件可焊性測(cè)量法，對(duì)擊穿電壓測(cè)量電路進(jìn)行系統(tǒng)化測(cè)量，整個(gè)測(cè)量對(duì)象是晶振兩個(gè)引腳之間。當(dāng)晶振表現(xiàn)出良好的氣密性，正輸入端所對(duì)應(yīng)的電壓會(huì)不斷降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸入端電壓，此時(shí)，單片機(jī)所獲得的電平信號(hào)相對(duì)較低。反之如果晶振表現(xiàn)出較差的氣密性，比較器的正輸入端電壓會(huì)不斷升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過負(fù)輸入端電壓，此時(shí)，單片機(jī)所獲得的電平信號(hào)相對(duì)較高。結(jié)合高低電平的差異性，借助單片機(jī)，可以篩選出氣密性良好的元件。通過運(yùn)用上述檢測(cè)方法，可以有效地簡(jiǎn)化石英晶體諧振器氣密性檢測(cè)流程，實(shí)現(xiàn)晶振的批量化、高效化、精確化檢測(cè)。

3 結(jié)語

綜上所述，為自動(dòng)化、精確化檢測(cè)電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量，本文借助石英晶體諧振器、電容、電阻等電子元器件，電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行深入化、全面化研究，從而保證電子元器件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量。此外為提高電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量，技術(shù)人員要結(jié)合實(shí)際工作情況，對(duì)該產(chǎn)品檢測(cè)方法和檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行不斷地優(yōu)化和完善，從而最大限度地提高電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而為企業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活提供一定的便利。