критерии выбора установки рентгеновского контроля: необходимо и достаточно

Понедельник, 25 января 2016.

А.Гаранин garanin@tecnew.ru

Автоматическая оптическая проверка собранных печатных плат становится обязательным этапом технологического процесса в связи с уменьшением габаритов ПП и одновременным увеличением количества и сложности устанавливаемых компонентов. Системы автоматической оптической инспекции (АОИ) уже заняли свое место на предприятиях электронной промышленности. АОИ позволяет наладить непрерывный контроль за качеством сборки печатных плат, визуально проверить номинал установленных чипкомпонентов, маркировку и полярность микросхем. Оптическая инспекция также позволяет проверять качество получаемых паяных соединений выводных компонентов, но имеет свои физические ограничения. При использовании микросхем в корпусах BGA, CSP, Flipchip рентгеноскопия становится незаменимым инструментом в производстве электронных приборов. Поэтому очень важно определить, какая именно установка нужна для конкретного производства и по каким критериям ее выбирать.

В существующих условиях промышленного производства установки рентгеноскопической инспекции могут использоваться как для проверки части компонентной базы на наличие контрафактных "серых" микросхем и качества конечного изделия, так и для контроля технологического процесса сборки и проверки установочных партий печатных плат (рис.1).

Наиболее эффективным с точки зрения уменьшения расходов на ремонт и других затрат, связанных с некачественной сборкой, является совместное использование различных типов неразрушающего контроля. Но в условиях серийного производства ответственных изделий вопрос оперативного технологического контроля и оборудования для него – один из самых важных.

Установка рентгеноскопической инспекции FocalSpot Verifier

Рис.1. Установка рентгеноскопической инспекции FocalSpot Verifier


Остановимся подробно на проблеме выбора установки рентгеновского контроля: постараемся решить, на что нужно обратить внимание при выборе подобного оборудования, если руководствоваться принципом "необходимо и достаточно".

Рис.2. Принципиальная схема установки рентгено- скопической инспекции: 1 – рентгеновская трубка; 2 – манипулятор образцов; 3 – детектор рентгенов- ских лучей; 4 – камера; 5 – процессор обработки изображений

Рис.2. Принципиальная схема установки рентгено- скопической инспекции:

1 – рентгеновская трубка; 2 – манипулятор образцов;

3 – детектор рентгенов- ских лучей; 4 – камера;

5 – процессор обработки изображений


Удобней и эффективней применять на реальном производстве системы рентгеновской двумерной инспекции. Для определения критериев выбора этих систем рассмотрим принципиальную схему установки (рис.2), важнейшие ее блоки и характеристики.

Состав рентгеноскопической установки:

  • рентгеновская трубка (источник). Вакуумная трубка содержит катод и вольфрамовую "мишень" – анод. Мишень бомбардируется электронами. Чем выше напряжение, тем выше способность проникновения в плотные объекты;
  • манипулятор образцов (держатель плат) располагает контролируемый образец на пути прохождения рентгеновских лучей, вращает и наклоняет образец между источником и детектором;
  • детектор рентгеновских лучей (сцинтиллятор или уси_ литель изображения). Усилитель изображения конвертирует рентгеновские лучи в видимый свет (фотоны), затем усиливает эти низкоуровневые фотоны до видимого изображения в реальном времени, делая возможным использование малых доз рентгеновского излучения во время инспекции;
  • камера (объектив и ПЗС-матрица). Оптика фокусируется и увеличивает изображение, а ПЗСматрица конвертирует видимый свет в электронные сигналы (черно-белое видео);
  • процессор обработки изображений (компьютер, устрой_ ство захвата изображения (Frame Grabber) и программ_ ное обеспечение). Устройство захвата изображения конвертирует аналоговый видеосигнал в цифровой сигнал и показывает полученное изображение в реальном времени. Процессор обработки изображений имеет инструменты для улучшения, анализа, измерения и отчета о качественных характеристиках изображений инспектируемого образца.


Важнейшими параметрами при выборе системы рентгеновского контроля являются следующие.

