eng
Несмотря на высокую стоимость рентгеновского контроля, его применение в электронной промышленности быстро расширяется. Обнаружение дефектов, не доступных никакому другому способу, самое высокое покрытие неисправностей, независимость от наличия доступа делают рентгеновский метод незаменимым для контроля сложных печатных узлов.
С ростом плотности монтажа печатных узлов (ПУ), применения в них ИС с перевернутым кристаллом и корпусами с ультрамалым шагом выводов (менее 0,5 мм) и BGA доступ для визуального и внутрисхемного контроля сильно снижается. Чтобы обойти нехватку “визуального доступа” к BGA, конструкторы стараются провести множество соединений к доступным электрическим контрольным точкам, которые, однако, отнимают полезную площадь у печатных плат (ПП) и тем самым усугубляют проблему экономии пространства ПУ. Производственная же реальность говорит о том, что ограничение доступа – это сигнал к расширению стратегии контроля за пределы визуального, внутрисхемного и функционального.
Быстро развивающимся методом контроля, который адресован именно к ограниченному доступу, является рентгеновский контроль, и его использование в электронной промышленности растет. При этом покрытие дефектов рентгеновским контролем дополняет и частично дублирует традиционные методы внутрисхемного контроля (рис.1).
Для полного понимания потенциальных преимуществ рентгеновского контроля важно рассмотреть некоторые его возможности:
· высокое покрытие технологических дефектов – обычно 97%, независимо от доступа;
· малое время разработки теста – от двух до трех часов;
· отсутствие контактного приспособления;
· обнаружение дефектов, которые ни один другой тест не может надежно установить, – раковин, непропаев, холодных паяных соединений и др.;
· автоматические системы используются на производственной линии;
· тестирование одно- и двухсторонних ПП за один проход;
· обеспечение информации о производственном процессе;
· точная локализация дефекта до уровня вывода, точечного дефекта, что обеспечивает быстрый и недорогой ремонт.
Преимущества рентгеновского контроля для различных видов электронного производства представлены в табл.1.
До недавнего времени рентгеновская аппаратура находила большее применение в лабораториях, чем в производстве. Сегодня же она оказалась средством исследования невидимых соединений в ПУ. В частности, рентгеновская аппаратура обеспечивает единственный практический способ контроля паяных соединений между BGA и ПП, позволяя обнаружить следующие дефекты:
· пропущенные соединения из-за неправильно размещенного припоя на площадке, пропущенного шарика припоя на BGA или на перевернутом кристалле. Электрический контроль в конечном счете обнаружит пропуск припоя, но рентгеновское изображение покажет его отсутствие немедленно в виде светлого участка;
· перемычки припоя между контактами, т.е. короткое замыкание. Образуются из-за избытка припоя или неправильного его нанесения на один или оба соседних контакта. Выявляются в рентгеновском изображении как темные соединения между контактными площадками ПП. В процессе испытаний ПУ при электрической нагрузке перемычки могут вызвать выход из строя изделия;
· раковины в паяльной пасте, которые возникают из-за нагрева летучих соединений, проникших внутрь припоя. Проявляются как светлые пятна внутри темного участка шарика припоя в рентгеновском изображении (рис.2). Допустимая норма: площадь раковин не должна превышать 20% площади BGA;
· обрывы соединений. Это холодная пайка, происходит из-за недостаточного расплавления припоя между BGA и контактной площадкой. Имеет иную структуру в отличие от соединений с правильным расплавлением припоя;
· неточное совмещение паяльной маски, BGA и паяльной пасты. Приводит к тому, что выводы компонентов не соприкасаются с припоем или контактной площадкой. Рентгеновское изображение не точно совмещенных элементов демонстрирует темные шарики припоя, слегка сдвинутые относительно более светлых контактов ПП.
Рентгеновские системы могут обнаруживать и другие технологические дефекты, например пропущенные компоненты. О неверном компоненте, размещенном на ПП, они, правда, сообщить не могут, но зато способны проверить ориентацию конденсаторов. В зависимости от сложности систем и программного обеспечения с помощью рентгеновских методов можно также проводить количественные измерения, например диаметра шарика припоя, круглости, плоскостности, толщин и т.п.
При принятии решения об использовании рентгеновского оборудования следует учесть все приведенные факторы, а также экономическую эффективность. Если, например, большое число отказов обусловлено дефектными компонентами, то рентгеновский контроль не будет эффективен. Но если крупнейшую проблему представляют отказы соединений, то рентгеновский контроль может быть очень выигрышным и обеспечит большую прибыль на инвестированный капитал.
Вообще рентгеновские системы контроля идеальны для предприятий с малым тактом производства и опытным производством, и сегодня быстро растет число фирм, использующих сочетание внутрисхемного и рентгеновского контроля.
ТИПЫ РЕНТГЕНОВСКИХ СИСТЕМ
Простой способ классификации рентгеновских систем контроля состоит в делении их на ручные и автоматические, просвечивающие и ламинографические (томографические). Просвечивающие хорошо подходят для односторонних ПП, а томографические для контроля как односторонних, так и двухсторонних ПП, однако они дороже, чем просвечивающие. Преимущества и недостатки различных типов рентгеновских систем представлены в табл.2.
