CC BY
38Компоненты и технологии, № 6'2003
Современные требования
к системам визуальной
инспекции BGA
В основу статьи положен практический опыт двух специалистов ERSA Soldering Tools and Inspection Systems. Имена этих людей впервые предстают перед нашим читателем, хотя созданные ими системы хорошо известны на мировом рынке, включая российский [1]. Йорг Нотле (Joerg Notle) — главный конструктор ремонтных центров IR550A. Арндт Нойес (Arndt Neues) — ведущий разработчик аппаратуры и программного обеспечения ERSASCOPE. Этих людей объединяет творческий поиск эффективных инженерных решений для работы c BGA. Учитывая неуклонный рост актуальности BGA, мы публикуем размышления немецких коллег, изложенные от первого лица. Эта статья не претендует на революционность замысла, но обобщает крупицы опыта, которые становятся очевидными на пути проб и ошибок — том пути, который осилит идущий.
С любезного согласия авторов перевод выполнил к. т. н. Виктор Новоселов.
Арндт Нойес и Йорг Нотле, ERSA GmbH
www.ersa.de
Системы оптической инспекции БОА предназначены для наблюдения плавких выводов под корпусом микросхемы БОА после процесса пайки. Они являются инструментом анализа результатов технологического процесса и основаны на наиболее естественном для человека зрительном восприятии. Заключения, получаемые в ходе анализа, используются в цикле оптимизации технологического процесса — будь то пайка в 8МТ-печи или на ремонтной системе. Какими же свойствами должны обладать системы оптической инспекции БОА для успешного выполнения своей роли?
Начнем с того, что система визуальной инспекции БОА состоит из нескольких функциональных модулей (рис. 1). Вариант реализации каждого из модулей и способ их взаимодействия определяют качест-
Рис. 1. Компоненты системы инспекции BGA:
(1) стенд
(2) встречная подсветка
(3) прямая подсветка и приемная оптическая головка с системой линз
(4) цифровая камера
(5) компьютер с прикладным программным обеспечением и монитором
во системы в целом, выражающееся через множество выявляемых ею дефектов, удобство эксплуатации и многофункциональность применения.
Качество конструкции
Кратность увеличения мельчайших деталей анализируемого объекта в системах визуальной инспекции БОА измеряется трехзначными числами, так что даже легкая вибрация оптической части системы приводит к таким размашистым колебаниям образа объекта на экране, что работать с ним становится невозможно. Поэтому первоочередным требованием к механической части мощной оптической системы является массивный, устойчивый стенд. Любые системы высокой кратности, в которых подразумевается держать оптическую приемную часть в руке или закреплять на гибкой основе, из дальнейшего рассмотрения заведомо исключаются.
Второе требование — конструкция системы должна позволять инспектировать компоненты на любом расстоянии их расположения от края или от центра печатной платы любого размера, включая самые большие, характерные для многопроцессорных приложений. Третье требование также определяет возможности доступа к объекту инспекции, но не по дистанции, а по степени близости оптической части системы к контролируемому объекту. Визуальная инспекция рядов выводов БОА предполагает перемещение оптического приемника вдоль граней корпуса БОА строго параллельно и очень близко к корпусу БОА. Из этого следует, что механическая система перемещения должна быть достаточно точной. Рациональным решением перечисленных двух проблем является комбинация грубой и точной настройки механических компонентов системы визуальной инспекции. Наконец, механика должна быть миниатюр------www.finestreet.ru----------------------
Компоненты и технологии, № 6'2003
ной, ибо при чрезвычайно плотном печатном монтаже вокруг корпуса БОА может оказаться не так уж много места для внедрения оптического приемника.
В конструкции должен быть учтен и такой фактор как многофункциональность применения системы. Несмотря на то, что возможность контроля качества пайки БОА является основным критерием, немалый интерес представляют сопутствующие задачи. Среди них инспекция внутренней стороны галтели припоя у компонентов с краевым расположением выводов, контроль качества переходных отверстий в печатных платах, оценка качества трафаретов для нанесения паяльной пасты, контроль размера и формы доз паяльной пасты после нанесения на плату, проверка целостности защитных покрытий платы, и так далее.
Все это можно осуществить с помощью единой перестраиваемой системы оптической инспекции с высокой кратностью увеличения. То, что мы обычно называем гибкостью применения, как правило, становится возможным благодаря модульности системы: путем механической смены некоторых частей можно адаптировать ее к решению целого спектра задач визуального контроля. Кроме того, модульность системы является важным фактором, упрощающим техническое обслуживание и обеспечивающим высокую степень ремонтопригодности любой технической системы.
