一種距離光線(xiàn)傳感器失效分析及整改

0   引言

科技發(fā)展的時(shí)代，我們對于手機功能及用戶(hù)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(xiàn)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(pán)傳感器等。距離傳感器工作原理^[2] 是通過(guò)紅外傳感接收由IR LED 發(fā)出穿過(guò)蓋板并從物體反射回來(lái)的光，經(jīng)過(guò)模/ 數轉換將數據提供到傳感器芯片，控制亮滅屏；而光線(xiàn)傳感器是常規兩路光電二極管作為接收，光轉為電信號，進(jìn)行模/ 數轉換，通過(guò)對環(huán)境光數據和紅外數據相減得到可見(jiàn)光的數據，以此數據作為背光調節的依據。由于在使用過(guò)程中某廠(chǎng)家的距離、光線(xiàn)傳感器出現了失效，為了從根本上分析解決傳感器失效問(wèn)題，本文將從傳感器失效機理、工藝設計、器件結構等方面進(jìn)行分析，制定整改措施并通過(guò)實(shí)驗驗證其可靠性。

1   背景

在某型號手機生產(chǎn)測試過(guò)程中，功能測試崗位連續出現多單距離、光線(xiàn)傳感器失敗故障機下線(xiàn)，且該故障存在失效不穩定現象，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，嚴重影響手機產(chǎn)品質(zhì)量和用戶(hù)實(shí)際體驗，問(wèn)題急需解決。

2   傳感器失效原因分析

手機生產(chǎn)過(guò)程中出現10% 的距離、光感測試失效，對此我們對故障樹(shù)進(jìn)行原因分析[3]。共找到7 個(gè)問(wèn)題原因( 圖1)，其中根據異常主板SN 號追溯SPI 測試數據無(wú)異常，均為一次性測試通過(guò)，說(shuō)明錫膏印刷過(guò)程無(wú)異常，失效原因為傳感器本體異常，此項排除；車(chē)間按照無(wú)塵標準進(jìn)行生產(chǎn)，溫濕度按標準嚴格管控，生產(chǎn)環(huán)境問(wèn)題可以排除；員工均持證上崗，按標準進(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)設備進(jìn)行檢查，發(fā)現廠(chǎng)家自動(dòng)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(pán)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)現故障品存在以下異常導致功能失效，傳感器實(shí)物如圖2 所示。①將故障品與正常品的IC 進(jìn)行對調測試功能，發(fā)現故障品與正常品結論不變，說(shuō)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(guān)察墊高板底部焊盤(pán)，發(fā)現異常腳底部焊盤(pán)不上錫，對比正常腳錫量飽滿(mǎn)，如圖3 所示。在放大鏡下觀(guān)察異常物料焊盤(pán)，發(fā)現有氧化、黑色油墨上焊盤(pán)現象，底部油墨偏多，局部堆高，導致物料腳與錫膏有高度差，焊接時(shí)無(wú)法與錫膏有效接觸，上錫異常導致功能失效，如圖4 所示。③用萬(wàn)用表測量墊高板兩端導通情況，發(fā)現故障品上下焊盤(pán)存在開(kāi)路情況而正常品導通，如圖5 所示。將故障傳感器墊高板做金相實(shí)驗，發(fā)現傳感器下面墊高板存在過(guò)孔不通，沉銅斷開(kāi)，導致上下焊盤(pán)開(kāi)路，使傳感器故障，如圖6 所示。用砂紙磨開(kāi)過(guò)孔位置有發(fā)現黑色物質(zhì)，如圖7 所示。分析為PCB 在鉆孔過(guò)程鉆頭高速旋轉后，鉆頭發(fā)熱燒黑板材后殘留的粉塵，后道清洗工序沒(méi)有處理干凈所致。

2.2 廠(chǎng)家生產(chǎn)工藝分析

經(jīng)過(guò)對廠(chǎng)家生產(chǎn)工藝排查，發(fā)現生產(chǎn)過(guò)程中存在如下諸多隱患點(diǎn)。

1）墊高板鉆孔完成后沉銅（過(guò)孔在傳感器焊盤(pán)上），過(guò)孔孔壁與焊盤(pán)交接處會(huì )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(guò)孔，即在焊盤(pán)上過(guò)孔位置處灌塞油墨，存在油墨灌塞偏多導致上焊盤(pán)、過(guò)孔位置高于焊盤(pán)高度，造成傳感器接觸不良；

2）PCB 在自動(dòng)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(shí)超出焊盤(pán)外，形成不規律錫珠導致虛焊；

3）對PCB 過(guò)孔時(shí)鉆頭高速旋轉發(fā)熱易燒黑板材，但后續清潔力度不夠，導致異物殘留，出現沉銅斷層現象。

3   傳感器失效整改措施

3.1 整改方案

通過(guò)長(cháng)期生產(chǎn)數據分析，該廠(chǎng)家不同批次的物料存在不同類(lèi)型的問(wèn)題，異常問(wèn)題不斷出現，說(shuō)明廠(chǎng)家沒(méi)從根本上解決。經(jīng)過(guò)對廠(chǎng)家的生產(chǎn)過(guò)程隱患點(diǎn)進(jìn)行排查，加以實(shí)驗驗證，從工藝流程、器件結構、檢驗工序三個(gè)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，提高精度，將焊盤(pán)上過(guò)孔孔徑由0.35 mm 擴至0.45 mm，由原過(guò)孔塞油墨改為填塞樹(shù)脂工藝，版面看不到過(guò)孔，版面平整，傳感器與墊高板能良好導通；

2）檢驗工序：對自動(dòng)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(guò)大而造成誤判導致不良品流出；

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

1）結構分析：將整改前后的傳感器放入X-Ray 進(jìn)行觀(guān)察，整改后的墊高板沉銅均勻，無(wú)過(guò)孔不通、斷層現象，對比如圖8 所示。焊盤(pán)過(guò)孔由原先的油墨填塞工藝改為樹(shù)脂填塞工藝，更改后的焊盤(pán)版面完整，上錫正常，如圖9 所示。根據公司《傳感器檢驗規范》文件，要求PCB 墊高板過(guò)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破損、缺損現象。對整改后的墊高板進(jìn)行金相切片，孔壁厚度符合標準，沉銅均勻無(wú)異常，如圖10、圖11 所示。

2） 實(shí)驗分析： 針對傳感器更改了多項生產(chǎn)工藝，安排實(shí)驗驗證其可靠性。對500 pcs 整改前與整改后的傳感器過(guò)孔增加點(diǎn)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(shí)驗結果如表1。

將傳感器組裝成整機進(jìn)行連續工作老化試驗48 h，分別在老化12 h、24 h、48 h 試驗后進(jìn)行功能測試，實(shí)驗結果如表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(dòng)30 min，測試傳感器功能，實(shí)驗結果如表3。

可以看出，整改前傳感器在不同實(shí)驗環(huán)境下均存在失效現象，測試不可控，無(wú)法保證生產(chǎn)穩定性，而整改后傳感器功能均無(wú)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

對整改后的傳感器進(jìn)行全面評估，整改后性能參數、結構要求符合預期，從實(shí)驗結果來(lái)看，整改后傳感器可靠性強，整改效果明顯。廠(chǎng)家整改之后，根據生產(chǎn)過(guò)程數據顯示無(wú)沉銅不良異常，整改效果明顯。本次通過(guò)傳感器物料在使用過(guò)程中的異常反饋，對實(shí)際出現的多種問(wèn)題進(jìn)行分析整改，從器件結構、制造工藝、檢驗工序進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并加以實(shí)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：

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

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

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

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年4月期）