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(jié)合一種距離、光線傳感器失效問題，進(jìn)行問題調(diào)查，發(fā)現(xiàn)主要原因為：傳感器的增高板存在回流焊后受到熱沖擊導(dǎo)致過孔沉銅拉裂出現(xiàn)似接觸非接觸不穩(wěn)定的故障；最終通過增大過孔及用環(huán)氧樹脂堵孔的方式進(jìn)行設(shè)計后，問題得到最終解決。

關(guān)鍵詞：傳感器；失效機理；回流焊；沉銅

0 引言

科技發(fā)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(fā)出穿過蓋板并從物體反射回來的光，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)提供到傳感器芯片，控制亮滅屏；而光線傳感器是常規(guī)兩路光電二極管作為接收，光轉(zhuǎn)為電信號，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，通過對環(huán)境光數(shù)據(jù)和紅外數(shù)據(jù)相減得到可見光的數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)作為背光調(diào)節(jié)的依據(jù)。由于在使用過程中某廠家的距離、光線傳感器出現(xiàn)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(shè)計、器件結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)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(chǎn)測試過程中，功能測試崗位連續(xù)出現(xiàn)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(wěn)定現(xiàn)象，質(zhì)量不可控，生產(chǎn)測試不可控，極易流至售后，存在售后投訴隱患，嚴(yán)重影響手機產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)過程中出現(xiàn)10%的距離、光感測試失效，對此我們對故障樹進(jìn)行原因分析[3]。共找到7個問題原因（圖1），其中根據(jù)異常主板SN號追溯SPI測試數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，溫濕度按標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格管控，生產(chǎn)環(huán)境問題可以排除；員工均持證上崗，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行作業(yè)，經(jīng)驗豐富，且定期進(jìn)行考評，此項排除；對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(jìn)行驗證分析，發(fā)現(xiàn)故障品存在以下異常導(dǎo)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(jìn)行對調(diào)測試功能，發(fā)現(xiàn)故障品與正常品結(jié)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)有氧化、黑色油墨上焊盤現(xiàn)象，底部油墨偏多，局部堆高，導(dǎo)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(dǎo)致功能失效，如圖4所示。③用萬用表測量墊高板兩端導(dǎo)通情況，發(fā)現(xiàn)故障品上下焊盤存在開路情況而正常品導(dǎo)通，如圖5所示。將故障傳感器墊高板做金相實驗，發(fā)現(xiàn)傳感器下面墊高板存在過孔不通，沉銅斷開，導(dǎo)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(fā)現(xiàn)黑色物質(zhì)，如圖7所示。分析為PCB在鉆孔過程鉆頭高速旋轉(zhuǎn)后，鉆頭發(fā)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(chǎn)工藝分析

經(jīng)過對廠家生產(chǎn)工藝排查，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)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(dǎo)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(guī)律錫珠導(dǎo)致虛焊；

3）對PCB過孔時鉆頭高速旋轉(zhuǎn)發(fā)熱易燒黑板材，但后續(xù)清潔力度不夠，導(dǎo)致異物殘留，出現(xiàn)沉銅斷層現(xiàn)象。

3 傳感器失效整改措施

3.1 整改方案

通過長期生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(xiàn)，說明廠家沒從根本上解決。經(jīng)過對廠家的生產(chǎn)過程隱患點進(jìn)行排查，加以實驗驗證，從工藝流程、器件結(jié)構(gòu)、檢驗工序三個方面優(yōu)化并制定有效的解決方案。

1）工藝流程：從鋼網(wǎng)厚度、錫膏量等方面優(yōu)化工藝參數(shù)，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(dǎo)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(jìn)行全檢，并增加測試治具限位裝置，避免虛焊/假焊產(chǎn)品因測試壓力過大而造成誤判導(dǎo)致不良品流出；

3）器件結(jié)構(gòu)：增加PCB鍍銅層厚度可減少斷層現(xiàn)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(jié)構(gòu)、產(chǎn)品可靠性進(jìn)行全面評估，檢查能否達(dá)到預(yù)期整改水平。

1）結(jié)構(gòu)分析：將整改前后的傳感器放入X-Ray進(jìn)行觀察，整改后的墊高板沉銅均勻，無過孔不通、斷層現(xiàn)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(jù)公司《傳感器檢驗規(guī)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(xiàn)破損、缺損現(xiàn)象。對整改后的墊高板進(jìn)行金相切片，孔壁厚度符合標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎn)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(huán)氧膠后回流焊高溫驗證，在-10±2 ℃、60±2 ℃環(huán)境下各保持30 min，循環(huán)20次，實驗結(jié)果如表1。

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

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

可以看出，整改前傳感器在不同實驗環(huán)境下均存在失效現(xiàn)象，測試不可控，無法保證生產(chǎn)穩(wěn)定性，而整改后傳感器功能均無異常，產(chǎn)品可靠性強，整改效果明顯。

4 傳感器失效整改總結(jié)

對整改后的傳感器進(jìn)行全面評估，整改后性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)要求符合預(yù)期，從實驗結(jié)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(jù)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)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(xiàn)的多種問題進(jìn)行分析整改，從器件結(jié)構(gòu)、制造工藝、檢驗工序進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并加以實驗論證，從根本上有效改善了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 裴春梅，楊秀清，王貴明.傳感器在智能手機中的應(yīng)用[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009（10X）：108-109.

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

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