встречная подсветка
ненты
Рис. 3. Пределы перемещения оптической головки с прямой и встречной подсветкой (вид сверху)
/
-f
а Ь с с
Рис. 2. Варианты реализации оптической головки
(желтые стрелки — направление подачи света, синие стрелки — направление приема изображения)
^интегрированная призма с отражением по осям
(^зеркало в пластиковом держателе
(^ призма в роли зеркала
^)призма и оптоволоконная подсветка
светки. Основание (нижняя часть) оптической головки, скользящее над печатной платой вдоль корпуса БОЛ, в идеале должно иметь размер, не превышающий минимального расстояния между БОЛ и близлежащими компонентами: этим определяется свобода перемещения головки и полноценность наблюдения выводов под корпусом БОЛ на всем протяжении. Современная технология изготовления оптической головки позволяет выдержать ее размеры в пределах 5 мм ширины и 1,5 мм глубины (здесь приводятся размеры оптической головки на высоте 1 мм, приблизительно соответствующей высоте большинства 8МТ-компонентов на платах).
Качество оптики
Фундаментальной задачей оптического ядра системы инспекции БОА является получение достаточно информативного изображения через щель высотой всего 500 мкм или даже менее. Оптическая головка нуждается в освещении. Обычно эту роль выполняет призма или зеркало, закрепленное на конце оптической головки (рис. 2).
Поскольку компоненты на печатных платах монтируются все более плотно, то чем миниатюрнее оптическая головка, тем лучше. На рис. 3 приведена схема взаимного расположения вокруг корпуса БОА приемной оптической головки и источника встречной под-
(а) оптика
(Ь) оптика
Рис. 4. Зависимость поля обзора от положения оптической головки
В то время как требования к оптической головке с точки зрения механических размеров очевидны, в смысле оптики все не так просто. Если наблюдатель хочет видеть выводы под БОЛ по всей глубине их расположения от близлежащих до удаленных, то оптическая система должна обладать возможностью изменения фокуса. На рис. 4 схематично показано расположение оптических головок, а синим конусом очерчена зона отсутствия резкости. В примере на рис. 4, а положение головки оптимально по отношению к БОЛ. Причем, даже если механически было бы возможно плотнее приблизить ее к выводу БОЛ, то это не возымело бы желанного эффекта в оптическом смысле, поскольку уменьшилась бы резкость изображения. При наблюдении вывода БОЛ с большего расстояния может возникнуть иная проблема: если высота основания конуса обзора окажется больше зазора между платой и корпусом БОЛ, то из зоны видимости скроется верхняя часть вывода
в месте его крепления, что и проиллюстрировано на рис. 4, b красным цветом. При увеличении дистанции уменьшается угол расположения оптической системы по отношению к сферическому выводу BGA, а значит, увеличивается зона обзора (сужается красный конус) и улучшается изображение, однако для отдаления оптической головки от BGA свободного места на плате может просто не оказаться. Таким образом, оптическая головка хорошей системы инспекции должна обеспечивать высокое качество изображения даже при размещении ее вплотную к BGA.
Качество освещения
Для того чтобы детально разглядеть объект инспекции, необходим свет. Все, что физически возможно сделать при организации освещения, должно быть подчинено задаче получения оптимального образа объекта. «Физическая невозможность» означает здесь ситуации, когда, например, вывод BGA находится в тени предлежащего вывода, или в удаленной труднодосягаемой зоне (см. рис. 3). При достаточном освещении система инспекции BGA в состоянии предоставить визуальную информацию для оценки качества паяного соединения. Анализируемыми факторами при этом являются: форма и состояния поверхности оплавленных выводов, непро-паи, галтели припоя (при использовании паяльной пасты), остатки флюса, целостность контакта вывода BGA с площадками, отсутствие перемычек между выводами и других инородных включений. Для того чтобы оптическая система была пригодна для выполнения этих функций в максимальной степени, необходимо использовать как прямую (в направлении наблюдения), так и встречную подсветку. Благодаря прямой подсветке легче разглядеть состояние поверхности выводов BGA, галтели, микротрещины. Дефекты такого типа можно увидеть не только в ближайшем ряду выводов BGA, но и в следующих, если ориентировать оптическую головку в той же плоскости под небольшим углом к корпусу BGA. Настраивая фокус оптической системы на выводы более дальних рядов (поз. «i» на рис. 3), соответствующий анализ можно произвести и по отношению к ним. Встречная же подсветка помогает при наблюдении контуров ближайших выводов (поз. «а» на рис. 3), повышает контрастность изобра-
- www.finestreet.ru-
е
189
Компоненты и технологии, № 6'2003
инструмента анализа) и оценка потерь из-за неприменения этого инструмента для оптимизации технологического процесса.
vis
'л-'Л!
Рис. 5. Изображение вывода BGA по всей высоте при прямой и встречной подсветке
жения (рис. 5), а главное — позволяет выполнить полный контроль на предмет отсутствия перемычек или остатков флюса между выводами BGA. Перемычки перекрывают путь свету от встречного излучателя в приемник оптической головки, и потому элементарно выявляются оператором. Для обеспечения стабильного взаиморасположения оптического приемника и источника встречной подсветки предпочтительна жесткая фиксация их на общем подвесе, перемещаемом параллельно граням BGA в ходе последовательной инспекции выводов по каждой стороне корпуса микросхемы.