Разрешение рентгеновской трубки. Размер фокусного пятна изменяется в соответствии с мощностью электронного пучка. При увеличении напряжения на источнике рентгеновских лучей размер пятна меняется от нанодо микрофокусного размера (обеспечивается проникновение луча на большую глубину материала образца).
Надо сказать, что разрешение получаемого изображения исследуемого образца напрямую зависит от размера фокусного пятна, т.е. от размера участка поверхности мишени рентгеновской трубки, на которой преимущественно тормозится электронный пучок, от которого исходит рентгеновское излучение. Размер фокусного пятна характеризует способность рентгеновских трубок фокусировать пучок электронов. Размытые границы изображения (полутень) тоже зависят от размера фокусного пятна.

Увеличение и поле обзора (FOV). Чтобы просматривать как можно большую область и минимизировать время, требуемое для полного осмотра печатной платы, необходимо соблюдать оптимальный баланс между увеличением (детализация инспекции) и полем обзора (область инспекции).
При большом увеличении поле обзора уменьшается, уменьшается и скорость, с которой можно инспектировать плату полностью. Поэтому можно сказать, что скорость инспекции будет зависеть от квалификации персонала.

Рис.3. Размещение образца под углом 30°

Рис.3. Размещение образца под углом 30°

Манипулирование образцом (инспекция образца под углом). Для контроля формы электрического соединения (рис.3), когда установленные на различных сторонах печатной платы компоненты мешают четкому просмотру деталей, идеален просмотр образца под углом от 0 до 40°.
Системы манипуляции образцами (например, вращательные зажимы) могут быть ручными, механизированными или автоматическими (рис.4).

Рис.4. Системы манипуляции

Рис.4. Системы манипуляции

Для определения дефектов формы, размера электрических паяных соединений образец вращается, что особенно важно при контроле двусторонних плат, где верхние и нижние компоненты могут затемнять изображение деталей объекта.

Просмотр образца под углом выявляет:

  • форму и размер электрического соединения;
  • качество оплавления (постоянство формы);
  • расположение пустот и разорванных соединений;
  • целостность паяных соединений;
  • затемнения (многослойные).


Для более глубокого изучения образцов может быть использована дополнительная система позиционирования мишени и самой рентгеновской трубки (рис.5). В этом случае появляются дополнительные степени свободы, что позволяет добиться более четкого изображения под различными углами и увеличением.

Рентгеновские трубки. Различают два типа:открытые и закрытые.

Рис.5. Оси позиционирования

Рис.5. Оси позиционирования

Открытое исполнение. Необходимый вакуум создается с помощью двухступенчатого процесса откачки воздуха при каждом запуске системы, перед использованием система должна прогреваться. Системы с открытыми трубками, как правило, требуют периодического технического обслуживания, хотя источник и детектор могут быть заменены на территории владельца оборудования.

Закрытое исполнение. Компоненты источника находятся в запаянном корпусе в вакууме. Такие трубки используются без предварительного прогрева, имеют большой срок службы, но их ремонт должен проводиться на заводе-производителе.

Программное обеспечение обработки изображения. Для всех рентгеновских систем программное обеспечение для обработки изображения влияет на скорость, точность и повторяемость результатов анализа. В результате обработки изображения улучшается детализация рентгеновского изображения, что помогает оператору быстро оценить качество и обнаружить дефекты. Другие программные инструменты (сбор данных, измерения и анализ) используются для сбора информации, ее структуризации и последующей обработки.

Размеры печатной платы. При выборе установки рентгеновского контроля необходимо учитывать максимально возможные размеры печатной платы, т.е. оценить, поместится ли печатная плата в область загрузки установки. Далее подробно рассмотрим режимы контроля на рентгеноскопической установке и методику определения дефектов паяных соединений.

