航空电子产品电子装联焊接缺陷检测技术研究

关键词：航空电子产品；AOI检测；X射线检测；飞针检测；金相切片检测

中图分类号：TN605 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）36-00131-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

航空装备制造业的快速发展对航空电子产品质量提出了更高要求。当前元器件逐渐向小型化、集成化、高密度封装趋势发展，使航空电子产品在体量和结构上产生巨大变化，呈现出“轻、薄、短、小”、结构复杂、可靠性要求高等特点。由于在生产过程中容易产生焊接缺陷且种类繁多，而产品的焊接质量是影响设备可靠性的关键因素，因此对航空电子产品的检测水平提出更高挑战。

为了保证航空电子产品的焊接质量，论文研究了不同检测手段的检测能力和应用范围。通过选用合适的检测技术，尽可能减少焊接缺陷，提高产品的可靠性。

1 电子装联焊接缺陷

按照表现形式划分，电子装联焊接缺陷主要有两种：一种是元器件错贴、漏贴和贴反或偏移、起翘和立碑；另一种是元器件引脚缺焊、漏焊、虚焊、桥连、少锡、孔洞等。

由于电子装联工艺繁杂、工序繁多，在生产过程中不可避免会出现质量缺陷，无论是哪种缺陷，都会对电子产品造成危害。刘湘琼等[1]指出，在军用电子产品方面，其对于电子产品稳定性的要求非常严格，在军事领域高密度电子产品装联的不合格率要求不超过0.05‰。随着电子装联技术的快速发展，仅采用人工目检的方式已逐渐不能满足其检测需求，这必然要求我们采用更为先进的自动化检测设备及工艺来减少产品的焊接缺陷。

2 焊接缺陷检测技术

目前，在电子装联生产过程中焊接缺陷检测的方法主要有破坏性检测和非破坏性检测。非破坏性检测方法包括：目视/显微镜检测、AOI检测、X射线检测、飞针检测和超声检测等，破坏性检测包括金相切片检测、染色及渗透检测等。

2.1 目视/显微镜检测

目视/显微镜检测作为最直观、最便捷的检测技术，可用于观察电子产品焊接缺陷，广泛应用于电子装联生产过程的各个工序。该技术可检测大部分表贴和通孔器件是否起翘、偏移，与焊盘之间是否存在虚焊、漏焊、桥接和堆焊不润湿，印制板表面是否有多余物或存在焊盘铜箔翘起、脱落等。

然而，这种检测技术效率低下，不适用于多品种、小批量的电子产品检测。单一印制板或模块上的电子元器件型号可达上百种，元器件数量可达上千个，器件封装尺寸小，如现场操作人员和检验人员仅通过目视/显微镜判断器件，不仅耗时费力，而且缺少实际检测数据，使得检测效率低下，检测结果可靠性有待提高。对于批量电子产品，尚可通过目视/显微镜对经常发生故障的器件重点检测。但对于多品种、小批量生产的电子产品，为了保证产品的焊接质量，还应采用其他检测技术。

2.2 AOI检测技术

AOI检测技术即自动光学检测技术（Automated Optical Inspection， AOI） ，是一种基于视觉图像采集与分析、软件可视化处理和自动化控制的检测技术，可用于元器件焊接缺陷检测和反馈[2]。AOI检测工序一般位于元器件表面贴装工序或回流焊接或波峰焊接工序之后，对于不同工序，其进行AOI检测的侧重点也不相同。表面贴装后的AOI检测工序主要用于元器件的贴装检测，即检测元器件是否有偏移、漏贴或错贴，以减少返修和器件浪费；回流焊接、波峰焊接后的AOI检测工序主要用于检测元器件的焊接质量，检测产品是否存在元器件缺失、偏移、翘脚和焊点桥连等缺陷。AOI设备编程简单、操作性强，能够覆盖大部分表贴器件的焊接缺陷，常用于电子装联过程中的质量控制。

这项技术的突出特点还包括在其基础上开发的3D AOI 检测技术具有更高检测准度和速度。由于AOI设备一般仅配备一个摄像头，只能通过特定光源从产品的正上方拍照，对于元器件引脚翘脚及器件浮高、虚焊、少锡等缺陷容易漏报，如LCC封装的器件的侧边引脚焊锡无法通过AOI进行检测，较高零件旁边的零件由于“阴影效应”也难以通过AOI进行检测。相比之下，3D AOI采用了多个方向的投射光源，可通过3D的立体影像模型来检测和分析表面缺陷、焊点连接质量、组件位置等，检测范围广，具有更高的检测准确性和检测速度。此外，3D AOI技术具有人工智能介入检测技术的发展前景，即利用计算机视觉、深度学习等技术的赋能，引入人工智能模型，不断优化工艺方法，不仅可减少3D AOI设备编程工作量和检测时间，使设备能够自主判定零件焊接质量，降低设备的误报率，还可减少操作人员的误判和作业疲劳，进一步提高设备的检测效率[3]。

由于AOI设备主要通过可见光进行成像，只能对产品进行外观检测，无法穿透物体进行观察，因此对于器件底部有焊盘的器件（如BGA和QFN） 无法使用AOI来检测其焊点，必要时还须结合X射线检测技术对器件底部焊盘焊点进行检测。

