применение рентгеновского контроля в производстве электроники

Понедельник, 25 января 2016.

Преимущества

Преимущества использования рентгена очень широки, в силу его возможности «смотреть сквозь корпус», включая: корпуса полупроводниковых приборов, теплооотводы для ИС и металлические экраны, для выявления дефектов соединения, и позволяет распознавать потенциальные проблемы качества с помощью неразрушающего метода контроля. Особенно рентгеновский контроль выгоден при работе с такими типами корпусов как: BGA, CSP, FC, WLP, POP, SIP, QFN; ввиду недостаточного качества оценки таких компонентов другими методами инспекции (Автоматическая Оптическая Инспекция, 2D/3D контроль, электрический тест и т.д.).

Рентгеновский контроль стал незаменимым инструментом для оценки качества и контроля проведённых ремонтных работ. Используя возможности цифровой обработки изображения, инструменты обнаружения неисправностей и их анализа производство получает возможность точно отладить технологический процесс. Что в конечном итоге приводит к улучшению качества выпускаемых изделий, сокращается брак и уменьшается возврат готовых изделий по гарантии. Одним словом, наличие рентгена положительно воздействует на жизненный цикл конечного продукта. Исходя из этих причин, всё больше и больше производителей электроники, а также их заказчики, считают наличие рентгеновского контроля обязательным требованием к производственному процессу.

Дефекты, обнаруживаемые с помощью рентгеновского контроля

Дефекты паяного соединения возникают из-за множества различных температурных и механических условий, которые возникают во время производственных процессов. Ниже приведен список типичных производственных дефектов, с примерами изображений, оценкой неисправности и возможной причиной их возникновения.


  • Дефект паяного соединения: перемычки или «мосты»Перемычки или «мосты»: электрическое соединение припоя между выводами микросхем и контактными площадками, которых не должно быть.

    Причина: неравномерное нанесение или излишнее количество припоя, повреждённый трафарет или повреждённая защитная маска, разбрызгивание пасты, смещение и перегрев во время процесса пайки.

  • Дефект паяного соединения: пустотыПустоты: открытая область, лишенная припоя, расположенного внутри или на поверхности паяного соединения.

    Причина: захваченный газ или внесённое загрязнение внутри паяного соединения во время процесса охлаждения. Если газ вышел во время процесса пайки, то это может привести к образованию воздушных пузырей, микроотверстий или ходов выхода газа.

  • Дефект паяного соединения: расслоениеРасслоение: отделённые слои в пределах структуры устройства, открытая область без связующего материала, расположенная под кристаллом.

    Причина: давление, удар, загрязнения или перегрев вовремя процесса производства.

  • Дефект паяного соединения: пропускПропуск: пропущенный компонент или точка соединения (например шарик припоя).

    Причина: обычно происходит во время монтажа компонентов на печатную плату по причине механической ошибки установщика или по причине недостаточного контроля качества (проверка после монтажа, упаковка компонентов в ленту).

  • Дефект паяного соединения: открытая площадкаОткрытая площадка: пропущенное или «холодное» паяное соединение между выводами микросхем и контактными площадками, которое должно быть.

    Причина: недостаточный нагрев во время процесса оплавления, низкая температурная стабильность печатной платы и/или компонента, неправильное нанесение паяльной пасты, смещение во время процесса пайки, загрязнения, пропущенная точка соединения (отсутствие шарикового вывода).

  • Дефект паяного соединения: смещение, поднятый вывод, «надгробный камень»Смещение, поднятый вывод, «надгробный камень»: ошибка при монтаже, неправильная ориентация компонента. Смещение так же может быть результатом недостаточного электрического соединения или таких дефектов как «мост», открытая площадка и т.д.

    Причина: обычно происходит во время процесса производства: ошибки монтажа, смещения пасты или смещения во время процесса пайки.

  • Дефект паяного соединения: низкая компланарностьНизкая компланарность: смещение паяного соединения или серии соединений, а также отсутствие соединения вывода микросхемы с контактной площадкой. Кроме того, контактные площадки в области выводов микросхемы не соприкасаются или не соответствуют предназначенным геометрическим плоскостям (шариковые выводы к припою и контактным площадкам)

    Причина: недостаточный/неравномерный нагрев во время процесса пайки приводящий к недостаточному оплавлению, неравномерное осаждение компонента на площадку, низкая температурная стабильность печатной платы и/или компонента, неравномерное нанесение паяльной пасты, смещение во время процесса пайки или загрязнение.

