Система рентгеновского контроля качества пайки корпусов BGA и CSP (критерии выбора)

13.08.2023 |

Широкое использование микросхем в корпу­сах BGA и CSP вызывает необходимость применения средств контроля качества их пай­ки. В статье дан краткий обзор принципов рабо­ты систем рентгеновского контроля, рассмот­рены их особенности и возможность использо­вания для контроля качества пайки корпусов BGA и CSP.

А. Мельниченко

 

Учитывая непрерывное уменьшение размеров компонентов, при выборе системы рентгеновского контроля (СРК) для контроля качества пайки следует руководствоваться требованиями не только сегодняшнего, но и завтрашнего дня. Для этого СРК долж­на быть способна обеспечить необходимое увеличе­ние при сохранении достаточной четкости изображе­ния, позволяющей исследовать все погрешности пай­ки (замыкания, отсутствие контакта и др.). Кроме то­го, желательно иметь возможность исследования па­яных соединений под разными углами, чтобы полу­чить дополнительную информацию об их состоянии.

Выбор наиболее оптимальной системы зависит от конкретных условий ее применения [1]. В некоторых случаях можно удовлетвориться системой с несколь­ко меньшими увеличением и разрешением, если это компенсируется другими ее преимуществами. Это касается, к примеру, так называемых, «in-line» систем, применяющихся для оперативного контроля крупных партий изделий. Для таких систем важным требова­нием является малое время исследования, не влияю­щее на скорость выпуска продукции.

Основными характеристиками, определяющими качество СРК, являются разрешение и соответствую­щее ему увеличение. Чем меньше размеры исследуе­мого объекта, тем большее увеличение и разрешение должна обеспечить СРК. Для исследования качества пайки компонентов BGA и «flip-chip» следует ориенти­роваться на применение систем с увеличением не ме­нее 200 и разрешением не хуже 10 мкм.

Кроме основных характеристик систем необходи­мо учитывать удобство применения той или иной системы в конкретном производственном процессе. Вы­бор системы, для управления которой не требуется участие опытных операторов, может оказаться эконо­мически более выгодным. Однако, это не должно сопровождаться ухудшением ее аналитических возмож­ностей.

Принцип работы системы рентгеновского контроля

Система рентгеновского контроля представляет собой микроскоп, воспринимающий тень от предме­тов, расположенных между источником рентгенов­ского излучения и его приемником (рис. 1). Размер этой тени, а, следовательно, увеличение системы за­висит от того, насколько близко к источнику излуче­ния находится исследуемый предмет (рис. 2).

Рис. 1. Устройство системы рентгеновского контроля с двумерным изображением

Рис. 2. Получение изображения с различным увеличением

Перемещая образец вдоль осей X и Y, можно ис­следовать различные его участки. Перемещение об­разца вдоль оси Z приводит к изменению увеличения.

Наиболее простым вариантом использования СРК является закрепление образца в манипуляторе и пе­ремещение его вдоль осей X, Y и Z относительно не­подвижных рентгеновской трубки и приемника излу­чения. Другим вариантом, применяемым обычно в «in-line» системах, является перемещение образца вдоль осей X и Y, при этом изменение увеличения до­стигается перемещением трубки по оси Z.

Рис. 3. Увеличение расстояния между трубкой и образцом при его наклоне

Рис. 4. Метод исследования образца под различными углами, не влияющий на расстояние между трубкой и образцом

 

Дополнительную информацию об исследуемых образцах можно получить, рассматривая их под раз­ными углами зрения. Это достигается их наклоном или поворотом, что позволяет, к примеру, наблюдать форму переходных отверстий или сферических вы­водов микросхем. Однако при наклоне приходится отдалять образец от трубки во избежание их столк­новения (рис. 3), в результате чего увеличение уменьшается.

В последнее время в СРК для исследования об­разцов под различными углами используют схему, изображенную на рис. 4. Здесь образец остается не­подвижным и может быть расположен сколь угодно близко к трубке. Примеры изображений приведены на рис. 5 и 6. Так, на рис. 6 видно, что верхний вывод не припаян к плате.

Обычно углы наклона, под которыми исследуется образец, не превышают 45°. В некоторых СРК мож­но обеспечить и больший угол наклона, однако при этом наблюдается перекрытие изображений сосед­них выводов корпусов BGA, что снижает информа­тивность.

