15.05.2020
Системы рентгеновской инспекции электронных узлов отечественного производства
Осуществлены испытания разработанной системы контроля на печатной плате в режиме реального времени c детектированием зоны контакта шарика BGA с металлизацией платы и выводом микросхемы.
Рентгеновский неразрушающий контроль (РК) является одним из основных методов диагностики качества паяных соединений на микроэлектронном производстве, в том числе компонентов BGA. В области РК в качестве приемников излучения используются системы визуализации, принадлежащие к различным этапам развития техники: рентгеновская пленка, CR системы, усилители рентгеновского изображения, цифровые детекторы.
Преимуществами цифровых приемников рентгеновского изображения являются: высокий динамический диапазон, высокая чувствительность, линейность регистрации, быстрота получения изображения .
Схема детектора рентгеновского изображения включает в себя: сцинтиллятор, волоконно-оптическую плиту(ВОП), КМОП сенсор, считывающую и интерфейсную электронику, подсистему питания. Рентгеновское излучение преобразуется в оптическое с помощью слоя сцинтиллятора. Так как в ряде случаев КМОП-сенсоры обладают низкой стойкостью к рентгеновскому излучению, используется разнесение слоя сцинтиллятора и сенсора с помощью ВОП.
Это позволяет существенно увеличить срок жизни детектора. Во избежание потемнения ВОП при длительном воздействии рентгена используется добавки церия. Сочетание современного КМОП сенсора с цериевой ВОП позволяет создать долговечный и высокочувствительный рентгеновский детектор [2].
На рис.1 изображены рентгеновские детекторы компании ООО «ПРОДИС.НДТ», разработанные по описанной выше технологии с использованием КМОП сенсора с размером пикселя 50 мкм. Формат активной зоны детекторов составляет 11,4х14,5 и 22,8х29,1 см.
.jpeg)
Таблица 1. Характеристики существующих на рынке моделей КМОП детекторов
В таблице 1 представлены характеристики современных детекторов на базе КМОП сенсоров. Как видно из таблицы - разработанные детекторы обладают минимальным размером пикселя и большим размером активной зоны.
Важной особенностью детекторов является возможность работы в режиме реального времени, что позволяет осуществлять контроль электронных узлов «in-line» при наличии соответствующей линии подачи мироэлектронных компонентов. Возможность установки нескольких типов сцинтилляторов позволяет варьировать чувствительность детектора в широком диапазоне рентгеновского спектра.
Для задачи неразрушающего контроля электронных узлов обычно применяют источники рентгеновского излучения до 100 кВ [3], это обусловлено малым коэффициентом ослабления материала печатной платы.
Использование источников с более высоким анодным напряжением позволяют осуществлять рентгеновский контроль корпусированных или экранированных электронных узлов.
Актуальной задачей импортозамещения является обеспечение потребностей микроэлектронной промышленности в качественных рентгенотелевизионных системах с микрофокусным источником [4]. Стандартная система инспекции должна обладать следующими характеристиками: разрешение не менее 25 мкм, размещение объекта контроля под углом не менее 30°, автоматизированное перемещения объекта, геометрическое увеличение не менее 10 крат [5, 6, 7]. В качестве дополнительных инструментов визуализации могут применяться технологии томосинтеза и томографии [8].
В таблице 2 представлены характеристики существующих на рынке систем рентгеновской инспекции настольного формата в сравнении с опытным образцом отечественной системы. Формат настольной системы выбран как наиболее экономичное решение для мелкосерийного производства. Для получения угловой проекции используется схема перемещения детектора без наклона, по горизонтальным осям. Это конструктивное решение позволяет удешевить систему перемещения и использовать существующие алгоритмы трехмерной послойной реконструкции объекта контроля (томосинтез).
Таблица 2. Характеристики систем рентгеновской инспекции электронных узлов настольного формата
На рис. 2 представлены примеры изображений печатной платы с компонентами различного типа монтажа, полученные на опытном образце системы. Как видно из рисунка система позволяет оценить дефекты пайки электронных компонентов или нарушение контакта металлизации.
Важной задачей рентгеновского контроля электронных узлов является оценка качества контакта BGA микросхем. Шарики припоя могут быть усажены неравномерно и вызвать неработоспособность изделия. Для подтверждения наличия контакта шарика припоя с металлизацией платы и микросхемой необходимо получить рентгеновское изображение зоны контакта под углом. В случае хорошего контакта на изображении будут видны зоны контакта сплющенного шарика (рис. 3, слева).
