Выбор системы рентгеновского контроля. Взгляд технолога

Максим Шмаков

Окончание. Начало в № 4 `2006

Phoenix |Х-гау — Германия (ЗАО «Предприятие ОСТЕК»)

Phoenix|X-ray — группа компаний, основанная в 1999 году в связи с разделением FeinFocus. За это время Phoenix | X-ray стала известным поставщиком систем рентгеновского контроля, ориентированных и адаптированных для каждого пользователя. Такие системы применяются в различных областях, в том числе и в электронной промышленности.

Из продуктов компании, представленных на российском рынке, хотелось бы рассмотреть три наиболее интересные системы — это уже многим известный pcba | analyzer (рис. 29), microme | x (рис. 30) и nanome | x.

Сразу отметим, что конструкция манипулятора (рис. 31) в данных системах лишена следующего недостатка: чтобы повысить геометрическое увеличение, расстояние «излучатель-объект» уменынают-движением объекта по оси Z, а не рентгеновской трубки, как в системах фирмы FeinFocus (о чем было написано выше). Различие в манипуляторах состоит также и в том, что в данных системах отсутствует поворот детектора на 360° в горизонтальной плоскости (только наклон), но это компенсируется поворотом столика (детали)
на тот же угол.

Системы контроля рентгеновским излучением серии pcbal применяются для контроля качества сложных многослойных печатных плат с высокой плотностью монтажа сложных многовыводных компонентов, таких как BGA, μΒGΑ, QFP, CSP, Flip Chip. Наибольший эффект от применения систем контроля рентгеновским излучением можно получить при инспекции модулей BGA, когда другие виды контактного и бесконтактного контроля практически не в состоянии обеспечить надлежащий контроль паяных соединений. Параметры, по которым можно проводить
контроль модулей BGA, включают контроль наличия и смещения шариков припоя, обнаружение КЗ, обнаружение холодных паяных соединений и недостаточной смачиваемости припоем контактных площадок печатных плат. Для автоматизации процесса контроля модулей BGA разработано специальное программное обеспечение bga | module.

Система контроля рентгеновским излучением pcba | analyser

Система с открытой катодной трубкой pcbalanalyser дает большую разрешающую способность и значительно большее максимальное увеличение, нежели предыдущие системы, и предназначена для анализа паяных соединений микросхем с малым шагом в корпусах μΒGΑ, QFP, CSP, Flip Chip. Особенностью системы pcbalanalyser является возможность установки модуля OVHM, позволяющего сохранять максимальное увеличение и разрешение первичного изображения при просвечивании ПУ под углом, отличным от 90°. Дополнительно системы могут оснащаться высокочувствительным цифровым детектором изображения.

Широкий выбор дополнительного оборудования, которым может быть оснащена система рентгеновского контроля pcba I analyzer, помогает решить задачи инспекции любой сложности: различные микрофокусные и нанофокусные трубки с подробной детализацией до 0,2 мкм и напряжением до 225 кВ можно комбинировать с высококачественными цепями обработки изображений, включая полностью цифровой детектор высокой контрастности. Работа в изоцентрическом режиме позволяет получить изображение под углом к объекту 61° при максимальном
полном увеличении более 10 000 крат при относительно небольших габаритах системы.

Система контроля рентгеновским излучением microme | x (рис. 30)

Полуавтоматическая система рентгеновского контроля высокого разрешения с трубкой открытого типа, предназначенная для инспекции паяных соединений печатных узлов, оснащена полностью цифровой системой обработки изображения и системой числового программного управления. Является усовершенствованной моделью pcba | analyzer, имеющей значительные улучшения в части детектора и ПО.

Система контроля рентгеновским излучением nanome | х

Система контроля рентгеновским излучением nanome | x применяется для контроля качества сложных многослойных печатных плат с высокой плотностью монтажа сложных многовыводных компонентов, таких как BGA, μΒGΑ, QFP, CSP, Flip Chip. Параметры, по которым можно проводить контроль паяных соединений, включают контроль наличия и смещения шариков припоя, обнаружение КЗ, качество смачиваемости контактных площадок припоем, форму галтелей. Модуль компьютерной томографии позволяет реконструировать трехмерные модели паяных соединений, что многократно улучшает визуализацию и упрощает оценку качества исследуемых объектов.

Эта система рентгеновского контроля имеет технические характеристики (табл. 3), удовлетворяющие самым высоким требованиям: нанофокусная рентгеновская трубка с максимальным напряжением до 160 кВ перекрывает весь диапазон требований по разрешению (начиная с субмикронного) и интенсивности излучения. Комфортная визуализация рентгеновских изображений максимально приближает к виду, наблюдаемому оператором через защищенное от излучения демонстрационное окно. Цифровые цепи обработки изображения в реальном времени
обеспечивают превосходное разрешение по контрастности и вид под углом до 70° к объекту при увеличении более 10 000 крат. Для инспекции образцов с низкой контрастностью система может быть дополнительно оснащена цифровым детектором с высокой контрастностью или двойным ovhm-модулем, обеспечивающим вид под углом к объекту до 70°.

