Применение системы Phiplastic для контроля качества на производстве многослойных керамических плат по технологии LTCC

В своем развитии система Phiplastic прошла путь от небольшой программы для сравнения фотошаблона с векторным эталоном до уникального программного комплекса, позволяющего решать различные наукоемкие задачи в области контроля качества и машинного зрения. По мере развития в Phiplastic добавились векторный, растровый и цветной эталоны, работа с планшетными сканерами, цифровыми фотокамерами и специализированным оборудованием, калибровка и точные измерения и, конечно, различные алгоритмы автоматического обнаружения дефектов. Расширялся и спектр изделий, с которыми работала система, — печатные платы, SMT-компоненты в видимом спектре и на рентгеновских снимках, LTCC.

Эксперименты подтвердили, что с материалами LTCC очень хорошо справляются планшетные сканеры. Керамические листы не склонны к упругим деформациям, не создают бликов, обладают достаточным цветовым контрастом и стабильностью окраски. Габариты изделий, требуемая точность и ритм производства также находятся в оптимальных для сканера пределах. Даже трафареты на сетке, которые в LTCC применяются для нанесения паст, удается отсканировать с достаточным качеством.

Современные сканеры — аппараты с высокой степенью разрешения. При разрешении 4800 размер пикселя составляет 5,3 мкм. В Phiplastic предусмотрена процедура геометрической калибровки сканера. В ходе калибровки точно изготовленная мишень (равномерная сетка) сканируется и совмещается с ее векторным эталоном. Максимальное совпадение сканированной и векторной мишеней по всей площади гарантирует точность выполняемых контрольных операций, таких как наложение векторного эталона на контролируемый образец и измерение расстояний (рис. 1).

Рис. 1. Автоматическая калибровка сканера

В ходе контроля векторный эталон должен быть совмещен со сканом проверяемого изделия. В Phiplastic предусмотрено автоматическое оптимальное совмещение по рисунку, а также ручное, позволяющее совместить скан и эталон по реперным знакам (рис. 2).

Рис. 2. Совмещение по реперным знакам

Рассмотрим стадии производства многослойных керамических плат (МКП) по технологии LTCC, на которых необходимо проведение оптического контроля для выпуска годных изделий. Первая операция в технологическом цикле — формирование переходных отверстий. С помощью системы Phiplastic можно контролировать качество выполненных отверстий как в отраженном, так и в проходящем свете (рис. 3). На рисунках выделены дефекты в виде остатков керамики в отверстиях. Как видим, второй вариант контроля предпочтителен.

Рис. 3. Дефекты отверстий:
а) в отраженном свете;
б) в проходящем свете

Наложение векторного эталона на сканированный керамический слой позволяет автоматически обнаруживать смещение отверстий от заданного положения, измерить смещение, а также найти лишние, недостающие и поврежденные отверстия (рис. 4). Совпадающие области показаны серым цветом, изделие — красным, эталон — синим.

Рис. 4. Наложение векторного эталона

Векторный эталон в Phiplastic содержит графику, области контроля и допуски. Графика импортируется из формата Gerber RS-274-X. Остальное задается пользователем при создании эталона во встроенном редакторе.

После заполнения отверстий токопроводящей пастой необходимо провести контроль керамического слоя в отраженном (рис. 5) или проходящем свете. На этом этапе можно выявить качество заполнения отверстий: отсутствие пасты в отверстиях или неполное их заполнение.

Рис. 5. Заполненные отверстия

При контроле слоев топологии МКП Phiplastic автоматически обнаруживает те же дефекты, что и на обычных печатных платах:

• разрывы и замыкания;
• выпуклости и проколы;
• нарушения допусков на ширину проводника и зазора;
• лишние и недостающие элементы.

На рис. 6 синим цветом выделены области топологии с зазором меньше допустимого между проводником и «земляным» слоем.

Рис. 6. Дефекты в слое топологии

Допуски можно гибко настраивать. Например, допуск на зазор можно задать не только в виде абсолютного значения — одно число на всю плату, но и как максимальное отклонение от соответствующего эталонного зазора. Проверка получается избирательной: топология с прецизионными размерами и зазорами проверяется строже, чем области с крупным рисунком.