В просвечивающих (двумерных) системах рентгеновское излучение источника направлено перпендикулярно вниз к поверхности ПУ и проходит через все изделие, в результате чего одновременно “видно” обе стороны. Любой элемент ПУ, относительно непрозрачный для рентгеновских лучей, в изображении будет иметь темную конфигурацию. При просмотре двухсторонних ПУ изображение компонентов одной стороны накладывается на компоненты другой, что затрудняет поиск неисправностей при одновременной индикации компонентов.
Ламинография, или трехмерный метод, исследует горизонтальные слои ПП на требуемой высоте по оси Z.
Мнения сторонников каждого из методов сходятся, по крайней мере, по двум моментам – двумерное оборудование дешевле и программирование может занять значительно меньше времени. Сторонники двумерных систем утверждают помимо этого, что, поскольку сконструированное изображение ПУ включает всю глубину по оси Z, краевой контраст и разрешение могут быть выше, чем у изображений, получаемых трехмерным методом.
Двумерный метод обеспечивает время контроля вдвое короче, чем трехмерный, поскольку в последнем нужно конструировать множество изображений – по одному на каждый “слой” сквозь ПУ. Лучшая сфера для двумерного контроля – автомобильная промышленность. Двумерные системы также хорошо подходят для контроля объединительных плат ПК и другой коммерческой продукции. Они легко могут различать индивидуальные свойства, определяющие неисправное состояние.
Двумерный контроль способен идентифицировать неисправность соединений, возникающую из-за непропаев или дефектов копланарности на поверхности ПП, указать ее причину и соответствующее средство устранения (рис.3). Принцип поиска и идентификации неисправностей с помощью двумерных систем основывается на возможностях программ правильно анализировать информацию от фиксированного изображения. Даже трехмерные дефекты, такие как раковины в паяных соединениях, можно обнаружить с помощью просвечивающей аппаратуры, а по утверждению сторонников двумерных систем – даже проще. Ведь трехмерная система исследует слои по Z-оси, поэтому она должна выбрать высоту сечения, которое пройдет через раковину. Еще сторонники двумерных систем утверждают, что из-за необходимости исследования слоя ПП на определенной высоте сечения трехмерная система не способна обнаружить неисправность, которую программатор недостаточно хорошо знает.
Кроме того, сторонники двумерных систем порицают трудность программирования трехмерных систем и то, что их стоимость, по крайней мере, вдвое выше, чем аналогичной двумерной.
При таких возможностях двумерного контроля зачем же, казалось бы, обращаться к более дорогому трехмерному? Однако аргументы защитников трехмерных систем таковы: современные ПУ высокой плотности монтажа на многослойных двухсторонних ПП не поддаются двумерному контролю. Когда элементы на верхней и нижней сторонах ПУ перекрываются, различить их особенности становится трудно или невозможно. В этом случае независимое исследование двух сторон ПП становится настоятельным.
В трехмерной системе при ламинографии относительно ПУ движется либо детектор, либо рентгеновский луч. Это движение снова и снова повторяется, обеспечивая множество изображений одной и той же части ПУ с различных позиций. Далее система, используя эти последовательные изображения, компилирует одно. В различных трехмерных системах в создании изображения соответствующие их компоненты участвуют по-разному. В системе HP-5DX фирмы Hewlett-Packard, например, детектор движется вокруг центра сечения ПУ, а рентгеновским лучом система управляет механически (рис.4). А система MV-6000 фирмы Nicolet использует шесть неподвижных детекторов вдоль пути сканирования рентгеновского луча.
Поскольку ПП не имеет абсолютно плоской поверхности, система должна учитывать различие в высоте платы по всей ее поверхности. В системе НР коробление ПП компенсируется первоначальным ее сканированием лазерным лучом для точного отображения высоты ее поверхности. Затем проводится подстройка ПУ в плоскости изображения для правильного контроля паяных соединений. В системе фирмы Nicolet применен метод динамического отображения поверхности без использования лазерного сканирования.
Сторонники трехмерного контроля утверждают, что многие дефекты требуют именно этого уровня анализа. Например, обрыв припоя на BGA, вызываемый, вероятно, отсутствием копланарности ПП, можно увидеть, только если провести послойное рассмотрение, поскольку на двумерном изображении обрыв спрятан тенью самого шарика припоя. Подчеркивается также более высокое покрытие неисправностей при трехмерном методе.
Кроме того, трехмерная система способна проводить количественные измерения паяного соединения, определяя его геометрические характеристики (высоту и длину галтеля припоя). Используя обратную связь с процессом расплавления припоя, можно повысить выход годных. Двумерный способ не способен найти такие дефекты, как недостаточный галтель припоя.
Собственно говоря, производители могут выбрать трехмерную систему просто потому, что она универсальна, даже если функционирование двумерной системы вполне удовлетворительно в конкретных условиях.
Многие изготовители рентгеновских систем объединяют возможности двух- и трехмерных методов в одной установке. Такое решение позволяет вначале находить дефекты, доступные двумерной системе. Затем применяют трехмерный анализ для тех участков ПП, где это требуется. Такой алгоритм минимизирует влияние трехмерного метода на время контроля.
