應用X射線(xiàn)檢測PCB板

　　大多數測試工程師都了解X射線(xiàn)檢查系統可以檢查隱藏在元件下面的焊點(diǎn)，或檢查其它技術(shù)難以檢測出來(lái)的微小焊點(diǎn)。但是，他們可能不了解X射線(xiàn)成像技術(shù)有不同的檢查方式，2D發(fā)射設備會(huì )顯示X射線(xiàn)路徑上的一切物體，而3D系統可以消除來(lái)自雙面電路板上元件的視覺(jué)干擾。盡管2D X射線(xiàn)系統目前還在應用，但3D系統卻是高密度雙面電路板檢查的主流檢查設備。

　　兩家著(zhù)名的PCB測試設備制造商為電子行業(yè)生產(chǎn)3D X射線(xiàn)檢查系統，即安捷倫和泰瑞達。目前，安捷倫科技的5DX系列在市場(chǎng)上占據優(yōu)勢，而泰瑞達的ClearVue系統卻是步步緊逼。


圖1  通過(guò)連續提高5DX系列的成像和軟件能力，安捷倫科技已經(jīng)占據3D X射線(xiàn)檢查市場(chǎng)主導地位多年　　來(lái)源：安捷倫科技公司

圖2  受控X射線(xiàn)和旋轉的檢測器需要對PCB上的感興趣區域進(jìn)行若干次成像。軟件將成像合成，僅在PCB的一面顯示焊點(diǎn)

　　安捷倫的5DX系列(圖1)是其第四代產(chǎn)品，且一直在改進(jìn)可重復性和吞吐量。系統的X射線(xiàn)分層攝影法技術(shù)依賴(lài)于與旋轉的圖像檢測器保持同步運動(dòng)的可旋轉X射線(xiàn)束(圖2)。X射線(xiàn)分層攝影法使系統能夠對3mil（0.75mm）厚的PCB進(jìn)行成像，從而讓測試工程師可以清楚地在PCB任意一面觀(guān)察焊點(diǎn)。

　　5DX系統首先利用X射線(xiàn)束檢測PCB的特征，以便對準PCB的X和Y軸。第二步，它利用激光測距儀來(lái)制成電路板表面的拓撲圖(PCB可能存在一定的表面變形，例如扭曲)。第三步，系統精確地上下移動(dòng)電路板(Z軸)以便X射線(xiàn)束聚焦在觀(guān)測區域，自動(dòng)成像。但是，它需要再一次掃描電路板。
　　5DX系統可以處理0201 SMT元件并能夠分辨間隔8mil(0.2mm)的焊點(diǎn)。當它遇到焊球或焊點(diǎn)內的空泡時(shí)，5DX系統也可以將它們檢測出來(lái)，將從成像中提取的信息與測試工程師預先設定的特征比較，來(lái)判定焊點(diǎn)否合格。軟件的改進(jìn)已經(jīng)極大地縮短了編程的時(shí)間，從而使5DX便于使用。

　　除了檢查微小的和隱藏的焊點(diǎn)，X射線(xiàn)檢查設備還提供分析和診斷工具。隨著(zhù)PCB制造商向無(wú)鉛焊轉移，用戶(hù)必須了解無(wú)鉛焊對生產(chǎn)工藝的影響，在向無(wú)鉛焊轉移期間你會(huì )看到可能出現的許多缺陷。

　　當你對主要工藝作出改變時(shí)，有些事情會(huì )朝著(zhù)預期的方向變化；但是，也會(huì )發(fā)生一些無(wú)法預料的事情。5DX系統可以幫助工程師控制生產(chǎn)工藝并回歸到變化之前的品質(zhì)。隨著(zhù)制造商向無(wú)鉛焊的轉移，X射線(xiàn)系統有助于幫助制造商減少不合格率。

　　ClearVue技術(shù)