Дефекты. Дефекты паяных соединений образуются в определенных условиях во время производственного процесса. Избыток или недостаток пасты, неравномерное ее распределение и ошибки при пайке могут привести к некачественному соединению и недостаточному электрическому контакту или вызвать такие дефекты, как:

  • перемычки (короткие замыкания) паяных соединений;
  • растекание припоя, разбрызгивание, образование шариков;
  • образование пустот и расслоение (вздутие – эффект "поп-корн");
  • избыток и недостаток пасты;
  • смещение и эффект "надгробный камень";
  • поднятые выводы, отсутствие пасты или искривленное соединение;
  • неприемлемые изменения размера и формы припоя и его расположения.

Рис.6. Дефекты ”недостаток пасты” и ”перемычка” на выводах компонента в корпусе BGA

Рис.6. Дефекты ”недостаток пасты” и ”перемычка” на выводах компонента в корпусе BGA

Рассмотрим пример выявления этих дефектов с помощью оборудования компании FocalSpot.

Перемычка или короткое замыкание – это паяное соединение через проводники или контактные площадки, которые не должны быть соединены (рис.6). Образование перемычек является одним из наиболее частых и потенциально опасных производственных дефектов. Короткие замыкания легко увидеть на рентгеновских снимках, даже если они очень малы.
С помощью рентгеновского контроля также можно обнаружить недостаток пасты на некоторых BGA-соединениях (показано на изображении). По размерам эти дефекты могут быть разными: от визуально наблюдаемых до почти невидимых. В последнем случае их оценивают с помощью программных измерительных инструментов.

Рис.7. Дефект ”пустоты” в паяных соединениях компо-нента в корпусе BGA

Рис.7. Дефект ”пустоты” в паяных соединениях компо-нента в корпусе BGA


Пустоты в оплавленных паяных соединениях (рис.7) – это полости, образованные газами в результате дегазации во время процесса оплавления. Если газ выходит во время процесса пайки, это может привести к образованию крошечных пустот, пор или кратеров.
Пустоты часто являются структурным артефактом в паяных соединениях, что может привести к проблемам с отводом тепла, особенно в мощных устройствах.

Рис.8. Измерение количества дефектов

Рис.9. Просмотр под углом (проверка расположения дефектов)

Рис.8. Измерение количества дефектов Рис.9. Просмотр под углом(проверка расположения дефектов)

Основным критерием оценки пустот в BGA является процент пустот в каждом шарике (по стандарту IPC-7095 максимум равен 36%). Но большое значение имеет и расположение пустот. Пустоты в области площадки и в области присоединения компонента (рис.8, 9) могут привести к трещинам в паяном соединении.

Расслоение, вздутие и дефект "поп-корн" (рис.10). Эти дефекты возникают в области электрического контакта вывода компонента в результате быстрой дегазации.

Рис.10. Дефект ”поп-корн” Рис.11. Дефект ”надгробный камень”
Рис.10. Дефект ”поп-корн” Рис.11. Дефект ”надгробный камень”


Смещение и дефект "надгробный камень" (рис.11) характеризуется поднятием одного конца контакта компонента над контактной площадкой.
Рассмотрим несколько методов исследования на установке рентгеноскопии.

Слабое увеличение (до 10×), большое поле обзора (рис.12). При использовании слабого увеличения оператор может быстро просмотреть большую область. Такая техника инспекции применима для обнаружения основных дефектов: перемычек или мостов, недостаточного или избыточного количества припоя, смещения, поднятого вывода или "надгробного камня", недопустимого отклонения размера и формы паяного соединения и т.д. Надо сказать, что это наилучший способ для быстрого и эффективного первичного выявления дефектов.

Рис.12. Метод инспекции – слабое увеличение

Рис.13. Метод инспекции – среднее увеличение

Рис.12. Метод инспекции – слабое увеличение Рис.13. Метод инспекции – среднее увеличение

Среднее увеличение (10–75×), среднее поле обзора (рис.13). Умеренно быстрый метод обнаружения основных дефектов. Показывает больше деталей и информации, чем метод с использованием слабого увеличения.
Сильное увеличение (100–1000×), малое поле обзора (рис.14). Этот метод обычно используется для получения более подробной информации о дефектах (например, после контроля при малом увеличении). Это самый медленный способ, но с его помощью определяются самые трудно выявляемые дефекты. Наилучшее соотношение между производительностью и степенью увеличения определяется конкретным изделием и квалификацией оператора.