ВЫБОР РЕНТГЕНОВСКОЙ СИСТЕМЫ
Как видим, рентгеновские системы представляют целое семейство, в котором каждая из них работает более или менее хорошо в конкретной производственной ситуации. Успех зависит от топологии ПП, технологии сборки и применения. На решение о выборе типа рентгеновской системы влияют следующие факторы:
· выход годных при внутрисхемном и функциональном контроле;
· стоимость ремонта ПУ после внутрисхемного и функционального контроля;
· проблемы доступа сегодня и в будущем;
· назначение оборудования: лабораторные исследования, проверка паяных соединений, надежное обнаружение дефектов;
· стоимость рентгеновского оборудования;
· интенсивность эксплуатационных отказов, диаграмма дефектов Парето и стоимость отказов;
· стоимость внутрисхемного контроля опытных образцов;
· объем партий ПУ и смешение технологий монтажа сейчас и в будущем.
Большинство современных рентгеновских систем основано на электронных устройствах, преобразующих рентгеновские лучи в изображение, которое видит человек или обрабатывает процессор.
Ручные утановки во многих случаях могут дать только часть изображения ПУ, так что оператор выбирает интересующий его участок. Изображение демонстрируется на мониторе. В зависимости от сложности системы можно получать основное изображение, метрическую информацию и полную количественную информацию о характеристиках в изображении. Многие ручные системы оснащены компьютером для анализа изображения и прикладными программами. В некоторых системах возможно управление положением ПУ по всем осям координат и под любым углом. В других системах предусмотрено вращение источника излучения и детектора или движение источника относительно объекта, что позволяет изменять увеличение изображения.
В автоматических системах управление осуществляет компьютер. ПО обеспечивает позиционирование ПУ, сообщает, какие части платы исследовать. Оно содержит параметры теста – характеристики недефектных и дефектных соединений, которые оператор устанавливает для данной продукции. После контроля ПУ система создает отчет “годен/не годен” с информацией для использования во время ремонта и для регулировки технологического процесса. Автоматические системы в случае необходимости допускают также полное ручное управление.
В крупносерийном производстве целесообразно использовать автоматические установки как часть производственной линии. В этом случае ПУ поступают непосредственно с линии из картриджей, магазинов или с помощью манипуляторов. В таких системах компьютер управляет загрузкой ПУ и формированием изображения. В зависимости от сложности системы компьютер может также проводить количественные измерения качества, принимая решения “годен/не годен” и передавая данные контроля сетевому компьютеру для статистического анализа. Система содержит библиотеки типов выводов и типичных пределов параметров для различных видов паяных соединений. Гибкие системы позволяют вводить новую информацию о контактах и компонентах. Срок обучения оператора – от нескольких дней до недели в зависимости от сложности аппаратуры.
Широкому распространению рентгеновских систем, между прочим, мешает то, что многие инженеры все еще считают рентгеновский контроль сложным методом и не осведомлены о высокой степени обнаружения скрытых дефектов этими системами. Кроме того, они полагают, что рентгеновские системы слишком дороги. В наши дни их стоимость простирается от 50 тыс. долл. за базовую ручную установку до 500 тыс. долл. за полностью автоматическую производственную систему, причем к этому надо добавить расходы на заработную плату, оснастку, инфраструктуру и обучение. Дороги, да, но если проследить их преимущества по всему производственному процессу, можно обнаружить, что они дешевле других, “более дешевых” альтернатив: обнаружение дефектов, которые не находят внутрисхемные тестеры, отсутствие необходимости в контактирующих приспособлениях, пусковой период рентгеновских систем, составляющий несколько дней (внутрисхемных – несколько недель) – все это экономит тысячи долларов на одну тестовую станцию.
ПРИМЕРЫ СОВРЕМЕННЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ
Рентгеновские системы контроля ПУ всех типов выпускаются множеством фирм, в том числе Agilent Technology (США), Dage Precision Industries Ltd. (Англия), Faxitron X-ray (США), GenRad (США), Macrotron Systems (Германия), Nicolet Imaging Systems/GenRad (Германия), Phoenix X-Ray (Германия), Viscom (Германия), X-Tek Systems (Англия) и др.
Рентгеновская система XL 7000 фирмы Dage Precision Industries Ltd. разработана для удовлетворения возрастающих требований изготовителей ПУ, обеспечивает круговой обзор объекта с высоким разрешением изображения (2 мкм) и увеличением. Позволяет проверять целостность соединений, находящихся под выводами компонентов, например под BGA. Простота использования и высокая производительность обусловлены мощным ПО, которое осуществляет полное управление системы, включая передвижение образца, анализ и вывод данных. Взаимодействуя с системой через дисплей, оператор способен быстро выбирать, индицировать и сохранять интересующий участок ПУ. Технические характеристики:
Стандартная рентгеновская трубка Dage MediXtec TR160
Напряжение анода 30–160 кВ
Мощность мишени менее 5 Вт
Анодный ток 0–0,2 мА
Диаметр фокусного пятна менее 2 мкм
Участок контроля макс. 610х508 мм
Размер рентгеновского изображения макс. 610х508 мм
Увеличение до 2400
Вид под углом 0–45° вокруг всего образца
Масса образца макс. 8 кг
Дисплей оператора цветная ЖК-панель 2,5х38 мм
Выход данных к сетевому ПК
Безопасность надежный с защитной блокировкой
кожух, соответствует техническим нормам ЕС и США.
