CC BY
148Компоненты и технологии, № 6'2004
Рентгеновский контроль -
мощное средство для диагностики и локализации дефектов современных печатных узлов
Неуклонно повышающиеся требования рынка вынуждают разработчиков радиоэлектронной аппаратуры использовать электронные компоненты с большим количеством выводов. Количество паяных соединений на единицу площади печатной платы неуклонно возрастает (например, при переходе от QFP к CSP — в 8 раз).
Применение конструкций печатных узлов с использованием компонентов в корпусах BGA, HBGA, Flip Chip и CSP, смонтированных на многослойные печатные платы с внешними экранирующими слоями, резко снижает эффективность традиционных методов диагностики и локализации дефектов в производстве. Рентгеновский контроль, который еще недавно был экзотикой для подавляющего большинства производителей, становится в настоящий момент необходимостью.
Станислав Гафт
Анализ характерных дефектов современных электронных модулей на печатных платах, методы их диагностики и локализации
Постоянное повышение требований рынка к расширению функциональных возможностей новых изделий при снижении их размеров, веса и энергоемкости заставляет разработчиков использовать
Рис. 1. Нанофокусная система рентгеновского контроля pcbajanaiyzer
электронные компоненты с большим количеством выводов (до 500) и малым шагом (до 100 мкм). В этих условиях все более популярными становятся интегральные микросхемы в корпусах BGA, цБОЛ, Flip Chip и CSP, так как они позволяют существенно увеличить плотность электронных компонентов на печатной плате. Это приводит к уменьшению ширины печатных проводников, зазоров и диаметров переходных отверстий, увеличению количества слоев печатных плат и повышению плотности паяных соединений печатных узлов.
Учитывая указанные причины, при постановке на производство современных электронных модулей на печатных платах особое внимание необходимо уделить диагностике и локализации следующих типов дефектов:
• дефекты металлизации переходных отверстий
печатной платы;
• дефекты паяных соединений;
• дефекты электронных компонентов.
Автоматическая оптическая инспекция — мощное и эффективное средство диагностики и локализации технологических дефектов, но с его помощью нельзя «заглянуть» под корпус компонента, внутрь печатной платы, интегральной микросхемы или паяного соединения.
Электрические методы контроля требуют, как правило, изготовления дорогостоящей оснастки (за исключением функционального теста по краевым разъемам) для каждой модификации электронного модуля с целью обеспечения доступа к каждой цепи. И при этом не анализируется качество паяного соединения. Более того, в момент прижима испытуемого печатного узла к адаптеру происходит неизбежная в таких случаях деформация электронного модуля,
Компоненты и технологии, № 6'2004
Пайка оплавлением * Автоматическая оптическая инспекция - Рентгеновский контроль и Электрический функциональный контроль
Рис. 2. Организация многоступенчатого контроля современных электронных модулей на печатных платах
и некачественное паяное соединение может быть временно (на время прохождения теста) восстановлено.
Применение электрического тестера с «летающими» тестовыми контактами (не требующего изготовления адаптеров, но имеющего значительно более низкую производительность) неэффективно в случае многослойных печатных плат с «глухими» переходными отверстиями и большим количеством интегральных микросхем с выводами, расположенными под корпусом.
Использование технологии периферийного сканирования весьма эффективно в случае цифровых устройств, но при этом аналоговая часть электронного модуля не может быть проконтролирована. Кроме того, применение этой технологии должно быть предусмотрено на самой ранней стадии разработки, а отечественные инженеры-схемотехники по неизвестной причине не привыкли обременять себя такими глупостями, как обеспечение тесто-пригодности изделий в процессе производства и сервисного обслуживания.
Учитывая все более возрастающую плотность расположения компонентов на печатных узлах, в настоящее время эксперты ведущих компаний предлагают для сложных изделий в серийном производстве проводить сплошной многоступенчатый автоматический контроль качества изготовления печатных узлов, включая 100-процентный контроль паяных соединений. При этом технологический процесс производства современных электронных модулей (рис. 2) предусма-тривае следующие контрольные операции:
• автоматический оптический контроль;
• рентгеновский контроль;
• электрический функциональный контроль.
Общие принципы рентгеновского контроля
На рис. 3 представлена схема, поясняющая общий принцип рентгеновского контроля. На схеме изображены: источник рентгеновского излучения, детектор и помещенный между ними контролируемый объект.
Источник Контролируемый
рентгеновского объект
излучения
Детектор
FOA
FDA
Л
||
J
Рис. 3. Принципы рентгеновского контроля
Интенсивность излучения, попадающего на детектор, обратно пропорциональна величине поглощения рентгеновских лучей контролируемым объектом. Величина поглощения, в свою очередь, прямо пропорциональна толщине контролируемого объекта и третьей степени атомного веса материала, из которого изготовлен объект. Иными словами, чем тоньше объект и чем меньше атомный вес материала, тем более светлым будет изображение на детекторе.
