Рентгеновский неразрушающий контроль (РК) является одним из основных методов диагностики качества паяных соединений на микроэлектронном производстве, в том числе компонентов BGA. Преимуществами цифровых приемников рентгеновского изображения на базе КМОП-матриц являются: высокий динамический диапазон, высокая чувствительность, линейность регистрации, быстрота получения изображения [1].
Схема детектора рентгеновского изображения включает в себя: сцинтиллятор, волоконно-оптическую плиту (ВОП), сенсор, считывающую и интерфейсную электронику, подсистему питания. На рисунке 1 изображены рентгеновские детекторы компании ООО «ПРОДИС. НДТ», разработанные с использованием КМОП-сенсора с размером пикселя 50 мкм. Формат активной зоны детекторов составляет 11,4×14,5 и 22,8×29,1 см.
Для задачи неразрушающего контроля электронных узлов обычно применяют источники рентгеновского излучения до 100 кВ [2], это обусловлено малым коэффициентом ослабления материала печатной платы. Использование источников с более высоким анодным напряжением позволяет осуществлять рентгеновский контроль корпусированных или экранированных электронных узлов. Стандартная система инспекции должна обладать следующими характеристиками: разрешение не менее 25 мкм, размещение объекта контроля под углом не менее 30°, автоматизированное перемещение объекта, геометрическое увеличение не менее 10 крат [3, 4, 5, 6].
В таблице представлены характеристики импортных систем рентгеновской инспекции настольного формата в сравнении с опытным образцом. Настольный формат выбран как наиболее экономичное решение для мелкосерийного производства. Для получения угловой проекции используется схема перемещения детектора без наклона по горизонтальным осям относительно объекта контроля. Это конструктивное решение позволяет удешевить и упростить систему.
| Параметр | Unicomp CX3000 | Scienscope X1000 | MSEngineering MSX600 | Creative, Electron, TruView, Prime S | «Продис. Электро» |
| Увеличение | 10х | 25х | 25х | 100х | 25х |
| Разрешение, мкм | 1,5 | 5 | 5 | 5 | 2 |
| Размер объекта, см | 20×20 | 32×25 | 33×44 | 61×61 | 32×35 |
| Диапазон энергий, кВ | до 90 | до 80 | до 100 | до 80 | до 150 |
| Ток трубки, мкА | до 200 | до 180 | до 400 | до 500 | до 200 |
| Фокус трубки, мкм | 5 | 10 | 100 | 33 | 30 |
| Электропитание, В | 220 | ||||
| Размер, см | 75×57×89 | 110×75×140 | 74×93×70 | 75×71×60 | 60×60×80 |
| Вес, кг | 300 | 450 | 160 | до 200 | до 100 |
Программное обеспечение системы контроля, помимо модуля визуализации и измерений, должно обладать функцией работы с технологической картой (изображение электронного узла с указанием мест контроля). В создаваемой системе планируется использование универсального решения для создания технологической карты на основе gerber-файлов. Данные файлы содержат в себе информацию о внутренней и внешней структуре печатной платы, что повышает результативность работы.
Существенной проблемой является автоматизация анализа рентгеновских изображений. На сегодняшний день на рынке присутствует большое количество программных продуктов для нахождения контактных площадок и анализа процента пустот в автоматическом режиме, однако отсутствует программное обеспечение для анализа зон контакта BGA-микросхем. Необходимо разработать программное обеспечение, способное осуществлять сегментацию изображений, выделение областей для анализа, рассчитывать допустимый процент пустот в паяных соединениях, находить массивы шариков припоя и определять зоны контакта с платой и выводом микросхемы.
На рисунке 2 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.
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.
Повышение качества контроля требует коэффициента увеличения системы до 50 крат, для этого необходимо использовать микрофокусный источник рентгеновского излучения с размером фокальной точки до 10 мкм. Серийно такой источник в России не производится, но может быть создан на отечественной элементной базе, в том числе на рентгеновской трубке с прострельным анодом. Для реализации проекта необходима высокоэффективная система охлаждения анода. Перспективным также является применение металл-керамических микрофокусных трубок из-за их низкой стоимости и высокой 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 или стеклянными рентгеновскими трубками.
Литература
- Bernard , Ainsworth S. Comparing Digital and Analogue X‑ray Inspection for BGA, Flip Chip and CSP Analysis//Dage Precision Industries, 2003.
- Bernard X‑ray tube selection criteria for BGA/CSP X‑ray inspection//Proceedings of SMTA International Conference, Chicago, September 2002.
- ГОСТ Р 55693–2013 Платы печатные жесткие. Технические требования.
- ГОСТ Р 55744–2013 Платы печатные. Методы испытаний физических параметров.
- Шмаков М. Выбор системы рентгеновского контроля. Взгляд технолога//Технологии в электронной промышленности, 2006. – № 4.
- Петров С. Современный рентгеновский контроль электронных узлов//Печатный монтаж, 2009. – № 4–5.