Инспекция компонентов, установленных с помощью поверхностного монтажа высокой плотности, намного упростилась с появлением новых методов и оборудования, позволяющим совместно обрабатывать результаты измерений оптических и рентгеновских микроскопов, компьютерных томографов и сканирующих электронных микроскопов. Степень автоматизации этих приборов выросла, благодаря чему, наконец, стало возможным почувствовать себя исследователем, а не специалистом по обслуживанию оборудования или техпроцессов.
Для осмотра SMT-компонентов имеется много метрологических методов, начиная с традиционной оптической микроскопии и заканчивая системами машинного зрения и рентгеновской/компьютерно-томографической (КТ) инспекцией, в т.ч. сканирующей электронной микроскопией (СЭМ). При исследовании образца несколькими системами необходимо обеспечить возможность увязывать их результаты, чем и занимается корреляционная микроскопия. Для этого следует получить цифровые изображения каждого изделия, используя новейшие оптические, рентгеновские/КТ- и сканирующие электронные микроскопы.
На начальном этапе инспекции с помощью метода оптической микроскопии применяются маломощные стереомикроскопы с широким углом зрения. Такая инспекция позволяет приступить к поиску дефектов. Типовое увеличение, обеспечиваемое этой системой, находится в диапазоне 10–100×.
Следующий уровень инспекции – использование макроскопов (AZ-100) и сложных микроскопных систем (LV-150). Эти микроскопы дают гораздо большее увеличение (до 1500×), чем стереомикроскопы, и могут фокусироваться на более мелких участках исследуемого образца. Они обеспечивают такие оптические методы как работа в ярком и темном полях, поляризованном свете, дифференциальный интерференционный контраст Номарского.
Как и в случае стереоскопических систем, эти микроскопы могут быть оборудованы цифровыми камерами. Данные системы не только получают изображения для корреляционной микроскопии, но обладают и другими функциями, включая аннотирование изображений, проведение измерений, наложение, Z-стек или большую глубину фокуса, совмещение изображений. Совмещение изображений особенно часто применяется в корреляционной микроскопии, т.к. позволяет получать изображения больших областей с высоким разрешением.
Еще одним методом инспекции SMT являются видеоизмерительные системы, например iNex-iv и Nexiv. Эти инструменты обеспечивают высокую скорость и точность визуальной автоматической инспекции, а также пространственные измерения электронных карт, устройств и большого числа соединений с оптическим качеством.
Инспекционная система XT V160 визуализирует дефекты соединений в электронных устройствах, платах и между ними и дает детальное понимание причин дефектов. Возможность буквально «заглянуть внутрь» электронных компонентов и систем важна как для оптимизации разработки, так и на производстве.
На уровне производства электроники большая часть инспекционной деятельности связана с вопросами соединений, включая проводники, паяные и межслойные соединения. Инспекционная система XT V 130 обнаруживает и более сложные дефекты. Съемка под углом с большим увеличением позволяет быстро выявить короткие замыкания в виде дендритов припоя и поры вокруг контактов BGA.
С появлением новых компонентов, таких как BGA и перевернутые кристаллы, традиционные методы микроскопии не работают, т.к. большая доля паяных соединений с печатной платой скрыта от взгляда. В этой ситуации рентгеноскопия реального времени становится важной как никогда.
Дефекты пайки разделяют на следующие категории:
– непропай из-за недостатка припоя;
– «мост»/КЗ из-за избытка припоя;
– поры из-за пузырьков газа в припое;
– смещение/нестыковка из-за ошибок в размещении компонентов.
Легкость обнаружения этих дефектов зависит от разрешения изображения. Такие дефекты как «мосты» и грубые нестыковки обнаруживаются при помощи оптического микроскопа. Другие, например поры, требуют рентгеноскопии с разрешением до 1 мкм и мощностью более 100 Вт, особенно в случае устройств микро-BGA.
Для обнаружения непропая требуются: высокое разрешение (1 мкм), большое увеличение (100–5000×), сложные манипуляции с образцом (наклон или поворот печатной платы либо съемочной системы) и сложное программное обеспечение по обработке изображений. Системы XT V объединяют все эти характеристики и возможности в одной удобной платформе. Некоторые системы снабжены опцией компьютерной томографии, дающей полное трехмерное изображение электронных компонентов.
Производители электронных подсистем сегментов потребительской, автомобильной или авиакосмической электроники расширяют возможности инспекции за счет интеграции рентгеновских и компьютерно-томографических систем инспекции. Эти системы, в частности, позволяют обнаружить следующие дефекты.
Электронные и электрические компоненты:
– обрыв соединения микросварки клиновым электродом;
– «висящие» шариковые соединения;
– изгиб проволочного проводника;
– прикрепление кристалла.