2.3 X 射线检测技术

X射线检测技术是基于不同材料对X射线的吸收、散射程度不同的原理，可用于观察物质内部的结构和缺陷情况[4]。在电子装联生产过程中，该技术可检测的对象包括球栅阵列器件（Ball Grid Array，BGA） ，方形扁平无引脚封装（QFN） 、芯片级封装（CSP） 、倒装芯片（flip chip） 、底部大面积焊盘的器件和部分通孔型器件（THT） 等，具体检测内容例如器件引脚的偏移、桥连，焊盘周围多余物，BGA焊球的空洞、缺失、大小球，通孔器件引脚的不润湿、透锡不足和爬锡过高等缺陷。

这项技术存在一定的局限性，例如检测分辨率不高，只能以二维形式观察元器件及焊点形貌；对于引脚较多的器件，X光多角度旋转检测效果较差，无法辨别器件的焊接状态。

工业CT利用X射线穿透物体的特性，通过多次扫描和切片重叠技术，可重构物体的三维模型。该设备除了能检测BGA 焊球的位置、形状等，亦可对于BGA虚焊、熔合不良（如“枕头效应”） 和焊球的微裂纹，对多引脚器件某些脱焊或润湿不良的引脚进行独立观察。牛浩浩等[5]针对某单模块的BGA器件进行检测，总耗时不超过10min，可满足航空电子产品“小批量、多品种”特点的检测要求，具有一定的工程应用可行性。工业CT将逐渐成为检测技术的主流，其技术特点符合电子装联行业发展的需要。

2.4 飞针检测技术

飞针检测随机数是通过控制可移动探针在印制板上移动来检测印制板的短路、开路和元器件阻抗等。本节之前所述目视/显微镜检测、AOI检测和X射线检测均为光学检测，对于功能性和元器件失效等问题无法判断。相比之下，在生产过程中引入飞针检测，可降低排故和返修的成本，降低产品的故障率，减少模块调试时间[6]。

由于飞针检测是通过探针逐点检测，测试时间一般需几个小时，在测试过程中探针还须扎入焊点，在焊点采集处会留下探针坑，对于军品的稳定性来说存在一定的焊接隐患。此外，对于没有焊盘的器件，探针会直接与器件的引脚接触，可能会错过引脚焊接不良或松动的器件。

2.5 金相切片检测技术

金相切片是一种倒查追溯的检测技术，即通过对产品进行金相切片和失效分析，以确认焊接缺陷产生的原因[7]。通过取样、镶嵌、切片、研磨抛光和表面腐蚀等工序制备样品，然后将样品放置在显微镜下观察，分析产品的焊接状态、成分及结构，最后结合产品的焊接工艺、工艺参数、元器件状态确认产品失效原因。

对于焊接缺陷、金属间化合物层的失效分析，金相切片检测技术具有显著优势。通过对焊点缺陷（如焊接裂纹、孔洞、引脚爬锡不足和焊点形状异常等） 和金属间化合物层（IMC，一般行业标准为0.5～5μm） 进行失效分析，有助于确定电子装联过程中缺陷产生的工序及原因，改善电子装联工艺，降低产品的故障率。

然而，金相切片检测技术具有破坏性，且检测周期长，检测成本高等特点，无法对所有产品均进行检测，因此多用于产品研发或适量抽检的生产场合，存在应用范围的局限性。

2.6 其他检测技术

除上述检测技术外，电子产品的缺陷检测还包括超声波检测、染色与渗透检测。超声波检测是利用超声波束能透入焊点的深处，由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检测焊点的缺陷。刘洋等[8]采用激光超声检测技术对BGA器件进行检测，结果表明BGA焊点的缺陷可有效定位和表征。染色与渗透检测是通过染色剂渗透至焊点裂纹，通过分析染色的面积来判断焊点的失效模式和失效焊点分布情况。高蕊等[9]采用染色与渗透检测BGA焊点缺陷，结果表明BGA焊点常见失效模式可有效表征。由于染色与渗透实验属于破坏性实验，一般与X射线、金相切片等检测技术相结合，综合判定焊点缺陷产生的原因及失效机理。

2.7 检测技术对比与分析

对上述各检测技术对比与分析，结果如表1所示。

由表1可知，各种检测技术在电子装联中均发挥着重要作用，各自彰显着独特的优势与不可避免的局限性。在实际生产中，应根据产品的具体需求、成本预算及生产流程等，通过灵活选择单一或多种检测手段组合的方式，提高电子装联产品的质量和可靠性。

3 结束语

随着航空电子产品向小型化、集成化和精密化方向发展，传统检测方法各具优势和局限性。为了提高检测的准度和精度，确保电子产品质量的可靠性，现阶段应立足检测目的、生产环节、成本控制等，灵活选用单一或多种检测技术组合的实施方案。

为了满足航空电子产品的高标准需求，减少产品的焊接缺陷，实现检测技术的全面、系统性提升，对行业未来发展提出如下建议：（1） 深入研究焊接变形开裂及缺陷产生机理，优化检测技术参数，提高检测的精准度；（2） 根据实践总结，建立和完善航空电子产品的检测标准，作为航空电子产品可靠性的依据；（3） 结合人工智能、大数据、机器视觉等新兴技术，研发新型在线检测设备，实现组织及缺陷的在线检测。