传感器失效分析及整改方案

文章结合一种距离、光线传感器失效问题，进行问题调查，发现主要原因为：传感器的增高板存在回流焊后受到热冲击导致过孔沉铜拉裂出现似接触非接触不稳定的故障；最终通过增大过孔及用环氧树脂堵孔的方式进行设计后，问题得到最终解决。

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：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。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。