Рис. 5. Рентгеновский снимок сферических выводов микросхемы «flip-chip», сделанный перпендикулярно плоскости платы (диаметр выводов около 190 мкм)

Рис. 6. Снимок того же объекта, сделанный под углом к плоскости платы

 

В «in-line» системах трехмерного изображения, по­строенных по принципу ламинографии (т.е. реконст­рукции изображения некоторого слоя исследуемой платы путем вычитания изображений других слоев), нет необходимости в наклоне детектора, поскольку в них имеется возможность получать послойные изоб­ражения. Исследуя слой изображения в месте при­пайки выводов микросхемы к плате, можно ясно ви­деть все различия в пайке соседних соединений. Трудность заключается лишь в фокусировке на иссле­дуемую плоскость, особенно в случае коробления платы. Следует учитывать, что в этих системах ис­пользуются трубки закрытого типа, разрешение кото­рых гораздо ниже, чем трубок открытого типа. Еще одним фактором, влияющим на качество полученного изображения, является сложность алгоритма обра­ботки исходных данных.

Характеристики основных узлов СРК

В систему рентгеновского контроля входят следу­ющие функциональные узлы:

  • рентгеновская трубка для создания пучка рентге­новских лучей
  • манипулятор для перемещения исследуемого об­разца
  • приемник излучения, преобразующий рентгенов­ское излучение в видимое.

Рентгеновские трубки

Рентгеновская трубка является основной частью всех СРК. Ее выбор определяется сферой ее исполь­зования [1]. От выбора трубки зависит разрешение системы и ее увеличение. Для контроля качества пай­ки корпусов BGA и CSP желательно иметь разреше­ние не хуже 2 мкм.

Основные параметры рентгеновских трубок

  1. Тип трубки: открытая или закрытая.

Трубки закрытого типа имеют больший срок служ­бы, чем трубки открытого типа. Хотя следует иметь в виду, что заявленные изготовителем параметры труб­ки достигаются лишь на начальной стадии ее срока службы. Недостатком трубок закрытого типа является худшее разрешение и меньшее увеличение. Кроме того, при выходе из строя трубок закрытого типа их необходимо заменять целиком, тогда как в трубках открытого типа можно обойтись заменой какой-либо детали. Поэтому эксплуатационные расходы в случае СРК с трубками закрытого типа го­раздо выше.

Повысить разрешение СРК с трубками открытого типа можно, применяя методы, изложенные в [2]. В определенных условиях с ис­пользованием трубок открытого типа и специально подготовлен­ных образцов можно достичь раз­решения 1 мкм и менее, что более чем в 5 раз выше, чем для трубок закрытого типа. Это разрешение не является типовым. Большинство про­изводителей предпочитают заявлять для своих тру­бок несколько худшее разрешение (порядка 2 мкм), однако гарантируют его для большинства реальных условий. Трубки открытого типа используют при вы­борочном контроле («off-line»), поскольку они обес­печивают достаточно высокое разрешение и увели­чение, что необходимо для исследования малых кор­пусов BGA и CSP.

  • Тип мишени: на пропускание или на отражение. От типа мишени зависит, как близко исследуемый об­разец может быть расположен к фокусу трубки, что в свою очередь определяет увеличение СРК.
  • Напряжение и мощность, потребляемая труб­кой. С повышением напряжения на трубке увеличи­вается проникающая способность рентгеновского излучения, что дает возможность исследовать объек­ты большей плотности или толщины. Типовые напря­жения для исследования печатных плат составляют 100-160 кВ. Для исследования более тонких объек­тов предпочтительно работать с меньшими напряже­ниями, в то время как более высокие напряжения могут понадобиться, к примеру, при исследовании пустот в паяном соединении, а также при большом числе слоев платы. При сравнении параметров раз­личных трубок необходимо обращать внимание на то, что для трубок некоторых производителей заяв­ленная максимальная мощность излучения может быть достигнута лишь за счет увеличения размеров фокусного пятна и, как следствие, ухудшения разре­шающей способности.
  • Число фокусирующих систем в трубке. Обычно их бывает одна или две. Существуют трубки с очень хорошей фокусировкой, обеспечивающей весьма ма­лый размер фокусного пятна, однако это сопровож­дается уменьшением мощности излучения. В резуль­тате изображение выглядит недостаточно контраст­ным, что вынуждает увеличивать время исследова­ния.

Параметры наиболее приемлемых для СРК трубок приведены в таблице.

Приемники рентгеновского излучения

В качестве приемников рентгеновского излучения в СРК используют, как правило, усилители изображения. Экран такого усилителя покрыт слоем фосфора, превращающего рентгеновское излучение в видимое, которое воспринимается CCD-видеосенсором. Полу­ченное изображение затем передается на монитор оператора СРК.

