一种距离光线传感器失效分析及整改

0   引言

科技发展的时代，我们对于手机功能及用户体验方面要求更高，而传感器就是手机获取更多功能和更好体验非常重要的一部分。手机集成的传感器包括^[1]：距离传感器、光线传感器、加速度传感器、指纹传感器、压力传感器、重力传感器、电子罗盘传感器等。距离传感器工作原理^[2] 是通过红外传感接收由IR LED 发出穿过盖板并从物体反射回来的光，经过模/ 数转换将数据提供到传感器芯片，控制亮灭屏；而光线传感器是常规两路光电二极管作为接收，光转为电信号，进行模/ 数转换，通过对环境光数据和红外数据相减得到可见光的数据，以此数据作为背光调节的依据。由于在使用过程中某厂家的距离、光线传感器出现了失效，为了从根本上分析解决传感器失效问题，本文将从传感器失效机理、工艺设计、器件结构等方面进行分析，制定整改措施并通过实验验证其可靠性。

1   背景

在某型号手机生产测试过程中，功能测试岗位连续出现多单距离、光线传感器失败故障机下线，且该故障存在失效不稳定现象，质量不可控，生产测试不可控，极易流至售后，存在售后投诉隐患，严重影响手机产品质量和用户实际体验，问题急需解决。

2   传感器失效原因分析

手机生产过程中出现10% 的距离、光感测试失效，对此我们对故障树进行原因分析[3]。共找到7 个问题原因( 图1)，其中根据异常主板SN 号追溯SPI 测试数据无异常，均为一次性测试通过，说明锡膏印刷过程无异常，失效原因为传感器本体异常，此项排除；车间按照无尘标准进行生产，温湿度按标准严格管控，生产环境问题可以排除；员工均持证上岗，按标准进行作业，经验丰富，且定期进行考评，此项排除；对生产设备进行检查，发现厂家自动送料轨道存在偏移，此项为异常原因之一；剩余的IC 功能、焊盘上锡异常、沉铜不良需要进一步分析验证。

2.1 传感器失效分析

将故障品物料与正常品物料进行验证分析，发现故障品存在以下异常导致功能失效，传感器实物如图2 所示。①将故障品与正常品的IC 进行对调测试功能，发现故障品与正常品结论不变，说明IC 功能正常，所以锁定垫高板为传感器异常原因之一。②观察垫高板底部焊盘，发现异常脚底部焊盘不上锡，对比正常脚锡量饱满，如图3 所示。在放大镜下观察异常物料焊盘，发现有氧化、黑色油墨上焊盘现象，底部油墨偏多，局部堆高，导致物料脚与锡膏有高度差，焊接时无法与锡膏有效接触，上锡异常导致功能失效，如图4 所示。③用万用表测量垫高板两端导通情况，发现故障品上下焊盘存在开路情况而正常品导通，如图5 所示。将故障传感器垫高板做金相实验，发现传感器下面垫高板存在过孔不通，沉铜断开，导致上下焊盘开路，使传感器故障，如图6 所示。用砂纸磨开过孔位置有发现黑色物质，如图7 所示。分析为PCB 在钻孔过程钻头高速旋转后，钻头发热烧黑板材后残留的粉尘，后道清洗工序没有处理干净所致。

2.2 厂家生产工艺分析

经过对厂家生产工艺排查，发现生产过程中存在如下诸多隐患点。

1）垫高板钻孔完成后沉铜（过孔在传感器焊盘上），过孔孔壁与焊盘交接处会形成电镀铜与焊接基材覆铜焊接带，然后再做阻焊，阻焊完成再做油墨填塞过孔，即在焊盘上过孔位置处灌塞油墨，存在油墨灌塞偏多导致上焊盘、过孔位置高于焊盘高度，造成传感器接触不良；

2）PCB 在自动送料轨道夹持中固定不好或PCB 工艺边有异物造成夹持位置不平整，锡膏在印刷时超出焊盘外，形成不规律锡珠导致虚焊；

3）对PCB 过孔时钻头高速旋转发热易烧黑板材，但后续清洁力度不够，导致异物残留，出现沉铜断层现象。

3   传感器失效整改措施

3.1 整改方案

通过长期生产数据分析，该厂家不同批次的物料存在不同类型的问题，异常问题不断出现，说明厂家没从根本上解决。经过对厂家的生产过程隐患点进行排查，加以实验验证，从工艺流程、器件结构、检验工序三个方面优化并制定有效的解决方案。

1）工艺流程：从钢网厚度、锡膏量等方面优化工艺参数，提高精度，将焊盘上过孔孔径由0.35 mm 扩至0.45 mm，由原过孔塞油墨改为填塞树脂工艺，版面看不到过孔，版面平整，传感器与垫高板能良好导通；

2）检验工序：对自动送料轨道及PCB 工艺边全面检查，用20 倍镜45°斜角显微镜对上锡量进行全检，并增加测试治具限位装置，避免虚焊/ 假焊产品因测试压力过大而造成误判导致不良品流出；

3）器件结构：增加PCB镀铜层厚度可减少断层现象，在清洗工序增加超声波和高压冲洗工序，防止粉尘残留。

3.2 整改效果评估

对整改后传感器的性能结构、产品可靠性进行全面评估，检查能否达到预期整改水平。

1）结构分析：将整改前后的传感器放入X-Ray 进行观察，整改后的垫高板沉铜均匀，无过孔不通、断层现象，对比如图8 所示。焊盘过孔由原先的油墨填塞工艺改为树脂填塞工艺，更改后的焊盘版面完整，上锡正常，如图9 所示。根据公司《传感器检验规范》文件，要求PCB 垫高板过孔沉铜厚度平均值不小于20 μm，最小值不小于18 μm，孔角及孔壁铜层不均出现破损、缺损现象。对整改后的垫高板进行金相切片，孔壁厚度符合标准，沉铜均匀无异常，如图10、图11 所示。

2） 实验分析： 针对传感器更改了多项生产工艺，安排实验验证其可靠性。对500 pcs 整改前与整改后的传感器过孔增加点环氧胶后回流焊高温验证，在-10±2 ℃、60±2 ℃环境下各保持30 min，循环20 次，实验结果如表1。

将传感器组装成整机进行连续工作老化试验48 h，分别在老化12 h、24 h、48 h 试验后进行功能测试，实验结果如表2。

对整改前后的样品装100 台整机进行50 ℃高温烘烤6 h 之后，进行随机振动30 min，测试传感器功能，实验结果如表3。

可以看出，整改前传感器在不同实验环境下均存在失效现象，测试不可控，无法保证生产稳定性，而整改后传感器功能均无异常，产品可靠性强，整改效果明显。

4   传感器失效整改总结

对整改后的传感器进行全面评估，整改后性能参数、结构要求符合预期，从实验结果来看，整改后传感器可靠性强，整改效果明显。厂家整改之后，根据生产过程数据显示无沉铜不良异常，整改效果明显。本次通过传感器物料在使用过程中的异常反馈，对实际出现的多种问题进行分析整改，从器件结构、制造工艺、检验工序进行优化改进，并加以实验论证，从根本上有效改善了产品质量和可靠性，提高了生产效率。

参考文献：

[1] 裴春梅,杨秀清,王贵明.传感器在智能手机中的应用[J].湖南农业大学学报:自然科学版,2009(10X):108-109.

[2] 孙晶.传感器的原理与应用研究[J].科技咨询,2011(21):4.

[3] 戴俊夫,严明.电子元器件失效分析技术及方法[J].微机处理,2015(4):1.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年4月期）