Рис.14. Метод инспекции – сильное увеличение

Рис.15. Метод инспекции – низкая мощность РИ

Рис.14. Метод инспекции – сильное увеличение Рис.15. Метод инспекции – низкая мощность РИ

Низкая мощность рентгеновского излучения (РИ) (рис.15). Этим методом быстро обнаруживаются перемычки, признаки недостаточного оплавления (форма) и фиксируются характеристики электрического соединения. На рисунке видны шариковые выводы и капли припоя. С помощью этого метода можно контролировать и оценивать токопроводящие дорожки, контактные площадки и другие элементы.
Высокая мощность рентгеновского излучения (рис.16). При более высокой мощности рентгеновского излучения хорошо видны токопроводящие дорожки и контактные площадки, а также пустоты и внутренние особенности компонентов, такие как электрические соединения и качество установки кристаллов. Зеленые области показывают пустоты и их размер для каждого паяного соединения.

Рис.16. Метод инспекции – высокая мощность РИ

Рис.17. Метод инспекции – под углом

Рис.16. Метод инспекции – высокая мощность РИ Рис.17. Метод инспекции – под углом

Инспекция образца под углом (рис.17). Благодаря перемещению, вращению и наклону образца при исследовании в реальном времени можно увидеть и оценить форму, размер и местоположение паяных соединений и дефектов. Итак, рентгеновская инспекция становится обязательной при производстве по следующим причинам:

  • отсутствует альтернативный тестовый доступ для проверки микросхем в корпусах типа BGA, μBGA, CSP и т.д.;
  • рентгеноскопия может выявлять скрытые структурные дефекты и контролировать качество технологического процесса и продукта;
  • увеличивается выход годной продукции, снижаются риски по гарантии.


Посмотрим, что получается на практике. При выборе рентгеновской системы и ПО целесообразно руководствоваться следующим принципом: необходимо сделать работу быстро, просто и эффективно и использовать минимальный набор инструментов для ее выполнения. При этом надо учитывать, что большинство операторов инспекционных систем используют минимальный набор инструментов, необходимый для быстрой, легкой и эффективной работы, поэтому некоторые более широкие возможности ПО не являются существенно необходимыми, тем более, что они значительно увеличивают стоимость оборудования.
Как используется большинство рентгеновских систем сегодня? Загрузка ПП, быстрый просмотр с использованием максимального поля обзора, чтобы проконтролировать как можно большую область ПП за один раз. Да, действительно, очень часто многие "полностью автоматические" системы стоимостью более 10 млн. руб. используются именно так.
Зона фокусировки в зависимости от РИ может увеличиваться от нанодо микрофокуса при увеличении мощности проникновения через материалы относительной плотности и/или толщины. Но для многих приложений инспекции нецелесообразно нести дополнительные затраты на приобретение нанофокусных источников рентгеновских лучей.

Рис.18. Установка рентгеноскопической инспекции FocalSpot Mini-V

Рис.19. Установка рентгеноскопической инспекции FocalSpot CIS

Рис.18. Установка рентгеноскопической инспекции FocalSpot Mini-V Рис.19. Установка рентгеноскопической инспекции FocalSpot CIS

Сегодня производители электроники становятся бережливыми как никогда. Это не философия, но жизненная необходимость и экономическая целесообразность. Нужно покупать то, что вам необходимо и что будет обязательно использоваться. Бюджет, кроме начальной стоимости всей системы, должен включать в себя долгосрочную стоимость владения: сервис, поддержку, гарантию, а также дальнейшее обслуживание и возможность обучения персонала.
В статье использованы материалы, полученные на оборудовании компании FocalSpot. Рентгеноскопические системы этой марки (рис.18, 19) наилучшим образом подходят под концепцию "необходимо и достаточно". Они позволяют проводить оперативное исследование причин возникновение тех или иных дефектов, могут быть оснащены ленточными питателями для проверки ИМС компонентов в автоматическом режиме.

По материалам сайтов http://www.focalspot.com http://www.tecnew.ru