Габаритные размеры 1760х1860х1890 мм
Масса 2400 кг
Трехмерная система 3dзinspector фирмы Phoenix X-Ray (рис.5) использует инновационный метод цифровой ламинографии. Благодаря сочетанию механического и электронного вращения число движущихся частей снижено. Система предназначена для послойного контроля ПУ и несмонтированных ПП. Осуществляет анализ отказов соединений под современными ИС, соединений поверхностного монтажа, раковин в припое, анализ целостности слоев ПП, контроль двухсторонних ПП. Технические характеристики:
Размер исследуемого образца 20х20 мм
Пространственное разрешение менее 10 мкм
Реконструкция изображения по 255 слоям
Время сбора данных 20 с
Высота образца макс. 10 мм
Следует отметить, что в системах фирмы применен разработанный ее специалистами способ блокирования радиации к исследуемым образцам при их манипуляции внутри рентгеновской системы, благодаря чему отпадает необходимость отключать источник излучения. В результате образцы получают минимальную дозу рентгеновского излучения, при которой невозможно изменение характеристик материалов.
Система 43855C фирмы Faxitron X-ray (рис.6) пригодна для работы с рентгеновской пленкой и с рентгеновским изображением в реальном времени. Получение изображения достигается благодаря использованию усилителя изображения, соединенного с ПЗС-камерой высокого разрешения. Модульная конструкция системы при необходимости допускает модификацию. Технические характеристики:
Напряжение анода 110 кВ
Диаметр фокусного пятна от 0–20 мкм
Таймирование экспонирования от 3 до 60 с с приращением 1 с
Размер исследуемой ПП для пленки – макс. 45х40 мм
для усилителя – макс. 23х23 мм
Безопасность удовлетворяет стандартам
21 CFR 1020.40
Автоматическая система GR X-Station 3D фирмы GenRad (рис.7) признана установкой следующего поколения, объединяет запатентованные методы автоматического просвечивания (двумерный) и цифровой ламинографии на одной платформе. Благодаря высокой степени гибкости, высокому разрешению изображения и процессу контроля GR X-Station установила новый стандарт для контроля ПУ.
Программные средства GR Force/Strategist позволяют анализировать конструкцию каждого ПУ, моделировать конфигурацию производственной линии и определять оптимальную стратегию программирования теста и контрольного оборудования. Это ПО дает возможность разработать множество стратегий, которые максимизируют покрытие неисправностей и эффективность контроля. Технические характеристики моделей системы представлены в табл.3.
КОМБИНАЦИЯ ВИДОВ КОНТРОЛЯ
Современная техника предлагает множество методов и средств контроля ПУ. Для правильного выбора необходимо рассмотреть сильные и слабые стороны основных стратегий контроля на каждом технологическом этапе.
Сегодня обнаружение неисправностей и ремонт ПУ приобретает даже большее значение, чем раньше. Современный сложный ПУ имеет площадь приблизительно 116 мм2 и 18 слоев, содержит свыше 3 тыс. компонентов наверху и внизу, более 6 тыс. контактных площадок и 20 тыс. паяных соединений, требующих проверки. У новых конструкций приблизительно 11600 контактных площадок, 5100 компонентов и 37800 паяных соединений. Растет число неисправностей. Так, ПП с 15 тыс. паяных соединений и хорошим уровнем дефектности (10-4) приводит к выходу годных только 22%, а это означает, что почти каждая ПП требует замены или ремонта.
При создании ВЧ-устройств конструкторы избегают включения контрольных точек, изменяющих характеристики изделия. ВЧ-экраны часто устанавливаются на ПП до расплавления припоя, что делает невозможным визуальный контроль компонентов под экраном.
Для некоторых типов ПУ, таких как устройства в сотовых телефонах, реальный доступ намного меньше 50%. Возрастает стоимость контактирующих приспособлений – контактрон с 6000 выводов стоит 50 тыс. долл. Эти факторы делают невозможным 100%-ный внутрисхемный контроль большинства современных ПУ. Визуальный доступ ограничен, и, собственно, ни один из способов контроля не может перекрыть весь спектр отказов. Необходима их комбинация.
ПУ, у которых превышен предел сетки в 5200 точек, невозможно проверить внутрисхемным методом. Тогда применяется ламинография, которая обеспечивает тестовое покрытие до 99%. Это сокращает число контрольных точек для внутрисхемного контроля в среднем на 40%, что снижает сложность контактрона и его стоимость. В результате ускоряется продвижение ПУ через технологический процесс. Использование рентгеновского контроля повышает также выход годных после внутрисхемного на 20%. Таким образом, вся эта комбинация снижает общие расходы, повышает качество и надежность продукции и ускоряет отгрузку изделий.
