PCB组装领域中的Xray检测技术

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PCB组装领域中的X-ray检测技术鲜飞（华中数控股份有限公司，湖北武汉430223）摘要：高密度封装技术的飞速发展也给测试技术提出了新挑战。为了应对挑战，新的测试技术不断涌现，X-ray检测技术就是其中之一，它能有效控制BGA的焊接和组装质量。现在X-ray检测系统不仅仅只是用在实验室失效分析，已经被专门设计用于生产环境中的PCB组装和半导体行业，提供高分辨率的X-ray系统。本文扼要地介绍X-ray检测技术的原理及应用,指出了X-ray检测技术是保证电子组装质量的必要手段。关键词：X-ray检测；线路板；X射线管；样板；图像接收器X-rayInspectioninPCBAssemblyFieldXianFei(HuazhongNumericalControlCo.,Ltd,Wuhan430223,China)Abstract:Therapiddevelopmentofhighdensitypackagingtechnologyhasalreadybringupthenewchallengetotestingtechnology.Forreplyingchallenge,thenewtestingtechnologycontinuouslyappears,X-rayinspectionisoneofthem,itcanbeusedtocontrolqualityofBGAsolderingandassembly.NowX-rayinspectionsystemshavebeenspecificallydesignedforPCBAssemblyandsemiconductorindustriesofferinghighresolutionX-raysystemsnotonlywithinfailureanalysislaboratoriesbutalsowithintheproductionenvironment.ThispapersimplyintroducesthetheoryandtheapplicationofX-rayinspection,indicatesthatX-rayinspectionisnecessarymethodtoguaranteethequalityofelectronicsassembly.Keywords:X-rayInspection;PCB;X-rayTube;Sample;Detector现今面阵列器件的使用诸如BGA、Flipchip以及CSP等愈来愈普遍。为了保证这类器件在PCB组装过程中不可见焊点的焊接质量，X-ray检查设备正成为日益增长所不可或缺的重要检测工具。其主要原因是它可以穿透封装内部而直接检查焊点质量的好坏。由于半导体组件的封装方式日趋小型化，在考察X-ray检测系统时必须同时兼顾现在与未来组件小型化的趋势。因此，最合适的X-ray检测系统必须要有清晰的X-ray图像以提供分析缺陷（例如：开路，短路等）时所需的信息。为达此目的，X-ray检测系统必须有足够的放大倍率以符合现在与未来的需求。除此之外，对于BGA和CSP的分析同时需要有倾斜角检视功能（如图1）。如果缺少倾斜角度检视，也就是说只能从正上方检视锡球，如此所提供的锡球尺寸和厚度变化可能缺少可供分析的细节信息。像这样针对高放大倍率和倾斜角观测的需求，各家制造商所提供的系统各有差异。图1倾斜角度观测到的BGA锡球95 1二维和三维X-ray检测系统现今市场上针对BGA和CSP应用的X-ray检测系统大致可以分成两大类：二维系统以及三维系统。所有这些设备都可以离线操作并作批量检测或者抽样检测。我们可以很简单地从生产线的任一位置（锡膏印刷之后，贴片机之后或者回流焊前后）检查PCB，并在测试之后再放回生产线上。某些厂商的X-ray检测系统可以用作在线使用（例如HP的5DX），而这些设备多半放在回流炉之后。