Внешний вид системы аналогичен внешнему виду системы microme | x (рис. 30) за исключением надписи.

Преимуществом систем microme | x и nanome | x перед системами pcbalanalyser является то, что при наклоне детектора не происходит потери исследуемой области.

Достоинства данных установок — наличие большого числа программных модулей для автоматического анализа качества соединений различных стандартных компонентов:

• bga | module — для автоматического контроля паяных соединений интегральных микросхем в корпусах BGA, включая автоматический контроль смачиваемости;
• qfp | module — для автоматического контроля паяных соединений интегральных микросхем в корпусах QFP, включая автоматический контроль смачиваемости;
• vc | module — для автоматического вычисления процентного содержания пустот;
• ws | module — для автоматического вычисления степени провисания проводников;
• repair | module — комфортный интерфейс для индикации дефектов инспектируемого модуля при ремонте.

Технология OVHM (Oblique View at Highest Magnification) — получение изображения под углом к объекту при максимальном увеличении (Phoenix X-Ray)

Некоторые критерии приемки предполагают возможность получения изображения под углом к объекту, поскольку в таком случае большое количество дефектов можно рассмотреть гораздо лучше. Иными словами, необходима дополнительная информация о вертикальных размерах образца. Это обстоятельство, например, разрешает пользователю увидеть разомкнутые паяные соединения собственными глазами, а не заниматься интерпретацией плоских изображений.

Принцип работы

При получении изображения под углом к объекту методом поворота образца происходит неизбежное снижение увеличения, связанное с увеличением рассеяния «фокальное пятно-объект» (рис. 32). Для устранения этого недостатка компания Phoenix | X-ray создала технологию OVHM, при которой вид под углом к объекту получается методом поворота приемника (на угол 70°) с независимым поворотом рабочего стола на угол от 0° до 360°. Специально разработанный изоцентрический режим управления позволяет фиксировать исследуемый участок объекта при изменении угла наклона/поворота.

Система рентгеновского контроля Orbita

Система Orbita (рис. 33,34, 35) — это улучшенная концепция рентгеновской системы, как для ручной, так и для автоматической инспекции больших площадей печатных плат и электронных компонентов (паллет с компонентами). Одна из важных особенностей Orbita — возможность инспекции под углом 75°.

Базовый комплект

• 160 кВ Xi установка рентгеновского излучения с воздушным охлаждением 10 Вт (5 мкм);
• радиационная камера с дверью скольжения и свинцовое стекло окна для обзора;
• система управления трехъярусной консолью;
• усилитель изображения одиночного поля 150 мм;
• устройство ручной регулировки диафрагмы CCD камеры;
• высокое разрешение CCD камеры 768×572 pixel;
• лазерный точечный указатель;
• 6-осевой манипулятор для образца. Управление джойстиком. Обзор под углом;
• iXS-программируемый графический процессор, 20-дюймовый монитор и струйный принтер. Примечание: включая лицензионное ПО и 2 года сервисного обслуживания ПО (SSS);
• полностью кодируемый iXS-программируемый манипулятор;
• ПО iXS для управления источником рентгеновского излучения;
• полный пакет программ iXS.

Рис. 35. Графический пользовательский интерфейс системы рентгеновского контроля Orbita от компании X-tek

Система рентгеновского контроля REVOLUTION (рис. 36) REVOLUTION — это самая современная система рентгеновского контроля из представленных компанией X-tek, разработанная на основе 20-летнего опыта в области микрофокусных рентгеновских технологий.

Данная система обеспечивает высокие показатели разрешающей способности и усиления, получаемые рентгеновскими системами такого класса, и идеально подходит для производственных линий и лабораторий, в которых проводится анализ неисправностей, — это революционный скачок в области рентгеновских систем, применяемых в радиоэлектронной промышленности (табл. 4). REVOLUTION является универсальной системой с большим разнообразием опций, что позволяет оператору легко осуществлять ручную или программируемую инспекцию исследуемого
образца.


Рис. 36. Система рентгеновского контроля REVOLUTION
Таблица 4. Технические требования систем рентгеновского контроля компании X-tek
(открыть изображение)

Назначение данной установки — 100%-ная инспекция BGA- и μВСА-компонентов, инспекция многослойных печатных плат и инспекция паяных соединений на печатных платах.