В недалеком будущем предполагается принимать решение относительно способа контроля новой конструкции ПУ сразу же после сбора данных о его схеме. Тут-то и будет решено, что следует проверять на внутрисхемном тестере, а что с помощью рентгеновской системы. Идеально ПО сможет генерировать тесты для обоих способов.
www.tmworld.com/articles/2001/10_slice.htm
www.tmworld.com/articles/2001/02_xray.htm
www.tmworld.com/articles/98articles/
www.cassembly.com/online/2000/10/
www.phoenix-xray.com/
www.genrad.com/news/
www.dageinc.com/news4.html
www.cassembly.com/db_area/archives/top100/
Test & Measurement Europe/August-September 2000
www.faxitron.com/p4c.htm
www.e-insite.net/
Быстро развивающимся методом контроля, который адресован именно к ограниченному доступу, является рентгеновский контроль, и его использование в электронной промышленности растет. При этом покрытие дефектов рентгеновским контролем дополняет и частично дублирует традиционные методы внутрисхемного контроля (рис.1).
Для полного понимания потенциальных преимуществ рентгеновского контроля важно рассмотреть некоторые его возможности:
· высокое покрытие технологических дефектов – обычно 97%, независимо от доступа;
· малое время разработки теста – от двух до трех часов;
· отсутствие контактного приспособления;
· обнаружение дефектов, которые ни один другой тест не может надежно установить, – раковин, непропаев, холодных паяных соединений и др.;
· автоматические системы используются на производственной линии;
· тестирование одно- и двухсторонних ПП за один проход;
· обеспечение информации о производственном процессе;
· точная локализация дефекта до уровня вывода, точечного дефекта, что обеспечивает быстрый и недорогой ремонт.
Преимущества рентгеновского контроля для различных видов электронного производства представлены в табл.1.
До недавнего времени рентгеновская аппаратура находила большее применение в лабораториях, чем в производстве. Сегодня же она оказалась средством исследования невидимых соединений в ПУ. В частности, рентгеновская аппаратура обеспечивает единственный практический способ контроля паяных соединений между BGA и ПП, позволяя обнаружить следующие дефекты:
· пропущенные соединения из-за неправильно размещенного припоя на площадке, пропущенного шарика припоя на BGA или на перевернутом кристалле. Электрический контроль в конечном счете обнаружит пропуск припоя, но рентгеновское изображение покажет его отсутствие немедленно в виде светлого участка;
· перемычки припоя между контактами, т.е. короткое замыкание. Образуются из-за избытка припоя или неправильного его нанесения на один или оба соседних контакта. Выявляются в рентгеновском изображении как темные соединения между контактными площадками ПП. В процессе испытаний ПУ при электрической нагрузке перемычки могут вызвать выход из строя изделия;
· раковины в паяльной пасте, которые возникают из-за нагрева летучих соединений, проникших внутрь припоя. Проявляются как светлые пятна внутри темного участка шарика припоя в рентгеновском изображении (рис.2). Допустимая норма: площадь раковин не должна превышать 20% площади BGA;
· обрывы соединений. Это холодная пайка, происходит из-за недостаточного расплавления припоя между BGA и контактной площадкой. Имеет иную структуру в отличие от соединений с правильным расплавлением припоя;
· неточное совмещение паяльной маски, BGA и паяльной пасты. Приводит к тому, что выводы компонентов не соприкасаются с припоем или контактной площадкой. Рентгеновское изображение не точно совмещенных элементов демонстрирует темные шарики припоя, слегка сдвинутые относительно более светлых контактов ПП.
Рентгеновские системы могут обнаруживать и другие технологические дефекты, например пропущенные компоненты. О неверном компоненте, размещенном на ПП, они, правда, сообщить не могут, но зато способны проверить ориентацию конденсаторов. В зависимости от сложности систем и программного обеспечения с помощью рентгеновских методов можно также проводить количественные измерения, например диаметра шарика припоя, круглости, плоскостности, толщин и т.п.
При принятии решения об использовании рентгеновского оборудования следует учесть все приведенные факторы, а также экономическую эффективность. Если, например, большое число отказов обусловлено дефектными компонентами, то рентгеновский контроль не будет эффективен. Но если крупнейшую проблему представляют отказы соединений, то рентгеновский контроль может быть очень выигрышным и обеспечит большую прибыль на инвестированный капитал.
Вообще рентгеновские системы контроля идеальны для предприятий с малым тактом производства и опытным производством, и сегодня быстро растет число фирм, использующих сочетание внутрисхемного и рентгеновского контроля.
ТИПЫ РЕНТГЕНОВСКИХ СИСТЕМ
Простой способ классификации рентгеновских систем контроля состоит в делении их на ручные и автоматические, просвечивающие и ламинографические (томографические). Просвечивающие хорошо подходят для односторонних ПП, а томографические для контроля как односторонних, так и двухсторонних ПП, однако они дороже, чем просвечивающие. Преимущества и недостатки различных типов рентгеновских систем представлены в табл.2.
В просвечивающих (двумерных) системах рентгеновское излучение источника направлено перпендикулярно вниз к поверхности ПУ и проходит через все изделие, в результате чего одновременно “видно” обе стороны. Любой элемент ПУ, относительно непрозрачный для рентгеновских лучей, в изображении будет иметь темную конфигурацию. При просмотре двухсторонних ПУ изображение компонентов одной стороны накладывается на компоненты другой, что затрудняет поиск неисправностей при одновременной индикации компонентов.