Параметры рентгеновских трубок

Параметры Тип рентгеновской трубки
Закрытого типа Открытого типа, фокусировка:
одинарная двойная
Макс, разрешение, мкм более 5 2 менее 1
Макс, напряжение, кВ 90, 150 160 100,160
Техобслуживание не требуется необходимо
Увеличение малое большое
Эксплуатационные расходы средн ие/высокие малые
Толщина мишени, мкм большая ~5 2-3

В современных приемниках рентгеновского излу­чения сочетаются лучшие технологии, применяемые в усилителях изображения и медицинских фотокаме­рах, а также последние достижения в области цифро­вой обработки изображений. Такой подход объединя­ет экономичность усилителей изображения с боль­шим разрешением и высокой чувствительностью CCD-сенсоров. К тому же в этом случае достигается высокая скорость получения изображения, что являет­ся весьма важным фактором в условиях производства.

Системы с двух- и трехмерным изображением

Системы, используемые для контроля пайки кор­пусов BGA и CSP, можно разделить на две группы: си­стемы с двух- и трехмерным изображением. Системы с двухмерным изображением позволяют исследовать плату под углом зрения, перпендикулярным к ее пло­скости. В результате получается изображение компо­нентов, расположенных с обеих сторон платы. Систе­мы с трехмерным изображением делают серию сним­ков платы под разными углами и затем обрабатывают полученные данные таким образом, что в результате создается изображение некоторого среза платы. Можно провести следующую аналогию: двумерное изображение напоминает рентгеновский снимок, в то время как трехмерное — компьютерную томографию.

Системы с двухмерным изображением не приспо­соблены для исследования образцов под различными углами. Поэтому возможности получения визуальной информации у них ниже, чем систем с трехмерным изображением. Однако время, затрачиваемое на ис­следование при использовании систем с двумерным изображением, весьма мало за счет исключения опе­рации наклона приемника или образца.

Как те, так и другие системы можно использовать как для оперативного («in-line»), так и для выборочно­го («off-line») контроля на любой стадии технологиче­ского процесса. Однако следует учесть, что для полу­чения изображения в трехмерных системах требуется некоторое время, поэтому применение этих систем «in-line» может уменьшить скорость выпуска изделий. Поэтому предпочтительно их использовать «off-line», т.е. там, где время получения изображения не играет существенной роли.

Решение о применении той или иной системы («on-line» или «off-line») зависит от конкретных усло­вий, в частности, от номенклатуры изделий, величины партии и числа изделий, подлежащих проверке.

Управление системами контроля не должно быть слишком сложным. В противном случае придется содержать операторов высокой квалификации, что вле­чет за собой увеличение расходов.

Автоматизация контроля паяных соединений

На изображениях, созданных по принципу ламино­графии, яркость отдельных участков зависит от тол­щины слоя припоя. Эта зависимость может быть ис­пользована для автоматического контроля паяных со­единений (AXI — automatic X-ray inspection). Для прак­тического использования этого метода должно быть разработано необходимое программное обеспече­ние. Это представляет известную трудность, так как необходимо правильно выбрать критерии распозна­вания брака. Иначе необходимо считаться с неизбеж­ностью дополнительных расходов на содержание ква­лифицированного обслуживающего персонала, что снижает эффективность применения СРК.

Заключение

Выбор оптимальной СРК определяется областью ее применения. Системы для контроля качества пай­ки корпусов BGA и CSP должны иметь высокое разре­шение, большое увеличение и возможность исследо­вания образцов под различными углами. Этим требо­ваниям в наибольшей степени соответствуют СРК с трубкой открытого типа, простым манипулятором с возможностью наклона образца, а также работающим в реальном времени высокочувствительным прием­ником изображения.

Способ использования СРК — «in-line» или «off-line» — определяется экономическими соображениями. В слу­чае применения системы «in-line» следует учесть воз­можное уменьшение скорости выпуска изделий, а так­же то, что из-за ее непрерывного использования в производственном процессе контроль других изделий невозможен. Системы «off-line» можно использовать для контроля различных изделий на разных стадиях технологического процесса.

Кроме технической стороны вопроса следует учи­тывать и экономические соображения. В частности, необходимо знать, насколько сложным является уп­равление системой контроля и необходимо ли обуче­ние обслуживающего персонала. Сложность управле­ния можно оценить, проводя исследования одного и того же образца на различных СРК. Это позволит вы­брать систему с наименее сложным управлением, что даст дополнительную экономию на обучении персо­нала.

ЛИТЕРАТУРА

  • David Bernard. Selection criteria for X-ray in­spection systems for BGA and CSP solder joint analysis. — «Global SMT & Packaging», Volume 3, Number 6, Sep­tember 2003.
  • David Bernard. X-ray tube selection criteria for BGA/CSP X-ray inspection. — «The Proceedings of Nep- con», Shanghai 2003.