ОРЕЛ — комплекс для контроля изделий микроэлектроники с использованием рентгеновского излучения

Сергей Щетинкин
Сергей Чахлов
Евгений Усачёв
Михаил Лебедев
Николай Потрахов
Дмитрий Чумаков
Андрей Степаненко

Введение

Сегодня при изготовлении микроминиатюрных интегральных микросхем все более важную роль играет неразрушающий контроль. Такие дефекты, как короткие замыкание, отсутствие контактов, пустоты в паяных соединениях, недоступны визуальному контролю. Рентгеновское излучение позволяет исследовать непрозрачные материалы, являясь наиболее эффективным средством контроля изделий микроэлектроники. А потому создание комплекса, предназначенного для контроля изделий микроэлектроники с использованием рентгеновского излучения, становится актуальной задачей.

Современные цифровые технологии рентгеновских систем обеспечивают пространственное разрешение на уровне современных пленочных систем, предоставляя возможность экономить средства и время. При этом нет необходимости в химикатах, лаборатории и специально обученном персонале.

В данной статье представлен комплекс «ОРЕЛ», разработанный в лаборатории технических средств неразрушающего контроля Московского института радиотехники и автоматики, а также приведены его основные технические характеристики и показаны примеры контроля типичных элементов.

Критерии контроля качества

К основным технологическим дефектам, наиболее часто возникающим при монтаже электронных модулей на печатных платах, можно отнести следующие:

• короткое замыкание между выводами компонента;
• недостаточное или избыточное количество припоя; неправильное положение компонента (разворот, смещение и т. д.);
• отсутствие вывода компонента;
• большое количество пустот в паяном соединении.

Рекомендации по нормам допустимости дефектности паяных соединений содержатся в международных стандартах IPC-A-610-C и IPC-7095. Не допускается коротких замыканий и отсутствия паяных соединений, разрешается наличие не более 10% пустот, отклонения от круглой формы (соотношение максимального диаметра к минимальному) контакта BGA не более 25%, сдвига координаты центра паяного соединения не более 25%.

Описание комплекса

Общий вид комплекса приведен на рис. 1. Его размеры 1331x1306x1910 мм, вес 1325 кг. Корпус полностью защищен от рентгеновского излучения, дополнительных мер по обеспечению безопасности не требуется. Основные компоненты комплекса — микрофокусный рентгеновский аппарат, подвижная платформа для перемещения объекта контроля, подвижная платформа для перемещения детектора рентгеновского излучения (рис. 2). Размер фокусного пятна рентгеновского аппарата составляет 10 мкм. Разрешение детектора: 2,5 пар линий на 1 мм. Диапазон перемещения объекта и детектора: 380×380 мм с шагом 25 мкм. Рентгеновский аппарат перемещается вверх-вниз, позволяя получать изображения с различным коэффициентом увеличения (достигаемое разрешение составляет 10 мкм).

Благодаря специальному ПО, комплексом можно автоматически управлять от ПК, проводить цифровую обработку изображений, сохранять результаты и просматривать ранее полученные. Программа обеспечивает контроль изделий как автоматически по технологической карте, так и вручную в реальном времени. Кроме того, реализован алгоритм цифровой ламинографии.

На рис. 3 показан пример исследования тестовой платы по технологической карте. Объектом контроля являлись паяные соединения BGA.

Основные выявленные дефекты представлены на рис. 4. На рис. 4а приведен фрагмент, демонстрирующий наличие короткого замыкания и неравномерности формы шариков, на изображении 46 — фрагмент, который показывает отсутствие шариков и наличие короткого замыкания, на изображении 4в — фрагмент с большим количеством пустот. Для того чтобы выяснить относительное положение пустот в шарике, с помощью метода цифровой ламинографии были реконструированы ЗD-изображения паяных соединений (рис. 5). На рисунке видны дефектность формы, а также поры внутри некоторых шариков. Холодная пайка является одним из наиболее трудно диагностируемых дефектов. В некоторых случаях его невозможно выявить при контроле под углом 90° к печатному узлу, и тогда объект необходимо повернуть. Комплекс «ОРЕЛ» позволяет получать снимки под углами до 45-50°. На рис. 6 показано изображение выявленного дефекта холодной пайки, полученное под углом 45°.

Еще один сложновыявляемый дефект — микрозамыкания (металлические проволочки толщиной несколько микрон) между дорожками внутренних слоев многослойных печатных плат. Решение подобной задачи во многом напоминает контроль контактов между кристаллом и выводами микросхемы. Комплекс «ОРЕЛ» создает изображения с разрешением 5-10 мкм. Благодаря этому такой тип дефектов надежно диагностируется (рис. 7).

Метод цифровой ламинографии во многом расширяет возможности обычной проекционной радиографии в случае наложения изображений объектов, находящихся на разных слоях. На рис. 8а представлены проекционный снимок многослойной печатной платы, а на рис. 86 — два восстановленных изображения разных слоев. Реконструированные снимки позволяют проводить анализ каждого слоя отдельно.

Заключение

В статье описан комплекс «ОРЕЛ», предназначенный для контроля изделий микроэлектроники посредством рентгеновского излучения. Приведены основные характеристики комплекса, показаны примеры диагностики и основные типы дефектов, которые могут быть выявлены с его помощью.

К отличительным особенностям комплекса можно отнести:

1. Компактность;

2. Широкий диапазон выбора анодного напряжения от 70 до 150 кВ;3. Легкость в управлении;

4. Возможность автоматического контроля по заданной технологической карте;

5. Возможность получения ЗО-данных с помощью метода цифровой ламинографии;

6. Возможность получать снимки под углами до 45-50°.