Ламинография, или трехмерный метод, исследует горизонтальные слои ПП на требуемой высоте по оси Z.
Мнения сторонников каждого из методов сходятся, по крайней мере, по двум моментам – двумерное оборудование дешевле и программирование может занять значительно меньше времени. Сторонники двумерных систем утверждают помимо этого, что, поскольку сконструированное изображение ПУ включает всю глубину по оси Z, краевой контраст и разрешение могут быть выше, чем у изображений, получаемых трехмерным методом.
Двумерный метод обеспечивает время контроля вдвое короче, чем трехмерный, поскольку в последнем нужно конструировать множество изображений – по одному на каждый “слой” сквозь ПУ. Лучшая сфера для двумерного контроля – автомобильная промышленность. Двумерные системы также хорошо подходят для контроля объединительных плат ПК и другой коммерческой продукции. Они легко могут различать индивидуальные свойства, определяющие неисправное состояние.
Двумерный контроль способен идентифицировать неисправность соединений, возникающую из-за непропаев или дефектов копланарности на поверхности ПП, указать ее причину и соответствующее средство устранения (рис.3). Принцип поиска и идентификации неисправностей с помощью двумерных систем основывается на возможностях программ правильно анализировать информацию от фиксированного изображения. Даже трехмерные дефекты, такие как раковины в паяных соединениях, можно обнаружить с помощью просвечивающей аппаратуры, а по утверждению сторонников двумерных систем – даже проще. Ведь трехмерная система исследует слои по Z-оси, поэтому она должна выбрать высоту сечения, которое пройдет через раковину. Еще сторонники двумерных систем утверждают, что из-за необходимости исследования слоя ПП на определенной высоте сечения трехмерная система не способна обнаружить неисправность, которую программатор недостаточно хорошо знает.
Кроме того, сторонники двумерных систем порицают трудность программирования трехмерных систем и то, что их стоимость, по крайней мере, вдвое выше, чем аналогичной двумерной.
При таких возможностях двумерного контроля зачем же, казалось бы, обращаться к более дорогому трехмерному? Однако аргументы защитников трехмерных систем таковы: современные ПУ высокой плотности монтажа на многослойных двухсторонних ПП не поддаются двумерному контролю. Когда элементы на верхней и нижней сторонах ПУ перекрываются, различить их особенности становится трудно или невозможно. В этом случае независимое исследование двух сторон ПП становится настоятельным.
В трехмерной системе при ламинографии относительно ПУ движется либо детектор, либо рентгеновский луч. Это движение снова и снова повторяется, обеспечивая множество изображений одной и той же части ПУ с различных позиций. Далее система, используя эти последовательные изображения, компилирует одно. В различных трехмерных системах в создании изображения соответствующие их компоненты участвуют по-разному. В системе HP-5DX фирмы Hewlett-Packard, например, детектор движется вокруг центра сечения ПУ, а рентгеновским лучом система управляет механически (рис.4). А система MV-6000 фирмы Nicolet использует шесть неподвижных детекторов вдоль пути сканирования рентгеновского луча.
Поскольку ПП не имеет абсолютно плоской поверхности, система должна учитывать различие в высоте платы по всей ее поверхности. В системе НР коробление ПП компенсируется первоначальным ее сканированием лазерным лучом для точного отображения высоты ее поверхности. Затем проводится подстройка ПУ в плоскости изображения для правильного контроля паяных соединений. В системе фирмы Nicolet применен метод динамического отображения поверхности без использования лазерного сканирования.
Сторонники трехмерного контроля утверждают, что многие дефекты требуют именно этого уровня анализа. Например, обрыв припоя на BGA, вызываемый, вероятно, отсутствием копланарности ПП, можно увидеть, только если провести послойное рассмотрение, поскольку на двумерном изображении обрыв спрятан тенью самого шарика припоя. Подчеркивается также более высокое покрытие неисправностей при трехмерном методе.
Кроме того, трехмерная система способна проводить количественные измерения паяного соединения, определяя его геометрические характеристики (высоту и длину галтеля припоя). Используя обратную связь с процессом расплавления припоя, можно повысить выход годных. Двумерный способ не способен найти такие дефекты, как недостаточный галтель припоя.
Собственно говоря, производители могут выбрать трехмерную систему просто потому, что она универсальна, даже если функционирование двумерной системы вполне удовлетворительно в конкретных условиях.
Многие изготовители рентгеновских систем объединяют возможности двух- и трехмерных методов в одной установке. Такое решение позволяет вначале находить дефекты, доступные двумерной системе. Затем применяют трехмерный анализ для тех участков ПП, где это требуется. Такой алгоритм минимизирует влияние трехмерного метода на время контроля.
ВЫБОР РЕНТГЕНОВСКОЙ СИСТЕМЫ
Как видим, рентгеновские системы представляют целое семейство, в котором каждая из них работает более или менее хорошо в конкретной производственной ситуации. Успех зависит от топологии ПП, технологии сборки и применения. На решение о выборе типа рентгеновской системы влияют следующие факторы:
· выход годных при внутрисхемном и функциональном контроле;
· стоимость ремонта ПУ после внутрисхемного и функционального контроля;
· проблемы доступа сегодня и в будущем;
· назначение оборудования: лабораторные исследования, проверка паяных соединений, надежное обнаружение дефектов;
· стоимость рентгеновского оборудования;
· интенсивность эксплуатационных отказов, диаграмма дефектов Парето и стоимость отказов;
· стоимость внутрисхемного контроля опытных образцов;
· объем партий ПУ и смешение технологий монтажа сейчас и в будущем.