Качество изображения
Качество итогового изображения на экране определяется всей цепочкой оптических преобразований в системе, начиная с приемной головки с регулируемым фокусом (системой линз), продолжая фотосенсорами цифровой камеры и заканчивая монитором. От всех этих устройств зависит разрешающая способность и яркость изображения, поэтому возможность адаптации чрезвычайно желательна. Традиционно главенствующее значение придают разрешающей способности системы, то есть тому, насколько малы могут быть детали объекта, чтобы оставаться различимыми на экране. В этом смысле качество определяется самым слабым звеном в цепочке передачи изображения, и цифровая камера даже с очень высоким разрешением не сможет расширить пределы возможностей оптики. Уместно также отметить, что характеристики изображения ухудшаются при понижении освещенности объекта. Кроме того, следует иметь в виду конкретные особенности инспектируемого объекта. Так, если система позволяет четко наблюдать выводы BGA по всей высоте (рис. 4, а), то она отвечает своему назначению — инспекции BGA.
Эксплуатационные качества
Во-первых, система инспекции BGA должна в обязательном порядке удовлетворять
требованиям антистатики, поскольку стоимость сложнейших печатных плат для некоторых приложений может быть соизмерима со стоимостью самой системы инспекции! Во-вторых, органы управления системой должны быть простыми и прочными, а правила управления — легко объяснимыми. В-третьих, оптическая головка как самая хрупкая часть системы должна быть защищена от случайной поломки. Очевидно, нежелателен непосредственный контакт зеркала или призмы оптической головки с печатной платой, ибо замена прецизионной оптики — дорогое удовольствие. Чем меньше площадь контакта призмы с платой, тем меньше вероятность поломки при прочих равных условиях. Оптимальным решением может считаться интегрированный с призмой протектор, не ограничивающий степень приближения головки к печатной плате настолько, что это станет критическим фактором при наблюдении выводов под корпусом БОА и особенно С8Р.
Фактор цены
Цену приобретаемой системы инспекции необходимо соотносить с возможностями диагностики дефектов, которые она предоставляет вместе с ее программным обеспечением, базой данных о видах дефектов, их возможных причинах и путях устранения в ходе оптимизации технологического процесса. Если система является многофункциональной, то есть позволяет контролировать не только качество пайки БОА, но и иные объекты в зоне вашей ответственности, то некоторая часть цены покупки может быть отнесена на их счет. Кроме единовременных стартовых затрат при покупке системы не стоит упускать из виду эксплуатационные издержки, вероятность осуществления ремонта (особенно при отсутствии протектора на призме оптической головки), а также прогнозируемый период морального и физического старения системы. В ценовом анализе играют роль также косвенные факторы (например, получение новых знаний в процессе использования мощного
190
Заключение
Основным мотивом приобретения системы визуальной инспекции является неуклонно растущая необходимость оптимизации технологических процессов пайки BGA. Отдача от такой системы зависит от многих факторов. Понимание взаимосвязи и взаимовлияния компонентов системы визуальной инспекции BGA является ключом к рациональному ее выбору до покупки и продуктивному применению после покупки.
От переводчика
Внимательный читатель мог заметить, что в материале немецких авторов нет ни «лобовых» сравнений, ни ссылок на конкретные коммерчески доступные системы визуальной инспекции BGA. Тем не менее, сам факт появления статьи с рекомендациями по выбору подразумевает наличие альтернатив в этом классе систем. Так и есть: за последние полтора года в США и Японии появились агрегаты, по назначению аналогичные европейским ЭРСАСКОПам , проторившим тропинку в область визуальной инспекции BGA с трехлетней форой по времени. Рост числа поставщиков отражает мировое признание технико-экономических перспектив данного направления. Было бы нелепо утверждать, что визуальная инспекция решает все задачи контроля BGA. К слову: в отношении абсолютности рентгеновского контроля подобные одиозные заявления порой встречаются в отечественной прессе, тогда как в серьезных зарубежных изданиях тон публикаций более взвешенный и менее отягощенный коммерческой подоплекой. Несомненный интерес для конечного потребителя любых систем инспекции BGA представляло бы объективное сопоставление альтернативных (или взаимодополняющих?) подходов, основанное не на умозрительной аргументации, а на широкой статистической базе. Возможно, над этим уже трудятся исследовательские институты, и результаты будут когда-нибудь обнародованы. Читателей, которые уже сегодня хотели бы сориентироватьсяв многокрасочной картине рынка систем инспекции, я адресую к содержательному обзору профессора Медведева [2]. В целом, построение системы управления качеством на предприятии — комплексная задача, частью которой является подбор тестового оборудования. Выбор всегда мучителен сомнениями, но, «к счастью», он ограничен бюджетом, и это порой упрощает проблему.
Литература
1. Новоселов В. Говорит и показывает ERSAвидение // Компоненты и технологии. 2002. № 3.
2. Медведев А. Тестирование в сборочно-монтажном производстве // Электронные компоненты. 2003. № 1.
- www.finestreet.ru-------------------