Пустые и набитые печатные платы:
– поиск дефектов поверхностного монтажа, таких как смещение устройств, поры в паяном соединении и «мосты»;
– детальная инспекция межслойных соединений, металлизации сквозных отверстий и многослойного совмещения;
– инспекция BGA и CSP;
– инспекция бессвинцовой пайки.
В корреляционной микроскопии используется инструмент совмещения изображений высокого разрешения, снятых на большой площади, в единое изображение, все точки которого находятся в фокусе. Этот снимок используется в дальнейшем анализе в системе СЭМ.
Оборудование JEOL упрощает передачу потока данных и изображений между оптическим и сканирующим электронным микроскопами, позволяя быстро и точно указать участки, которые необходимо исследовать при очень большом увеличении (см. рис. 1). Это решение путем сложной комбинации оборудования и программного обеспечения устраняет потери времени, связанные с поиском на образце представляющих интерес участков. Оператор может выбрать область величиной до 15 см. К записанному изображению получают доступ сканирующие электронные микроскопы и микрощупы лаборатории, его можно использовать для дальнейшего корреляционного анализа с помощью рентгеноспектрального метода на основе энергетической дисперсии (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS), формирования катодолюминесцентных изображений или построения изображений методом обратного рассеивания.
 |
|
Рис. 1. СЭМ-изображение, ИК-изображение и навигационное изображение, полученное с помощью навигационной системы Stage Navigation System компании JEOL
|
Для быстрой навигации без камеры сканирующего электронного микроскопа Navigator используется навигационное программное обеспечение, которое позволяет непосредственно работать с записанным изображением (полученным с помощью телекамеры на приборах с зарядовой связью, оптического микроскопа, цифровой камеры или сотового телефона). Изображение импортируется путем совмещения по двум точкам (P-Q). Оператор просматривает образец одновременно при различных увеличениях или обращается к исходному записанному образу для отображения и анализа.
В настоящее время в низковакуумных крупнокамерных системах можно исследовать целиком собранные печатные платы с установленными SMT-компонентами без проводящего покрытия. Такое неразрушающее тестирование позволяет, например, быстро подтвердить соответствие требованиям ROHS на микроскопическом уровне (при бессвинцовой сборке) или обнаружить загрязнение на поверхности соединения. Платы случайным образом извлекаются с производственной линии для анализа, а затем возвращаются на нее без риска повреждения.
Этот низковакуумный процесс уже применяется в производстве. В нем электроны пучка, воспроизводящего изображение, сталкиваются с молекулами газа (воздуха) и ионизируют их. Положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженному участку образца и нейтрализуют этот заряд, создавая изображение. При этом подтверждается или исключается наличие дефектов, а при помощи EDS-анализа определяется структура, и прослеживается их источник. Успехи технологии детектирования позволяют получать изображения высокого разрешения. Поскольку подготовки образцов не требуется, современные системы позволяют получать результаты за считанные минуты. Наконец, с развитием компьютеризированного управления и автоматизации СЭМ стала удобным инструментом. На обучение операторов и приобретение ими навыков требуются часы, а не месяцы, а необходимость в специалисте по обслуживанию системы отпадает.
Если рентгеновское или томографическое просвечивание выявило дефект шарикового соединения, для определения причины дефекта, скорее всего, понадобится получить сечение этого соединения. Материал соединений BGA и паяных контактов слишком мягок, чтобы получить их сечение механическим способом, т.к. его использование приводит, в свою очередь, к образованию других дефектов. Кроме того, механическая шлифовка – наполовину наука, наполовину искусство, требующее месяцев (если не лет) трудоемкого обучения.
Для определения точного местонахождения сечения, например в случаях стопки тонких пленок или обработки образца очень малой площади, применяется техника фокусированного ионного пучка (ФИП). Однако при этом размер сечения имеет ограничения, а тяжелые ионы галлия в пучке могут повредить поверхность образца.
Инструмент шлифовки сечения (Cross-Section Polisher, CP) компании JEOL позволяет получить сечение путем применения широкого несфокусированного пучка ионов аргона [1], не приводя к возникновению артефактов шлифовки (см. рис. 2). Это немеханическая бесконтактная технология, не требующая специальной подготовки оператора. Можно быть уверенным, что обнаруженные дефекты являются исходными, а не результатом обработки. Кроме того, в отличие от технологии ФИП, дающей сечение размером в несколько микрон, технология CP дает сечение размером в сотни микрон, позволяя увидеть не одно, а сразу несколько соединений. Овладение этой технологией занимает несколько часов, а не месяцев практических занятий.
 |
|
Рис. 2. Поперечное сечение пор в шариковом соединении
|