Большинство современных рентгеновских систем основано на электронных устройствах, преобразующих рентгеновские лучи в изображение, которое видит человек или обрабатывает процессор.
Ручные утановки во многих случаях могут дать только часть изображения ПУ, так что оператор выбирает интересующий его участок. Изображение демонстрируется на мониторе. В зависимости от сложности системы можно получать основное изображение, метрическую информацию и полную количественную информацию о характеристиках в изображении. Многие ручные системы оснащены компьютером для анализа изображения и прикладными программами. В некоторых системах возможно управление положением ПУ по всем осям координат и под любым углом. В других системах предусмотрено вращение источника излучения и детектора или движение источника относительно объекта, что позволяет изменять увеличение изображения.
В автоматических системах управление осуществляет компьютер. ПО обеспечивает позиционирование ПУ, сообщает, какие части платы исследовать. Оно содержит параметры теста – характеристики недефектных и дефектных соединений, которые оператор устанавливает для данной продукции. После контроля ПУ система создает отчет “годен/не годен” с информацией для использования во время ремонта и для регулировки технологического процесса. Автоматические системы в случае необходимости допускают также полное ручное управление.
В крупносерийном производстве целесообразно использовать автоматические установки как часть производственной линии. В этом случае ПУ поступают непосредственно с линии из картриджей, магазинов или с помощью манипуляторов. В таких системах компьютер управляет загрузкой ПУ и формированием изображения. В зависимости от сложности системы компьютер может также проводить количественные измерения качества, принимая решения “годен/не годен” и передавая данные контроля сетевому компьютеру для статистического анализа. Система содержит библиотеки типов выводов и типичных пределов параметров для различных видов паяных соединений. Гибкие системы позволяют вводить новую информацию о контактах и компонентах. Срок обучения оператора – от нескольких дней до недели в зависимости от сложности аппаратуры.
Широкому распространению рентгеновских систем, между прочим, мешает то, что многие инженеры все еще считают рентгеновский контроль сложным методом и не осведомлены о высокой степени обнаружения скрытых дефектов этими системами. Кроме того, они полагают, что рентгеновские системы слишком дороги. В наши дни их стоимость простирается от 50 тыс. долл. за базовую ручную установку до 500 тыс. долл. за полностью автоматическую производственную систему, причем к этому надо добавить расходы на заработную плату, оснастку, инфраструктуру и обучение. Дороги, да, но если проследить их преимущества по всему производственному процессу, можно обнаружить, что они дешевле других, “более дешевых” альтернатив: обнаружение дефектов, которые не находят внутрисхемные тестеры, отсутствие необходимости в контактирующих приспособлениях, пусковой период рентгеновских систем, составляющий несколько дней (внутрисхемных – несколько недель) – все это экономит тысячи долларов на одну тестовую станцию.
ПРИМЕРЫ СОВРЕМЕННЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ
Рентгеновские системы контроля ПУ всех типов выпускаются множеством фирм, в том числе Agilent Technology (США), Dage Precision Industries Ltd. (Англия), Faxitron X-ray (США), GenRad (США), Macrotron Systems (Германия), Nicolet Imaging Systems/GenRad (Германия), Phoenix X-Ray (Германия), Viscom (Германия), X-Tek Systems (Англия) и др.
Рентгеновская система XL 7000 фирмы Dage Precision Industries Ltd. разработана для удовлетворения возрастающих требований изготовителей ПУ, обеспечивает круговой обзор объекта с высоким разрешением изображения (2 мкм) и увеличением. Позволяет проверять целостность соединений, находящихся под выводами компонентов, например под BGA. Простота использования и высокая производительность обусловлены мощным ПО, которое осуществляет полное управление системы, включая передвижение образца, анализ и вывод данных. Взаимодействуя с системой через дисплей, оператор способен быстро выбирать, индицировать и сохранять интересующий участок ПУ. Технические характеристики:
Стандартная рентгеновская трубка Dage MediXtec TR160
Напряжение анода 30–160 кВ
Мощность мишени менее 5 Вт
Анодный ток 0–0,2 мА
Диаметр фокусного пятна менее 2 мкм
Участок контроля макс. 610х508 мм
Размер рентгеновского изображения макс. 610х508 мм
Увеличение до 2400
Вид под углом 0–45° вокруг всего образца
Масса образца макс. 8 кг
Дисплей оператора цветная ЖК-панель 2,5х38 мм
Выход данных к сетевому ПК
Безопасность надежный с защитной блокировкой
кожух, соответствует техническим нормам ЕС и США.