  • Дефект паяного соединения: размер/форма (недопустимые отклонения)Размер/форма (недопустимые отклонения): недопустимые отклонения размера и формы паяного соединения от требуемого.

    Причина: неравномерное или избыточное/недостаточное количество припоя, повреждённый трафарет, недостаточный нагрев во время процесса пайки, низкая температурная стабильность печатной платы и/или компонента, смещение во время процесса пайки или загрязнение.

  • Дефект паяного соединения: выявление «серых» компонентовХотя данный факт не является дефектом монтажа, выявление поддельных устройств является необходимой мерой защиты производителя от использования поддельных компонентов в производстве. Изображение (слева), показывает пропущенный кристалл в контрфактном компоненте.

  • Перемычки или «мосты»
  • Пустоты
  • Расслоение
  • Пропуск
  • Открытая площадка
  • «надгробный камень»
  • Низкая компланарность
  • Размер/форма
  • «серые» компоненты

Стратегия использования рентгеновского контроля

При использовании таких системы контроля (рентгеновский осмотр в реальном времени), быстрая и точная оценка может быть достигнута, используя следующие методы:


  • Метод инспекции: Слабое увеличение (0-10Х), большое поле обзора

  • Метод инспекции: Среднее увеличение (10-75Х), среднее поле обзораСреднее увеличение (10-75Х), среднее поле обзора
    Умеренно быстрый метод обнаружения основных дефектов, который показывает больше деталей и информации, чем метод с использованием слабого увеличения.

  • Метод инспекции: Сильное увеличение (100-1000Х), малое поле обзораСильное увеличение (100-1000Х), малое поле обзора
    Эта техника - самый медленный способ, но обеспечивающий самую большую возможность к определению трудновыявляемых дефектов. Данная техника, обычно используется операторами для получения более подробной информации о дефектах, после этапа низкого увеличения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: наилучшее соотношение между производительностью и степенью увеличения зависит от конкретного изделия и опыта оператора.

  • Низкая мощность рентгеновского излучения Низкая мощность рентгеновского излучения

    Используя рентгеновский контроль с низкой мощностью, достигается быстрое обнаружение перемычек, признаков недостаточного оплавления (форма) и фиксируются характеристики электрического соединения. Изображение слева, показывает шариковые выводы и капли припоя. Инспекция с применением излучения низкой мощности также может отображать: токопроводящие дорожки, контактные площадки и др.

  • Высокая мощность рентгеновского излученияВысокая мощность рентгеновского излучения
    При более высокой мощности рентгеновского излучения хорошо видны токопроводящие дорожки и контактные площадки, а также пустоты и внутренние особенности компонентов как: электрические соединения и качество установки кристаллов. Зелёные области (на изображении слева) показывают пустоты и их размер для каждого паяного соединения.

  • Инспекция образца под углом Инспекция образца под углом
    Перемещение, вращение и наклон образца под рентгеном в реальном времени может показать форму, размер и местоположение паяных соединений и дефектов.

  • увеличение 0-10Х
  • увеличение 10-75Х
  • увеличение 100-1000Х
  • Низкая мощность
  • Высокая мощность
  • Инспекция под углом

Соответствие техническим требованиям

Системы рентгеновского контроля отличаются друг от друга дизайном и возможностями, но все же, всех они имеют подобные фундаментальные основы, которые делают их системами рентгена. Поэтому, чтобы ответить на вопрос соответствия системы к техническим требованиям, предъявляемым к технологии рентгеноскопии, требуются пояснения, описанные ниже:

Размеры печатной платы

При выборе установки рентгеновского контроля необходимо обратить внимание на максимально возможные габаритные размеры печатной платы: поместится ли печатная плата в область загрузки установки?

ПРИМЕЧАНИЕ: Обычно, это первый вопрос, который задают, подбирая систему для инспекции необходимого спектра печатных плат.

Манипулирование образцом (инспекция образца под углом)

Эта способность вращать образец (печатную плату) при проведении рентгеноскопического исследования позволяет отображать форму, размер и размещение дефектов под различными углами обзора. Это особенно важно для плат с двусторонним монтажом, где верхние и нижние компоненты могут затенять интересующую область инспекции. Так же, данная функция делает возможным более точно определять дефекты электрических соединений для микросхем (BGA, QFP, QFN и т.д.).

ПРИМЕЧАНИЕ: Угол наклона от 0 до 40° идеален для такого применения. Ручное или механическое вращение будет влиять на стоимость оборудования и удобство оператора, и имеют небольшие отличия в эффективности.

