航空電子產品電子裝聯焊接缺陷檢測技術研究

關鍵詞：航空電子產品；AOI檢測；X射線檢測；飛針檢測；金相切片檢測

中圖分類號：TN605 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）36-00131-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

航空裝備制造業的快速發展對航空電子產品質量提出了更高要求。當前元器件逐漸向小型化、集成化、高密度封裝趨勢發展，使航空電子產品在體量和結構上產生巨大變化，呈現出“輕、薄、短、小”、結構復雜、可靠性要求高等特點。由于在生產過程中容易產生焊接缺陷且種類繁多，而產品的焊接質量是影響設備可靠性的關鍵因素，因此對航空電子產品的檢測水平提出更高挑戰。

為了保證航空電子產品的焊接質量，論文研究了不同檢測手段的檢測能力和應用范圍。通過選用合適的檢測技術，盡可能減少焊接缺陷，提高產品的可靠性。

1 電子裝聯焊接缺陷

按照表現形式劃分，電子裝聯焊接缺陷主要有兩種：一種是元器件錯貼、漏貼和貼反或偏移、起翹和立碑；另一種是元器件引腳缺焊、漏焊、虛焊、橋連、少錫、孔洞等。

由于電子裝聯工藝繁雜、工序繁多，在生產過程中不可避免會出現質量缺陷，無論是哪種缺陷，都會對電子產品造成危害。劉湘瓊等[1]指出，在軍用電子產品方面，其對于電子產品穩定性的要求非常嚴格，在軍事領域高密度電子產品裝聯的不合格率要求不超過0.05‰。隨著電子裝聯技術的快速發展，僅采用人工目檢的方式已逐漸不能滿足其檢測需求，這必然要求我們采用更為先進的自動化檢測設備及工藝來減少產品的焊接缺陷。

2 焊接缺陷檢測技術

目前，在電子裝聯生產過程中焊接缺陷檢測的方法主要有破壞性檢測和非破壞性檢測。非破壞性檢測方法包括：目視/顯微鏡檢測、AOI檢測、X射線檢測、飛針檢測和超聲檢測等，破壞性檢測包括金相切片檢測、染色及滲透檢測等。

2.1 目視/顯微鏡檢測

目視/顯微鏡檢測作為最直觀、最便捷的檢測技術，可用于觀察電子產品焊接缺陷，廣泛應用于電子裝聯生產過程的各個工序。該技術可檢測大部分表貼和通孔器件是否起翹、偏移，與焊盤之間是否存在虛焊、漏焊、橋接和堆焊不潤濕，印制板表面是否有多余物或存在焊盤銅箔翹起、脫落等。

然而，這種檢測技術效率低下，不適用于多品種、小批量的電子產品檢測。單一印制板或模塊上的電子元器件型號可達上百種，元器件數量可達上千個，器件封裝尺寸小，如現場操作人員和檢驗人員僅通過目視/顯微鏡判斷器件，不僅耗時費力，而且缺少實際檢測數據，使得檢測效率低下，檢測結果可靠性有待提高。對于批量電子產品，尚可通過目視/顯微鏡對經常發生故障的器件重點檢測。但對于多品種、小批量生產的電子產品，為了保證產品的焊接質量，還應采用其他檢測技術。

2.2 AOI檢測技術

AOI檢測技術即自動光學檢測技術（Automated Optical Inspection， AOI） ，是一種基于視覺圖像采集與分析、軟件可視化處理和自動化控制的檢測技術，可用于元器件焊接缺陷檢測和反饋[2]。AOI檢測工序一般位于元器件表面貼裝工序或回流焊接或波峰焊接工序之后，對于不同工序，其進行AOI檢測的側重點也不相同。表面貼裝后的AOI檢測工序主要用于元器件的貼裝檢測，即檢測元器件是否有偏移、漏貼或錯貼，以減少返修和器件浪費；回流焊接、波峰焊接后的AOI檢測工序主要用于檢測元器件的焊接質量，檢測產品是否存在元器件缺失、偏移、翹腳和焊點橋連等缺陷。AOI設備編程簡單、操作性強，能夠覆蓋大部分表貼器件的焊接缺陷，常用于電子裝聯過程中的質量控制。

這項技術的突出特點還包括在其基礎上開發的3D AOI 檢測技術具有更高檢測準度和速度。由于AOI設備一般僅配備一個攝像頭，只能通過特定光源從產品的正上方拍照，對于元器件引腳翹腳及器件浮高、虛焊、少錫等缺陷容易漏報，如LCC封裝的器件的側邊引腳焊錫無法通過AOI進行檢測，較高零件旁邊的零件由于“陰影效應”也難以通過AOI進行檢測。相比之下，3D AOI采用了多個方向的投射光源，可通過3D的立體影像模型來檢測和分析表面缺陷、焊點連接質量、組件位置等，檢測范圍廣，具有更高的檢測準確性和檢測速度。此外，3D AOI技術具有人工智能介入檢測技術的發展前景，即利用計算機視覺、深度學習等技術的賦能，引入人工智能模型，不斷優化工藝方法，不僅可減少3D AOI設備編程工作量和檢測時間，使設備能夠自主判定零件焊接質量，降低設備的誤報率，還可減少操作人員的誤判和作業疲勞，進一步提高設備的檢測效率[3]。

由于AOI設備主要通過可見光進行成像，只能對產品進行外觀檢測，無法穿透物體進行觀察，因此對于器件底部有焊盤的器件（如BGA和QFN） 無法使用AOI來檢測其焊點，必要時還須結合X射線檢測技術對器件底部焊盤焊點進行檢測。