Габаритные размеры 1760х1860х1890 мм
Масса 2400 кг
Трехмерная система 3dзinspector фирмы Phoenix X-Ray (рис.5) использует инновационный метод цифровой ламинографии. Благодаря сочетанию механического и электронного вращения число движущихся частей снижено. Система предназначена для послойного контроля ПУ и несмонтированных ПП. Осуществляет анализ отказов соединений под современными ИС, соединений поверхностного монтажа, раковин в припое, анализ целостности слоев ПП, контроль двухсторонних ПП. Технические характеристики:
Размер исследуемого образца 20х20 мм
Пространственное разрешение менее 10 мкм
Реконструкция изображения по 255 слоям
Время сбора данных 20 с
Высота образца макс. 10 мм
Следует отметить, что в системах фирмы применен разработанный ее специалистами способ блокирования радиации к исследуемым образцам при их манипуляции внутри рентгеновской системы, благодаря чему отпадает необходимость отключать источник излучения. В результате образцы получают минимальную дозу рентгеновского излучения, при которой невозможно изменение характеристик материалов.
Система 43855C фирмы Faxitron X-ray (рис.6) пригодна для работы с рентгеновской пленкой и с рентгеновским изображением в реальном времени. Получение изображения достигается благодаря использованию усилителя изображения, соединенного с ПЗС-камерой высокого разрешения. Модульная конструкция системы при необходимости допускает модификацию. Технические характеристики:
Напряжение анода 110 кВ
Диаметр фокусного пятна от 0–20 мкм
Таймирование экспонирования от 3 до 60 с с приращением 1 с
Размер исследуемой ПП для пленки – макс. 45х40 мм
для усилителя – макс. 23х23 мм
Безопасность удовлетворяет стандартам
21 CFR 1020.40
Автоматическая система GR X-Station 3D фирмы GenRad (рис.7) признана установкой следующего поколения, объединяет запатентованные методы автоматического просвечивания (двумерный) и цифровой ламинографии на одной платформе. Благодаря высокой степени гибкости, высокому разрешению изображения и процессу контроля GR X-Station установила новый стандарт для контроля ПУ.
Программные средства GR Force/Strategist позволяют анализировать конструкцию каждого ПУ, моделировать конфигурацию производственной линии и определять оптимальную стратегию программирования теста и контрольного оборудования. Это ПО дает возможность разработать множество стратегий, которые максимизируют покрытие неисправностей и эффективность контроля. Технические характеристики моделей системы представлены в табл.3.
КОМБИНАЦИЯ ВИДОВ КОНТРОЛЯ
Современная техника предлагает множество методов и средств контроля ПУ. Для правильного выбора необходимо рассмотреть сильные и слабые стороны основных стратегий контроля на каждом технологическом этапе.
Сегодня обнаружение неисправностей и ремонт ПУ приобретает даже большее значение, чем раньше. Современный сложный ПУ имеет площадь приблизительно 116 мм2 и 18 слоев, содержит свыше 3 тыс. компонентов наверху и внизу, более 6 тыс. контактных площадок и 20 тыс. паяных соединений, требующих проверки. У новых конструкций приблизительно 11600 контактных площадок, 5100 компонентов и 37800 паяных соединений. Растет число неисправностей. Так, ПП с 15 тыс. паяных соединений и хорошим уровнем дефектности (10-4) приводит к выходу годных только 22%, а это означает, что почти каждая ПП требует замены или ремонта.
При создании ВЧ-устройств конструкторы избегают включения контрольных точек, изменяющих характеристики изделия. ВЧ-экраны часто устанавливаются на ПП до расплавления припоя, что делает невозможным визуальный контроль компонентов под экраном.
Для некоторых типов ПУ, таких как устройства в сотовых телефонах, реальный доступ намного меньше 50%. Возрастает стоимость контактирующих приспособлений – контактрон с 6000 выводов стоит 50 тыс. долл. Эти факторы делают невозможным 100%-ный внутрисхемный контроль большинства современных ПУ. Визуальный доступ ограничен, и, собственно, ни один из способов контроля не может перекрыть весь спектр отказов. Необходима их комбинация.
ПУ, у которых превышен предел сетки в 5200 точек, невозможно проверить внутрисхемным методом. Тогда применяется ламинография, которая обеспечивает тестовое покрытие до 99%. Это сокращает число контрольных точек для внутрисхемного контроля в среднем на 40%, что снижает сложность контактрона и его стоимость. В результате ускоряется продвижение ПУ через технологический процесс. Использование рентгеновского контроля повышает также выход годных после внутрисхемного на 20%. Таким образом, вся эта комбинация снижает общие расходы, повышает качество и надежность продукции и ускоряет отгрузку изделий.
В недалеком будущем предполагается принимать решение относительно способа контроля новой конструкции ПУ сразу же после сбора данных о его схеме. Тут-то и будет решено, что следует проверять на внутрисхемном тестере, а что с помощью рентгеновской системы. Идеально ПО сможет генерировать тесты для обоих способов.
www.tmworld.com/articles/2001/10_slice.htm
www.tmworld.com/articles/2001/02_xray.htm
www.tmworld.com/articles/98articles/
www.cassembly.com/online/2000/10/
www.phoenix-xray.com/
www.genrad.com/news/
www.dageinc.com/news4.html
www.cassembly.com/db_area/archives/top100/
Test & Measurement Europe/August-September 2000
www.faxitron.com/p4c.htm
www.e-insite.net/
Отзывы читателей