选择离线或者在线设备具体要看应用场合和测试量多少而定。一般而言，在线设备所需的额外成本与安全考量使得这种设备适合于大批量、复杂及品种变化少的应用场合。然而，在线X-ray检测系统基本上是生产线上最慢的部分，这使得整个生产线产能下降。因此，即使在高产量的应用场合，出于生产成本因素考虑，也可以采用离线设备作批量检测。例如：针对单一产品生产线使用在线设备，而针对多样产品生产线使用离线设备。1.1检测原理所有的X-ray检测设备，不论是二维或者是三维系统原理基本是X-射线投影显微镜（见图2）。X射线发射管产生X射线通过测试样品（例如PCB），根据样品材料本身密度与原子量的不同对X射线有不同的吸收量而在图像接收器上产生投影，密度越高的物质阴影越深。越靠近X射线管阴影越大，反之阴影越小，这也就是几何放大率的原理（见图3）。图2AXI检测原理图3几何放大倍率二维X-射线系统同时显现PCB上双面所有组件的二维图像。三维X-射线系统利用一系列的二维图像重建图像信息以产生某一切面的图像。在二维系统上类似的应用比如医学上的骨骼断裂情况；在三维系统上比如所谓的计算机断层（CT）扫描系统。此一技术可以产生被测样品上某一横截面的图像。另外一种三维X-ray检测系统称作X射线分层法（Laminography）。它是经由组合某一横截面的图像资料同时消除其它横截面的图像信息而96 重建某一横截面的图像。二维系统可以是在线式或者是离线式的。X射线分层法系统也可以是在线式或者是离线式的，但是在线使用时速度很慢，因为利用多张图像重建资料需要时间。带CT功能的X-ray检测系统是离线式的，这是因为它需要利用多张二维图像和复杂的运算以重建信息，而这需要花好几分钟去完成。因此，CT型式的X-ray检测系统只适用于图像生成时间不是很重要的专业研究分析场合。其它的二维和三维系统则必须架构在使用最短的时间产生最好的图像品质之上以减少测试流程的成本花费。1.2X-ray检测设备的特点所有的X-ray检测设备，不论是二维或三维，都有以下的特点（请参考图2）：（1）设备中有一个X射线管产生X射线。（2）一块样板操作台载着样板移动使样板的不同部位都能得到检测，并能调整放大倍率，也能进行倾斜角度观测。（3）一个图像接收装置可以捕捉到穿过样板的X射线并转换为可以呈现在使用者眼前的良好图像（见图4）。图4呈现良好图像的BGA焊点1.3X射线管所有X-ray检测系统的最关键部件是X射线管，目前X射线管有两种类型：开管式和闭管式，表1列出了开管式和闭管式X射线管特点的比较。针对BGA和CSP的应用需求及特殊的应用要求选择合适的射线管。X射线管的选择决定了此检测设备所能达到的分辨率。X射线管也直接影响设备的放大率和其可检测样板的种类范围。特点开管式X射线管闭管式X射线管最小分辨率≤1um5um或更大最大管电压≥160KV100KV几何放大倍数高低灯丝寿命300-800小时长寿命，可达1万小时系统维护成本灯丝/设备的定期清理维护，不需要需要专业的真空泵抽真空表1开管式与闭管式X射线管的特点在考虑和选择X射线管时必须考虑以下几点建议，它们会影响系统的功能：（1）射线管类型—开管式或闭管式。选择的X射线管类型会影响设备的分辨率及使用寿命。分辨率越好越可以分辨越细微的特性。如果只是测试大的对象，那么可以选择比较粗97 糙的分辨率。但是，针对BGA和CSP极小器件的特点一般需要2微米或更小的分辨率。（2）标靶类型—穿透式或反射式。所采用的标靶类型会影响样板距X-射线管焦点的远近，进而直接影响设备可达到的放大倍数。（3）X射线管电压和功率。采用越高电压，所产生的X射线穿透力越强，其可以检测更大密度或更厚的物体。针对某一电压值，使用越大X射线管功率所获得的图像越清晰。生产厂家提供的一般PCB应用的标准电压值是160KV和100KV。如果所要检测的都是薄板，使用低电压是较合适的。可是，如果在PCB层数增加或者检测BGA锡球内部气泡的情况就就需要使用高电压。在比较不同厂商提供的射线管规格时要小心谨慎，因为大的射线管功率只有在牺牲射线管焦点大小也就是图像分辨率时才能达到。