Таким образом, пластина из алюминия толщиной 100 мкм будет значительно меньше поглощать рентгеновское излучение по сравнению с такой же пластиной из меди, а свинцовая пластина — значительно больше меди. Самое светлое изображение будет получено в случае алюминиевой пластины, более темное — для медной, и самое темное — для свинца. Изображение, полученное для пластины меди толщиной 200 мкм, будет вдвое темнее пластины 100 мкм, изготовленной из того же материала.
В качестве примера рассмотрим изображение, полученное в процессе рентгеновского контроля для печатной платы с толщиной печатных проводников 18 мкм, установленной интегральной микросхемой в корпусе BGA с диаметром шариковых выводов 1 мм и толщиной медных проводников на подложке 5 мкм. На изображении самыми темными будут шариковые выводы, более светлыми — контактные площадки печатной платы с растекшимся припоем, еще более светлыми — контактные площадки и проводники печатной платы без припоя и, наконец, самыми светлыми — контактные площадки подложки интегральной микросхемы.
Геометрическое увеличение системы рентгеновского контроля равно отношению расстояния между фокусом источника и детектором (FDA) к расстоянию между фокусом источника и объектом (FOA). Учитывая, что
Геометрическое увеличение Расстояние «фокус — детектор» — 590 мм
1000
600
400
200
0 5 10 15 20
Расстояние фокус — объект, мм
Рис. 4. Геометрическое увеличение системы рентгеновского контроля как функция расстояния «фокус источника — объект»
Рентгеновская
трубка
Контролируемый
объект
Детектор
Рис. 5. Упрощенная схема системы рентгеновского контроля с неподвижным детектором
расстояние FDA ограничивается размерами системы и поэтому является фиксированным (для системы pcbaianalyzer производства компании Phoenix xiray оно составляет 590 мм), максимальное геометрическое увеличение системы достигается при минимальном расстоянии между источником (фокусом источника) и контролируемым объектом (рис. 4).
На рис. 5 представлена упрощенная схема системы рентгеновского контроля с неподвижным детектором, включающая:
• источник рентгеновского излучения —
рентгеновскую трубку;
• контролируемый объект;
• детектор.
Комфортная детализация контролируемого объекта достигается при максимальном увеличении и получении изображения под углом 25...70°. Но для системы с неподвижным источником рентгеновского излучения это является задачей невыполнимой, так как при повороте объекта автоматически увеличивается расстояние до источника d и, как следствие, снижается увеличение.
Для компенсации указанного недостатка немецкой компанией Phoenix xiray была раз-
Рентгеновская
трубка
Контролируемый
объест
Рис. 6. Упрощенная схема системы рентгеновского контроля с поворотным детектором
Компоненты и технологии, № 6'2004
работана и запатентована технология ОУИМ (рис. 6) — получение изображения под углом к объекту при максимальном увеличении. Поскольку при такой схеме нет необходимости поворачивать объект в вертикальной плоскости, расстояние между ним и источником рентгеновского излучения не меняется (может оставаться минимальным). Применение данной технологии (ОУНМ) позволяет получать изображение под углом к объекту при максимальном увеличении.
Контроль качества изготовления печатных плат
В большинстве случаев производитель электронных модулей самостоятельно печатные платы не производит по экономическим соображениям. Учитывая, что сложность печатной платы возрастает, печатная плата в настоящий момент является одним из наименее надежных компонентов электронного модуля по сравнению с электронными компонентами. Сплошной входной электрический контроль печатных плат для производителя электронных модулей весьма затруднителен, так как требует дорогого контрольного оборудования, которое даже в случае его приобретения будет использоваться весьма неэффективно.
Основными положениями современной стратегии контроля печатных плат являются:
Рис. 7. Контроль смещения слоев многослойной печатной платы и отклонений диаметра и формы переходных отверстий методом рентгеновской инспекции
• тщательный выбор и обязательная квалификация поставщика;
• заключение контракта с жесткими условиями по качеству (например, с обязательным сплошным усиленным электрическим контролем);
• выборочная инспекция на этапе входного контроля каждой партии.
В настоящее время одним из наиболее часто используемых и рекомендуемых методов контроля качества изготовления печатных плат у потребителя является рентгеновская инспекция. Универсальное оборудование рентгеновского контроля позволяет без изготовления специальной оснастки провести
Рис. 8. Контроль качества металлизации переходных отверстий методом рентгеновской инспекции
диагностику и локализацию наиболее часто встречающихся дефектов:
• отклонение диаметров переходных отверстий и смещение слоев (рис. 7);
• качество металлизации переходных отверстий (рис. 8).
Возможности современных систем рентгеновской инспекции позволяют получить для анализа дефектов металлизации переходных отверстий качественные изображения под углом к объекту (до 70°) при максимальном (до 1500 крат) увеличении с разрешением лучше 1 мкм.
Продолжение следует.