Другой важной задачей является анализ пустот в паяных соединениях (рис. 3, справа).
Существенной проблемой является автоматизация анализа рентгеновских изображений. Программное обеспечение должно осуществлять сегментацию изображения, выделяя корректные области для анализа; рассчитывать допустимый процент пустот в паяных соединениях, находить массивы шариков припоя и определять зоны контакты с платой и выводом микросхемы.
На сегодняшний день на рынке присутствует большое количество программных продуктов для нахождения контактных площадок и анализа процента пустот, однако отсутствует программное обеспечение для автоматического анализа зон контакта BGA микросхем. Разработка подобной программы является актуальной задачей технологического контроля.
На рис. 4 изображена трехмерная модель опытного образца системы, изготовленная из алюминиевого профиля. Система перемещения реализована на линейных направляющих с ременным приводом и шарико-винтовой передаче. В системе реализовано пять осей перемещения: оси Х и Y перемещения объекта контроля, ось Z перемещения объекта контроля, оси A и B перемещения рентгеновского детектора. Источник рентгеновского излучения расположен в основании системы. Поддон для установки объекта контроля изготовлен из алюминиевого листа толщиной 1 мм для дополнительной фильтрации пучка рентгеновского излучения. В дальнейшем предлагается использование поддона, изготовленного из рентгенпрозрачного материала (карбон).
Разработанный образец системы имеет низкую себестоимость за счет использования распространенных комплектующих для станков с численно-программным управлением, произведенных в России рентгеновских детектора и излучателя. Размер пикселя разработанных цифровых детекторов позволяет достичь высокой чувствительности контроля, соответствующей мировым стандартам. Применение микрофокусного излучателя с размером фокального пятна 30 мкм, позволило создать опытный образец отечественной системы рентгеновской инспекции электронных узлов, не уступающий мировым аналогам в своем классе. Размер фокального пятна определяет максимальное эффективное увеличение системы инспекции, достигаемое без размытия изображения.
Для дальнейшего улучшения качества контроля и коэффициента увеличения системы необходимо использовать микрофокусный источник рентгеновского излучения с меньшим размером фокальной точки, до 10 мкм.
Такой источник может быть создан на отечественной элементной базе, в том числе на рентгеновской трубке с прострельным анодом, однако требуется высокоэффективная система охлаждения анода.
Более перспективным является применение металл-керамических микрофокусных трубок из-за их стоимости и надежности.
Рентгеновские микрофокусные излучатели с жидким металлическим анодом позволяют прикладывать большую мощность при сохранении малого размера фокального пятна, однако имеют высокую стоимость по сравнению с металл- керамическими трубками.
Литература
1. Bernard D., Ainsworth S. Comparing Digital and Analogue X-ray Inspection for BGA, Flip Chip and CSP Analysis // Dage Precision Industries, 2003
2. Henson T. D., Torrington G. K. Space radiation testing of radiation resistant glasses and crystals // SPIE Proceedings, Vol. 4452, 2001, pp. 54-65
3. Bernard D. X-ray tube selection criteria for BGA/CSP X-ray inspection // Proceedings of SMTA International Conference, Chicago, September 2002
4. Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013-2025 годы // Приказ Минпромторга России от 19 августа 2016 года № 2918
5. ГОСТ Р 55693-2013 Платы печатные жесткие. Технические требования
6. ГОСТ Р 55744-2013 Платы печатные. Методы испытаний физических параметров
7. Шмаков. М. Выбор системы рентгеновского контроля. Взгляд технолога // Технологии в электронной промышленности, №4, 2006
8. Петров С. Современный рентгеновский контроль электронных узлов // Печатный монтаж, №4-5, 2009
Автор Устинов Артем Олегович
Теги: рентген
234567 Начало активности (дата): 15.05.2020 23:49:00
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова: рентген; детектор; неразрушающий контроль; КМОП; BGA; качество пайки
12354567899
Похожие статьи
Рентген на дому 8 495 22 555 6 8Биография Рентгена
Можно ли делать рентген при беременности на ранних и поздних сроках?
Чем отличается цифровой рентген на дому от обычного?
Цифровой рентген на дому грудной клетки