Максимальное увеличение — б000х

Конструкция мишени передающего типа, установленной в рентгеновской пушке, имеет ультратонкое выходное окно, что предоставляет возможность размещать образец на расстоянии в 250 мк от фокальной точки, позволяя получать системное увеличение до 6000 крат.

Высокая разрешающая способность

Управляемая плотная фокальная точка и современные технологии обработки цифровых изображений создают отчетливые рентгеновские изображения микронного уровня даже очень сложных образцов. Усовершенствованные электромагнитные линзы контролируются при помощи ПО, что обеспечивает постоянное нахождение изображения в фокусе при любом напряжении на рентгеновской пушке и защиту мишени от сгорания при высоком напряжении.

Высокая проникающая способность — 160 кВ

Запатентованная компанией X-tek рентгеновская пушка открытого типа имеет меньшие габариты, чем другие сконструированные пушки, и в то же время с легкостью позволяет получать рентгеновские изображения очень мелких деталей в толстых и плотных образцах.

Точность обработки изображения

Оператор выбирает интересующую область для инспекции и позицию в центре экрана. Система позволяет обрабатывать эту область, невзирая на любую комбинацию поворота, вращения или усиления.

True Parallel Tracking

Объединение вращения и угла поворота исследуемого образца необходимы для беспрепятственного обзора выводов ВGА-компонентов. Следующий шаг — сканирование отдельных рядов выводов ВСА-компонента для поиска непропая, пустоты и т. д. Это вынуждает оператора одновременно управлять сразу тремя осями перемещения образца, что требует от оператора определенного навыка работы. Расширенные функции манипулятора позволяют перемещать по направлению осей X-Y (параллельные ВGА-компоненту) независимо от вращения образца (рис.
37).



Рис. 37. Схема манипулятора систем Orbita и REVOLUTION компании X-tek Piergiacomi — Италия (ООО РТС Инжиниринг)

Итальянская компания Piergiacomi представляет на российском рынке четыре системы рентгеновского контроля: Xbim 50, Xbim 90, Xbim 100, Xbim 130. Наиболее интересными из них, пожалуй, являются две последние (рис. 38, табл. 5).

Задуманная, разработанная и произведенная для межоперационного контроля серия Xbim — это высокопроизводительные рентгеновские системы, предназначенные для всех типов качественного неразрушающего контроля. Данные системы могут работать непрерывно в три смены и имеют невероятно простой пользовательский интерфейс, то есть даже неопытный оператор может работать на установках такого типа.


Рис. 38. Система рентгеновского контроля Xbim 100/130

Операции:

• контроль BGA-микросхем;
• контроль пайки активных и пассивных компонентов;
• контроль пустот;
• контроль плохих соединений;
• контроль проводных соединений;
• идентификация шариков припоя;
• контроль электромеханических компонентов: реле, сенсоров, плавких предохранителей, обмоток.
Таблица 5. Технические требования систем рентгеновского контроля компании Piergiacomi


Программное обеспечение Softbim

Управляющее программное обеспечение позволяет выполнять контроль даже оператору, не имеющему опыта работы на оборудовании такого рода.

Есть возможность использования фильтров, необходимых для выполнения контроля каждого типа компонента. Программное обеспечение Softbim помогает проводить анализ BGA и CSP, анализировать площадь и геометрию элементов, выполнять черно-белый анализ и анализ пустот, а также измерять диаметр.

Более того, можно применять фильтры оценки изображения (контраст, инверсия, фильтр кромок и ЗD-фильтр).

Веяния с Востока… Samsung — Корея («Электрон Сервис Технология»)

«Электрон Сервис Технология» представляет на российском рынке системы рентгеновского контроля компании Samsung (рис. 39,40, 41, табл. 6). К сожалению, пока нет достаточной информации об этих установках.

Результаты рентгеновского контроля

Все снимки, представленные в таблице 7, сделаны с образцов, которые были использованы для анализа систем рентгеновского контроля.

Снимки были сделаны на трех системах: Cougar SMT (FeinFocus), X-8011 (Viscom) и microme | x (phoenix | x-ray) (табл. 7, 8).

Выводы

Сегодня, по мнению автора, все рассмотренные системы удовлетворяют требованиям применяемых в России технологий, но нужно отметить, что чувствуется небольшой отрыв немецких систем, даже по приведенным характеристикам. Но если смотреть вперед, наиболее передовыми являются системы рентгеновского контроля с применением модуля компьютерной томографии.


