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改变世界的3页内容
  2022-03-22      83

Eric Camden

请允许我用一种传统的方式——引用词典中的定义开启这篇文章,即从科学的角度使用字典中对 "客观证据 "的定义:“如要称之为科学,调查方法必须遵循特定的推理原则收集可观察的、可验证的、可测量的证据。科学方法包括通过观察和试验收集数据,以及提出及测试假设。”1

将这一定义应用于J-STD-001H的第8章(也就是题目中提及的“3页纸”),我们可以了解为了符合新的要求都需要做些什么。从2020年开始,J-STD-001删除了行业一直使用的ROSE测试限值——1.56μg/cm2NaCl当量的离子或可电离的助焊剂残留物,很多公司都因此一愁莫展。

这种情况可以理解,毕竟该测试自上世纪70年代以来就是行业唯一公认的衡量PCBA离子清洁度的标准方法。我们来思考一下这句话,也就是说上世纪70年代人们制定这项标准时,是使用含有约35%固体的松香助焊剂生产组件,然后用破坏臭氧层的化学品进行清洗。那是流行使用油耗极大的陆地游艇、强力汽车、喇叭裤、厚底鞋、连鬓胡子的时代。那个时代早已过去,但虽然其他电子技术发生了改变,测试标准却没有改变。想想PCBA、它们的组件以及它们的制造方式发生了多少变化。

图1和图2展示了行业在加工能力和微型化技术上取得的巨大进步。但即使行业经历了如此巨变,验收标准在2020年前没有任何改变。当然也可以说即使完全删除了ROSE测试限值,标准也还是没有发生太大变化。

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图1和图2:上世纪70年代的PCBA和今天的PCBA2。

除此之外,我们还需要记住整个讨论中最重要的部分是什么:ROSE测试从未打算用于确定什么是合格的制造工艺。我们的想法是在生产过程中仅将其用作工艺监控工具,以检测重大变化。大多数组装厂很快就开始把ROSE测试用于工艺认证,因为说实话,大多情况下通过该测试并不难。通过这一测试会让人觉得使用的工艺流程值得信赖,符合业内已经颁布的标准,所有一切都进展顺利,可能是这样,也可能不是。

这是在技术高度先进的组件上采用过时的验收标准所带来的重大问题之一。虽然通过了测试,但没有具体的客观证据证明工艺流程和材料是可靠的,又有什么意义?数十年以来,很多制造商都没有思考过这部分内容。合同制造商只是一味制造产品,某些情况下,他们的产品清洁度并不足以满足产品预期的终端使用环境要求。通常这种缺陷体现为图3所示的组件出现与漏电有关的失效,这个组件已通过了ROSE测试。

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图3:通过了ROSE测试的组件

图3中的组件对电镀通孔(PTH)连接器引脚使用了手工焊接操作,这一流程是整个工艺流程中唯一会留下大量离子残留物的操作,但只要用整个表面区域的平均数值,就不会检测到存在问题。

这将是一个很好的时机,可以提出全板提取与重点关注区域或敏感部件的局部清洁度分析的话题-——但我离题了。关键是如果这家公司预先做了更多的测试,以确定测试用标准板的ROSE测试结果应该达到的要求,而不是盲目地采用1.56g/cm2这一数值,就可能会在小问题变为大问题之前发现问题。综上所述,我只想说,我们可以做得更好,这就是新的J-STD-001H标准的用武之地。

找到客观证据来满足新标准的要求并不像有些人认为的那样难以实现。基础数据可能已经以某种满足新要求的形式存在。我认为工艺流程的这一部分被许多人忽视,但它就在标准中用白纸黑字写着。J-STD-001H中8.1节列出了找到客观证据的3种方法。第2条注释提到要参考历史证据,查看退货、保修服务记录和失效分析结果等,表明导致失效的原因与清洁度或离子残留物无关。这种方式甚至不需要做任何新的分析就能满足标准要求。该方法属于“没坏就不用修”类别。