因此，必须在同样的射线管功率和分辨率/焦点尺寸的情况下才能进行比较。针对如何选择最好的X射线管可以参考表1。闭管式X射线管属于一种整合式的结构，因此无法对其做维修。但是它可以提供相对于开管式X射线管更长的使用寿命。闭管式射线管提供的分辨率和放大率都比开管式的更差。更换损坏的封闭式射线管的费用要远远高于开放式射线管中的消耗品—灯丝和标靶的费用。一台配有闭管式X射线管在超过使用寿命后的修理费用是极其昂贵的。从操作角度考虑，闭管式X射线管一般适用于三维和在线式X-ray检测设备。使用开管式X射线管，可以利用某些技术结合来缩小射在标靶上的焦点而提高分辨率。开管式射线管的最高分辨率比最高规格的封闭式射线管的分辨率要高5倍（可达1微米或更小）。该分辨率只有在非常特殊的情况下才会使用，而且往往是针对特殊制作的样板，这对大多数的应用而言这是不需要的。现在大多数开管式X-ray检测设备生产商把X射线管的分辨率调整到闭管式X-ray检测设备3-5倍的分辨率（≤1um），并且提供一个可以在实际操作环境中比较可靠耐用的状态。放大率和分辨率对较小的BGA和CSP器件而言是很重要的，因此开管式X射线管得以广泛应用在目前的离线设备中。2样板操作无论对哪一种X-ray检测设备而言，最简单的操作方式是将样板置于操作平台上并使其作X、Y和Z轴方向移动而X射线管和图像接收器保持固定不动。不过，通常对在线设备而言，其架构不同于离线设备，由于要进行PCB的传送、装载，样板只能沿X、Y轴移动，这时便通过移动X射线管实现放大率（Z轴移动）的变化。这种移动方向上的分解，会影响到X射线管与样板之间的最小接近距离（影响到最大放大率），而且要让操作员掌握这些变化的移动方式，可能会让系统的操作学习更加困难。以上描述的操作平台限制只能从样板正上方进行检测。但是，从样板正上方检测BGA开路会被锡球阴影阻碍，因此我们需要侧面图像帮助检测开路等现象，图5是一张倾斜拍摄的BGA照片，其中正常的焊点为圆柱型，开路焊点为圆型（如图中方框所示）。简单的二维设备通过将XYZ样板平台加装倾斜和旋转机构来摄取侧面图像。可是，这样的设计有缺点，当样板倾斜时，必须把样板移离X射线管以避免样板和射线管、图像接收器和设备的任何其他部分发生碰撞。因此，样板移离射线管的必然结果是几何放大率降低，原因是样板移离了射线管聚焦光点（见图6）。98 图5侧面观察到的BGA开路焊点图6倾斜样板防止碰撞但增加样板与射线管焦点距离为了克服上述缺点，近年来出现了一系列设备可以在不降低既有放大率的前提下，获得侧面图像。不同生产厂家实现这一目标的途径会有些许不同，图7即为其中的一种典型方法。一般来说，达到这一目的的途径是类似的，就是样板从始至终都处于水平状态，这样就可以尽量接近X射线管。侧面图像可以通过移动图像增强器而不是倾斜样板获得。因此，得到侧面图像的同时又不会影响放大率。现在已经可以获取最大达70度的侧视角度。99 图7籍由移动图像接收器达到倾斜观察2图像摄取装置现今在PCB应用上，传统的感应胶卷已被实时的X射线图像所取代。最常被使用的方法是使用图像增强器。图像增强器是使用一种X射线感应磷光剂来感测从被测物体穿透过来的X射线。这种磷光剂将X射线光转换成可见光，再经由模拟式光学CCD摄像机成像然后再将图像信号传送到X射线操作系统，最后在屏幕上呈现图像供操作者使用。近年来，一个以全新数码方式获取与呈现X射线图像的方法即将问世，这种方法是来自于医学应用上的图像传感器，例如CMOS平板传感器。虽然这些传感器可以经由像素分辨率和灰阶感度来改善图像增强器的感测能力，但目前其价格相较于同等级的图像增强器较为昂贵，除非是使用在高科技应用场合时可以考虑。平板传感器也需要最长至10秒的时间来产生可以接受的单张图像，以至于呈现在操作者眼前的并非是实时的图像。这种情况在实验室可以接受但却不适用于要求快速及清晰图像品质的生产环境。最近针对X射线检测的数码传感器的发展是结合最好的图像增强器和医疗用摄像技术并且配合最新的数码信号处理及使用高分辨率的数码屏幕。