Увеличение и поле обзора (FOV)

Увеличение и поле обзора (FOV) имеют прямо пропорциональную взаимосвязь. В конечном счете, цель должна состоять получении оптимального баланса между достаточным увеличением (детализация инспекции) и достаточным полем обзора (область инспекции), чтобы просматривать насколько возможно большую инспектируемую область и минимизировать время, требуемое для полного осмотра печатной платы.

ПРИМЕЧАНИЕ: Используя сильное увеличение, поле обзора становится меньшим, таким образом, скорость инспекции уменьшается. Поэтому, производительность и увеличение являются противостоящими целями, и наилучшее их соотношение зависит от применения и опыта оператора.

Рентгеновская трубка - Разрешение

Для всех систем рентгеновского контроля такие параметры как: размер фокусного пятна, форма фокусного пятна и мощность рентгеновской трубки являются характеризирующими факторами разрешения. Наиболее часто используемый параметр для системы рентгеновского контроля это размер фокусного пятна.

ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку размер фокусного пятна изменяется в соответствии с мощностью электронного пучка, то при увеличении напряжения на источнике рентгеновских лучей, размер пятна быстро меняется от нанофокусного до микрофокусного размера (при проникновении на большую глубину материала образца).

Рентгеновская трубка - Напряжение

Напряжение рентгеновской трубки измеряется в кВ (Киловольт). С помощью регулировки числа испускаемых фотонов рентгеном, можно обеспечить необходимую степень проникновения излучения в материал образца. При использовании низкого напряжения отображаются токопроводящие дорожки и форма паяного соединения, в то время как высокое напряжение используется для отображения скрытых внутренних характеристик компонента (например, пустот паяного соединения).

ПРИМЕЧАНИЕ: Обычно, в рентгеновских систем, работающих в реальном времени, напряжение на рентгеновских трубках может изменяется в переделах 50-130кВ. Выбор мощности рентгеновской трубки зависит от материала инспектируемых образцов. Большинству печатных плат и SMD компонентов требуется мощность в диапазоне от 50 до 90кВ. Тогда как, экранированным компонентам, литью и механосборочной продукции может понадобиться от 90 до 130кВ или более, в зависимости от материалов и плотности монтажа.

Обработка изображений

Для всех систем рентгеновского контроля, обработка изображений и программное обеспечение имеют прямое воздействие на скорость, точность и повторяемость процесса инспекции. Типичный набор программного обеспечения включает в себя основные программные средства улучшения качества изображения как то: усреднение изображения (удаление шумов) и фильтры улучшения изображения. В результате такой совокупной обработки изображения, улучшается детализация рентгеновского изображения, таким образом, облегчая оператору возможность быстро оценить качество и обнаружить дефекты. Другие программные инструменты, как сбор данных, инструменты измерений и анализа используются для сбора информации, её структуризации и последующей обработки.

ПРИМЕЧАНИЕ: Следует отметить, что большинство операторов используют минимальный набор инструментов, необходимых для выполнения работы, а некоторые продвинутые особенности визуализации (3D рендеринг, например) являются трудоёмкими и не особенно полезными для оценки качества инспекции инструментами.

Заключение

Наилучшая стратегия использования рентгеновского контроля

Хорошая стратегия должна использовать баланс между работой в режиме слабого увеличения (чтобы одновременно просматривать насколько возможно большую инспектируемую область для быстрого выявления основных дефектов) и сильного увеличения (чтобы обеспечить соответствующую детализацию анализа неисправностей). Наилучший баланс зависит от предмета инспекции и опыта оператора.

Соответствие техническим требованиям

Первое: Удовлетворяет ли система Вашим запросам (возможность установки печатной платы необходимого размера, мощность рентгеновской трубки и т.д.)? По большей части, это вопрос специфики использования, с условием, что выбор системы должен соответствовать фактическим требованиям назначения системы. В большинстве случаев, задача звучит так: «Сделать необходимую работу быстро, просто и эффективно и использовать минимальный набор инструментов для выполнения этой задачи.
Резюме: приобретайте то, что Вам нужно, и то, что Вы будете действительно использовать.

Второе: Соответствует ли система Вашему бюджету? Бюджет, кроме начальной стоимости всей системы, должен включать в себя долгосрочную стоимость владения: сервис, поддержку и гарантию, так же как и легкость дальнейшего обслуживания, простоту использования и минимальные требования к обучению персонала.
Резюме: Цена (Возврат инвестиций) это зависимость полной себестоимости и эффективности работы в течении периода эксплуатации.

Перейти в раздел: рентгеновский контроль