任何时候都没有人根据经验说1.56μg/cm2对产品和工艺无效,只需要证明这项测试可以表示PCB已经清洗干净。第3条注释是说在高温和湿度条件下,使用正常的操作电源对带电产品进行电气测试。在我看来,这是确定离子清洁度对现场操作影响的最重要测试。第1条注释要求组装厂使用某种测试板进行表面绝缘电阻(SIR)分析,最常见的是IPC B-52CRETPCB,使用实际制造产品用到的设备和材料组合,其中包括裸板阻焊膜、金属化、SMT焊膏助焊剂,以及用于PTH焊接的助焊剂。目的是尽可能模仿端终产品,看看组装过程中产生的产品在受到高温和高湿的影响时是否不会受到不利影响。这一测试通常与离子色谱分析法相结合,以确定组装后可接受的残留物量。一旦你有了成熟工艺,也可以将ROSE测试与SIR分析结合使用。如果计划使用ROSE测试监控工艺流程,那么使用你的内部ROSE测试仪来确定你的验收标准是什么,这一点非常重要。

SIR是新产品验收要求,因为显然那时还没有历史证据。IPC-WP-019B是很不错的文件,它详细介绍了我们如何去验证工艺可靠性,更重要的是,还介绍了接下来要如何做。我先坦白,我以主题专家(SME)的身份受邀参与了这份文件的开发,但可以向你保证,我的贡献微不足道。相信真正做出贡献的SME也会同意这一点。老实说,这篇文章也许可以提炼成一句话——“若想了解清洁度详情,可参考WP-019B文件。” 不知道为什么我现在才想到这一点,实际上。 本来可以节省我们所有人的时间。

WP-019B用28页篇幅来解释J-STD-001H中的3页内容,有力说明了清洁度的重要性。在WP-019文件中,有多个实例说明如何创建客观证据,根据CM规模的许多实例,以及何时需要根据微小变更和重大变更重新认证工艺流程。在我们的实验室,多年来一直在推荐类似的方法。

如果计划使用ROSE测试监控工艺流程,至少需要进行粗略的相关性研究。我说粗略的相关性,因为ROSE和IC测试之间无法一一对应比较。ROSE测试测量的是整个工艺中可溶材料的数量,并提供电阻率测量方法;IC确切地告知离子是什么及其数量。可以制造很多组线路板,一组50块(或一些便于统计的数字),然后用IC测试25块,用ROSE测试剩余的25块,看看平均值是多少。如果ROSE平均值低于1.56μg/cm2,说明结果不错;如果高于这个值,也不错。如果有历史数据表明PCB没有污染问题,而ROSE测试仪得出的平均值是20或200µg/cm2,这就是你需要对该特定组件使用的数字。

这带来了另一个重要问题:由于元件架构、密度和热质量的差异,需要分别认证每个产品。每个电路板都有自己独特的参数组合,可以而且很可能会在ROSE测试仪中产生不同的结果。所以我说不应该在切换焊膏类型时用空的回流焊炉设定温度曲线。校准、验证回流焊炉时,这样做是不错的主意,但是当在回流焊炉里放上PCB时,热负荷应该会对关键位置组装完成组件的测量产生影响。正如1.56µg/cm2清洁度要求不适用于所有组件一样,使用裸板验证回流焊温度曲线,然后将该温度曲线应用于所有使用该焊膏制造的电路板也很糟糕。这有点偏离主题,但在试图实现一个合格的制造过程时仍然很重要。

我完全相信,随着时间推移删除1.56 µg/cm2要求可以提升电子产品的整体质量和可靠性,因为我们不得不更谨慎地观察残留物对现在制造产品的影响。我觉得这点也并不像有些人想的那么难。我确信J-STD-001H第8章和WP-019B中已经提供了关于如何生成客观证据的信息。正如我之前多次提及,要对自己的工艺质量和可靠性负责,且J-STD-001H版标准可以帮助行业提升质量和可靠性。


参考内容

1.Objective Evidence, eduquest.net, February 7, 2000.

2.How CERN Made High Quality Electronics inthe 1970s, Hackaday.

Eric Camden任Foresite, Inc.公司首席调查员。

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