Рис. 40. Система для рентгеновского контроля Χi500Α
Таблица 6. Технические требования систем рентгеновского контроля компании Samsung


Рис. 39. Система для рентгеновского контроля Χi500Β

Рис. 41. Система для рентгеновского контроля Χi300Β
Таблица 7. Результаты рентгеновского контроля


Рис. 42. Переходное отверстие (с помощью системы COUGAR]

Рис. 43. Томографические снимки шариков микросхемы в корпусе BGA в разных плоскостях (nanome |х)

Анализируя вопросы, касающиеся выбора системы, можно выделить некоторые пункты:

1. Чем выше максимальное напряжение рентгеновской системы, тем большую толщину материала можно просветить. Для контроля печатных плат желательно напряжение -120 кВ, поэтому практически все рассмотренные установки подходят для контроля данной продукции. Если речь идет о контроле сварных соединений, толщиной 10 мм и более, то необходимы трубки с напряжением свыше 200 кВ. При этом если вам не важно разрешение, то стоит задуматься о трубке с боковым излучением. Следует отметить, что при высоком напряжении многие компании применяют жидкостное охлаждение.

Есть еще одна тонкость в выборе максимального напряжения. Если трубка рассчитана на 200 кВ, она прослужит намного дольше, если на нее подавать 190 кВ. То же касается и мощности трубки.

2. Чем меньше фокус рентгеновской трубки, тем более высокое разрешение можно получить, используя геометрическое увеличение. Выбирая систему по этому параметру, необходимо решить, нужен ли для работы нано-фокус, так как его преимущество проявляется в тех случаях, когда речь идет о передовых технологиях производства печатных плат, уменьшении шага компонентов и т. д. В других случаях его применение неэффективно. Есть такое эмпирическое правило — мощность в фокусном пятне составляет 1 Вт на каждый микрон фокусного пятна.
Поэтому о применении нано-фокуса для контроля сварных соединений относительно толстых деталей из металлических сплавов, стоит забыть. В этом случае наиболее результативным будет применение КТ, хотя оно и намного увеличивает стоимость системы, но исследования, получаемые при контроле объекта в трехмерном пространстве, действительно дают ощутимые преимущества, которые сложно описать словами. Как говорится, лучше один раз увидеть.

3. Чем ближе находится детектор к исследуемой детали и чем дальше расстояние от трубки до детали, тем выше качество изображения и меньше влияние размера фокуса рентгеновской трубки. Тут есть большое «но»: что будет с геометрическим увеличением? При приближении детектора
к исследуемой детали (или наоборот), мы получаем уменьшение изображения (рис. 44). Не думаем, что кому-то захочется контролировать ту же самую МС в корпусе BGA, печатные платы 5-го или 6-го класса или разварку проволокой толщиной, допустим, 50 мкм в масштабе 1:1. В этом случае и важно применение нанофокусной трубки.

Для получения высокого и сверхвысокого разрешения также предпочтительно использовать систему с цифровой цепью обработки изображения, в частности, сверхвысокого (16 бит) — с цифровым детектором высокой контрастности. Важна интеграция изображения, при которой система делает заданное количество снимков объекта с последующей автоматической обработкой и выдачей наиболее качественного изображения на экран.

Таблица 8. Результаты контроля на системах Х-8011 (Viscom) и Microme|x (Phoenix|Х-гау]


Рис. 44. Влияние уменьшения размера фокуса трубки на увеличение и качество изображения; величины Lm и Ln характеризуют размытость (нечеткость) изображения

Применение указанного оборудования позволяет обнаружить мельчайшие детали и малейшие отклонения в толщине, такие как пустоты в микроскопических паяных соединениях Flip Chip компонентов.

Что касается конструкции манипулятора, наиболее удачным, является вариант, используемый в установках компании Phoenix | X-ray. Данная конструкция обеспечивает максимальное увеличение исследуемого объекта, в том числе и под углом.

Но несмотря на все достоинства и преимущества представленных систем, самой важной проблемой остается человеческий фактор, а именно наличие высококвалифицированного оператора.

И все-таки, прежде чем делать выбор в пользу той или иной системы, следует подумать, а ЧТО БУДЕТ У НАС ЗАВТРА? Иначе есть риск поставить лишний «памятник» в своем технологическом парке.


Рис. 45. Рентгеновский снимок сварного шва, сделанный на системе microme|x при интеграции изображения 64

Рис. 46. Рентгеновский снимок сварного шва, сделанный на системе Х-8011 при интеграции изображения = 32 (макс, для данной системы]

Литература

1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. Т. 1. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. Под редакцией д. т. н. проф. В. В. Клюева. М.: Приборостроение. 1986.
2. Презентация систем рентгеновского контроля компании Fein Focus.
3. w ww.ndt-is.ru
4. w ww.siplace.ru(рентгеновские инспекционные системы для печатных плат)
5. Презентация систем рентгеновского контроля компании Phoenix | X-ray.
6. ww w.ostec-smt.ru(системы рентгеновского контроля)
7. Презентация систем рентгеновского контроля компании X-tek.
8. ww w.mospribor.ru