这种图像增强器配备的价值主要在于高分辨率以及具有非常好灰阶感度的较大数码光学CCD摄像头。以这种方式，用同样的平板传感器可以达到没有任何画素遗失而且实时的图像结果。因此，检测流程可以因为步骤的减少而简化同时可以获得更多更好的测试结果。3典型X-ray检测设备目前市场占有率较高的X-ray检测设备厂商有德国的Phoenix、英国的Dage、日本的岛津、美国的Feinfocus等，表2列出了这些厂商一些常见型号设备的性能参数对比，供用户在选型时进行参考。100 PhoneixmicromexDAGE7600NT500岛津SMX-2000X射线管类型开管NT管（改进的闭管）开管几何放大倍数213016001500倍最大管电压180KV160KV160KV分辨率1um0.5um1um最高分辨率下可实现4W3W3W的最大功率灯丝寿命300-800小时1万小时300-500小时灯丝成本100-150美金至少1万美金100-150美金最大倾斜角度70度倾斜70度倾斜70度倾斜oooo样品旋转范围360360-180～+180控制方式操纵杆、鼠标(手动)、CNC鼠标(手动)、CNC（自动）鼠标(手动)、CNC（自动）（自动）最大可测区域（垂直视角模式）610×510mm508×444mm470×420mm最大可测区域（倾斜视角模式）460×360mm458×407mm460×410mmCT扫描升级可加装可加装可加装X-rayleakage（辐射，<0.5μSv/hr<1μSv/hr<1μSv/hr小于1μSv/hr接受）设备尺寸，重量2020×1860×1920mm(宽1450×1700×1970mm(宽1580×1690×1780mm(宽×长×高),2600kg×长×高),1950kg×长×高),2400kg表2X-ray检测设备性能对比4结束语X-ray检测技术为SMT生产检测手段带来了新的变革，可以说它是目前那些渴望进一步提高生产工艺水平，提高生产质量，并将及时发现电子组装故障作为解决突破口的生产厂家的最佳选择。随着SMT器件的发展趋势，其它装配故障检测手段由于其局限性而寸步难行，X-ray检测设备将成为SMT生产设备的新焦点并在SMT生产领域中发挥着越来越重要的作用。参考文献：[1]吴懿平，鲜飞.电子组装技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.[2]张文典.实用表面组装技术（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2006.[3]周德俭.表面组装工艺技术[M].北京：电子工业出版社，2002.[4]禹胜林，王听岳，崔殿亨.球栅阵列（BGA）封装元件与检测技术[J].电子工艺技术，2000（1）：10-12.[5]汤勇峰.BGA检测技术与质量控制[J].电子工艺技术，2000（1）：17-19.[6]RezaGbaffarian.BGAsforHighReliabilityApplications[J].ElectronicPackaging&Production,1998(8)：26-32.[7]李瑜.X-ray检测的原理与应用[A].第5届全国SMT/SMD学术研讨会论文集[C].武汉：中国电子学会，1999.548-553.[8]鲜飞等.测试技术应用前景分析[J].信息技术与标准化，2002，2：18-21.[9]鲜飞.高密度封装技术推动测试技术发展[J].中国集成电路，2008，7：65-68.101 作者简介：鲜飞（1978-），男，华中科技大学计算机学院工程硕士，高级工程师，从事电子组装工艺技术工作，在各种学术会议及电子科技期刊上发表学术论文300多篇，出版有《电子组装技术》专著，2008年深圳华南Nepcon最佳SMT工程师获得者。通信地址：湖北省武汉市东湖高新区庙山小区华中科技大学科技园华中数控股份有限公司工艺部邮编：430223E-mail:xianfeismt@163.comTEL：027-87180293手机：13986244729102