一種距離光線傳感器失效分析及整改

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，經過模/ 數(shù)轉換將數(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，光轉為電信號，進行模/ 數(shù)轉換，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、工藝設計、器件結構等方面進行分析，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，質量不可控，生產測試不可控，極易流至售后，存在售后投訴隱患，嚴重影響手機產品質量和用戶實際體驗，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；車間按照無塵標準進行生產，溫濕度按標準嚴格管控，生產環(huán)境問題可以排除；員工均持證上崗，按標準進行作業(yè)，經驗豐富，且定期進行考評，此項排除；對生產設備進行檢查，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行驗證分析，發(fā)現(xiàn)故障品存在以下異常導致功能失效，傳感器實物如圖2 所示。①將故障品與正常品的IC 進行對調測試功能，發(fā)現(xiàn)故障品與正常品結論不變，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，上錫異常導致功能失效，如圖4 所示。③用萬用表測量墊高板兩端導通情況，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，如圖7 所示。分析為PCB 在鉆孔過程鉆頭高速旋轉后，鉆頭發(fā)熱燒黑板材后殘留的粉塵，后道清洗工序沒有處理干凈所致。

2.2 廠家生產工藝分析

經過對廠家生產工藝排查，發(fā)現(xiàn)生產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)律錫珠導致虛焊；

3）對PCB 過孔時鉆頭高速旋轉發(fā)熱易燒黑板材，但后續(xù)清潔力度不夠，導致異物殘留，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。經過對廠家的生產過程隱患點進行排查，加以實驗驗證，從工藝流程、器件結構、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行全檢，并增加測試治具限位裝置，避免虛焊/ 假焊產品因測試壓力過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(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構、產品可靠性進行全面評估，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行金相切片，孔壁厚度符合標準，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，實驗結果如表1。

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

對整改前后的樣品裝100 臺整機進行50 ℃高溫烘烤6 h 之后，進行隨機振動30 min，測試傳感器功能，實驗結果如表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，無法保證生產穩(wěn)定性，而整改后傳感器功能均無異常，產品可靠性強，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行全面評估，整改后性能參數(shù)、結構要求符合預期，從實驗結果來看，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)的多種問題進行分析整改，從器件結構、制造工藝、檢驗工序進行優(yōu)化改進，并加以實驗論證，從根本上有效改善了產品質量和可靠性，提高了生產效率。

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)大學學報:自然科學版,2009(10X):108-109.

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

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

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年4月期）