2.3 X 射線檢測技術

X射線檢測技術是基于不同材料對X射線的吸收、散射程度不同的原理，可用于觀察物質內部的結構和缺陷情況[4]。在電子裝聯生產過程中，該技術可檢測的對象包括球柵陣列器件（Ball Grid Array，BGA） ，方形扁平無引腳封裝（QFN） 、芯片級封裝（CSP） 、倒裝芯片（flip chip） 、底部大面積焊盤的器件和部分通孔型器件（THT） 等，具體檢測內容例如器件引腳的偏移、橋連，焊盤周圍多余物，BGA焊球的空洞、缺失、大小球，通孔器件引腳的不潤濕、透錫不足和爬錫過高等缺陷。

這項技術存在一定的局限性，例如檢測分辨率不高，只能以二維形式觀察元器件及焊點形貌；對于引腳較多的器件，X光多角度旋轉檢測效果較差，無法辨別器件的焊接狀態。

工業CT利用X射線穿透物體的特性，通過多次掃描和切片重疊技術，可重構物體的三維模型。該設備除了能檢測BGA 焊球的位置、形狀等，亦可對于BGA虛焊、熔合不良（如“枕頭效應”） 和焊球的微裂紋，對多引腳器件某些脫焊或潤濕不良的引腳進行獨立觀察。牛浩浩等[5]針對某單模塊的BGA器件進行檢測，總耗時不超過10min，可滿足航空電子產品“小批量、多品種”特點的檢測要求，具有一定的工程應用可行性。工業CT將逐漸成為檢測技術的主流，其技術特點符合電子裝聯行業發展的需要。

2.4 飛針檢測技術

飛針檢測隨機數是通過控制可移動探針在印制板上移動來檢測印制板的短路、開路和元器件阻抗等。本節之前所述目視/顯微鏡檢測、AOI檢測和X射線檢測均為光學檢測，對于功能性和元器件失效等問題無法判斷。相比之下，在生產過程中引入飛針檢測，可降低排故和返修的成本，降低產品的故障率，減少模塊調試時間[6]。

由于飛針檢測是通過探針逐點檢測，測試時間一般需幾個小時，在測試過程中探針還須扎入焊點，在焊點采集處會留下探針坑，對于軍品的穩定性來說存在一定的焊接隱患。此外，對于沒有焊盤的器件，探針會直接與器件的引腳接觸，可能會錯過引腳焊接不良或松動的器件。

2.5 金相切片檢測技術

金相切片是一種倒查追溯的檢測技術，即通過對產品進行金相切片和失效分析，以確認焊接缺陷產生的原因[7]。通過取樣、鑲嵌、切片、研磨拋光和表面腐蝕等工序制備樣品，然后將樣品放置在顯微鏡下觀察，分析產品的焊接狀態、成分及結構，最后結合產品的焊接工藝、工藝參數、元器件狀態確認產品失效原因。

對于焊接缺陷、金屬間化合物層的失效分析，金相切片檢測技術具有顯著優勢。通過對焊點缺陷（如焊接裂紋、孔洞、引腳爬錫不足和焊點形狀異常等） 和金屬間化合物層（IMC，一般行業標準為0.5～5μm） 進行失效分析，有助于確定電子裝聯過程中缺陷產生的工序及原因，改善電子裝聯工藝，降低產品的故障率。

然而，金相切片檢測技術具有破壞性，且檢測周期長，檢測成本高等特點，無法對所有產品均進行檢測，因此多用于產品研發或適量抽檢的生產場合，存在應用范圍的局限性。

2.6 其他檢測技術

除上述檢測技術外，電子產品的缺陷檢測還包括超聲波檢測、染色與滲透檢測。超聲波檢測是利用超聲波束能透入焊點的深處，由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢測焊點的缺陷。劉洋等[8]采用激光超聲檢測技術對BGA器件進行檢測，結果表明BGA焊點的缺陷可有效定位和表征。染色與滲透檢測是通過染色劑滲透至焊點裂紋，通過分析染色的面積來判斷焊點的失效模式和失效焊點分布情況。高蕊等[9]采用染色與滲透檢測BGA焊點缺陷，結果表明BGA焊點常見失效模式可有效表征。由于染色與滲透實驗屬于破壞性實驗，一般與X射線、金相切片等檢測技術相結合，綜合判定焊點缺陷產生的原因及失效機理。

2.7 檢測技術對比與分析

對上述各檢測技術對比與分析，結果如表1所示。

由表1可知，各種檢測技術在電子裝聯中均發揮著重要作用，各自彰顯著獨特的優勢與不可避免的局限性。在實際生產中，應根據產品的具體需求、成本預算及生產流程等，通過靈活選擇單一或多種檢測手段組合的方式，提高電子裝聯產品的質量和可靠性。

3 結束語

隨著航空電子產品向小型化、集成化和精密化方向發展，傳統檢測方法各具優勢和局限性。為了提高檢測的準度和精度，確保電子產品質量的可靠性，現階段應立足檢測目的、生產環節、成本控制等，靈活選用單一或多種檢測技術組合的實施方案。

為了滿足航空電子產品的高標準需求，減少產品的焊接缺陷，實現檢測技術的全面、系統性提升，對行業未來發展提出如下建議：（1） 深入研究焊接變形開裂及缺陷產生機理，優化檢測技術參數，提高檢測的精準度；（2） 根據實踐總結，建立和完善航空電子產品的檢測標準，作為航空電子產品可靠性的依據；（3） 結合人工智能、大數據、機器視覺等新興技術，研發新型在線檢測設備，實現組織及缺陷的在線檢測。