Обнаруженные дефекты накладываются поверх проверяемого изображения. Оператор последовательно просматривает их.

Есть возможность переключаться на изображение эталона, а также в слой совмещения, где скан и эталон видны одновременно (рис. 7).

Рис. 7. Наложение скана и эталона

Автоматическое обнаружение дефектов топологии работает на черно-белых изображениях. Перевод цветного скана в черно-белый вид выполняется под управлением цветовой настройки, в ходе которой пользователь указывает типичные цвета металлизации и подложки. Керамические листы здесь очень удобны, так как имеют исключительно стабильные оптические свойства. В полной мере возможности цветовой настройки Phiplastic раскрываются при работе с трафаретами на сетке. Обычно рамка, на которой натянут трафарет, не позволяет положить его непосредственно на планшет сканера. Трафарет располагают на корпусе сканера, с небольшим зазором от стекла. Глубина резкости сканера достаточна для получения изображения приемлемого качества (рис. 8, 9).

Рис. 8. Дефекты на трафарете

Шаг сетки на этом трафарете — 70 мкм. Размер пикселя в разрешении 4800 dpi — 5,4 мкм. В случае сомнений можно пересканировать проблемный участок в более высоком разрешении или воспользоваться микроскопом. На этот случай Phiplastic показывает место дефекта на уменьшенном изображении.

Рис. 9. Трафарет под большим увеличением

Проводящие пасты в технологии LTCC содержат драгметаллы. Для отчетности и оптимизации технологии может требоваться оценка площади нанесения той или иной пасты. Phiplastic позволяет легко рассчитать площадь покрытия, отличающегося по цвету. Для получения маски покрытия используется та же цветовая настройка, что и для получения черно-белого изображения топологии (рис. 10).

Рис. 10. Оценка площади золотосодержащей пасты (показана синим)

Перед сборкой керамических слоев в пакет Phiplastic позволяет наложить слои друг на друга и оценить их возможное рассовмещение в готовом изделии. Оператор совмещает слои по рисунку или по реперам и оценивает взаимный сдвиг элементов. На экране отображается разность цветных изображений, где совпадающие области нейтрально окрашены, а различающиеся — выделены цветом и яркостью (рис. 11).

Рис. 11. Совпадающие отверстия показаны серым, эталонные — желтым контуром

В качестве точки отсчета предлагается использовать векторный эталон, но можно обойтись и без него. Это полезно, если требуется сравнить одинаковые слои, выполненные на разных материалах или в разных режимах. Phiplastic позволяет автоматически отсеять мелкие различия, а крупные пометить как дефекты и просмотреть последовательно (рис. 12).

Рис. 12. Дефект площадки, обнаруженный прямым сравнением двух керамических листов

Гибкость программного обеспечения позволяет легко сравнивать друг с другом разные по природе и полярности изображения, такие как фотошаблон, трафарет, слой топологии, готовое изделие. Это относится как к цветному режиму работы, так и к черно-белому. Например, в качестве черно-белого эталона можно использовать фотошаблон (рис. 13).

Рис. 13. Наложение сканированного цветного изображения и фотошаблона

При спекании керамика дает значительную усадку. Phiplastic предоставляет возможность наложить на готовую плату эталон трафарета для поверхностного монтажа и оценить таким образом будущее качество совмещения отпечатка припойной пасты с платой (рис. 14). При подготовке эталона трафарета можно воспользоваться встроенной поддержкой коэффициента усадки. Или оценить коэффициент усадки по изображениям — как методом совмещения, так и простым измерением габаритов изделия.

Рис. 14. Совмещение готовой платы и эталона трафарета припойной пасты

Система Phiplastic хорошо зарекомендовала себя на производстве LTCC ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Седакова», (Нижний Новгород) и на ряде других российских предприятий. Исключительная гибкость и относительно невысокая стоимость делает ее незаменимым инструментом контроля качества керамических плат, изучения и оптимизации технологических процессов LTCC.