　　盡管安捷倫科技在3D X射線(xiàn)檢查設備市場(chǎng)占據領(lǐng)先地位，但是，一直向電子行業(yè)提供2D X射線(xiàn)檢查設備的泰瑞達公司現在已經(jīng)進(jìn)入3D市場(chǎng)。他們認為X射線(xiàn)分層攝影技術(shù)機械上太復雜，它包括一個(gè)旋轉檢測器、一個(gè)旋轉X射線(xiàn)源、一塊在X射線(xiàn)焦平面(Z軸)移動(dòng)的電路板以及一臺激光拓撲圖掃描儀。與之形成鮮明對比的是，泰瑞達擁有專(zhuān)利的離心層析X射線(xiàn)照相組合技術(shù)(稱(chēng)為ClearVue)重構了3D成像切片，而X射線(xiàn)源、檢測器和PCB都保持靜止。這種3D X射線(xiàn)成像方法自然地簡(jiǎn)化了檢查設備(PCB在成像采集之間移動(dòng))。


圖3  寬角射線(xiàn)束使ClearVue X射線(xiàn)技術(shù)能夠對PCB的一部分進(jìn)行離軸(off-axis)成像


圖4  泰瑞達XStation MX檢查設備提供構建在ClearVue技術(shù)上的X射線(xiàn)檢查能力　來(lái)源：泰瑞達公司



圖5  在X射線(xiàn)攝像機下的PCB方塊G，系統采集紅色和紫色方塊的離軸成像。在X射線(xiàn)攝像機下的PCB方塊H，系統采集藍色和不同的紫色方塊的離軸成像

　　ClearVue技術(shù)在PCB的一面放置了寬角X射線(xiàn)源，而在PCB的另一面放置了大型檢測器(圖3)。X射線(xiàn)束透過(guò)電路板到達檢測器，但是，不像2D發(fā)射系統那樣直接觀(guān)察穿過(guò)PCB的X射線(xiàn)，也不像X射線(xiàn)分層攝影系統那樣采用小角度X射線(xiàn)束，ClearVue X射線(xiàn)束的角度可以擴展到40°。泰瑞達已經(jīng)開(kāi)始交付使用基于ClearVue技術(shù)的XStation MX在線(xiàn)自動(dòng)檢查系統(圖4)。

　　為了理解ClearVue技術(shù)的工作原理，圖5將PCB成像為一個(gè)正方形矩陣或區域。假設X射線(xiàn)系統定位PCB使方塊G位于X射線(xiàn)和檢測器之間。然后系統可以離軸或離角采集其周?chē)姆綁KA、B、C、F、H、K、L和M。當系統把方塊H移動(dòng)到X射線(xiàn)束中時(shí)，它就離軸采集方塊B、C、D、G、I、L、M和N。注意，系統對方塊 B、C、L和M成像兩次，但是，成像的角度不同。重新定位PCB就可以讓X射線(xiàn)系統為每一個(gè)方塊創(chuàng )建8個(gè)離軸成像矩陣(圖6)。然后，計算機通過(guò)數學(xué)運算將離軸拓撲圖信息組合起來(lái)，在選定的平面上構造僅限于元件的成像。


圖6  PCB方塊的8個(gè)離軸X射線(xiàn)成像包括一個(gè)方塊的所有信息。算法將信息組合以便工程師有選擇地觀(guān)察元件、焊點(diǎn)和其它特征(增加色彩起到強調作用)

　　因為X射線(xiàn)束穿過(guò)PCB，所以，PCB方塊8個(gè)離軸成像的每一個(gè)集合都包含了PCB兩面的元件信息。因此，ClearVue算法可以生成PCB兩面的焊點(diǎn)成像。此外，成像可以描繪PCB任意一面的焊點(diǎn)、焊盤(pán)等等的成像切片。

　　一幅成像的掃描面積可以到達2.2x2.2 平方英寸(56x56 平方毫米)，對于該大小掃描場(chǎng)的觀(guān)測，泰瑞達的設備可以每秒6平方英寸(每秒31平方厘米)的速度檢查，該速度與大多數光學(xué)檢查系統的速率相同。ClearVue技術(shù)還可以計算Z軸信息，所以，它的3D X射線(xiàn)設備不需要獨立且耗費時(shí)間的激光掃描來(lái)對PCB表面成像。XStation MX系統不依賴(lài)于大量的機械運動(dòng)，而ClearVue技術(shù)并不對成像取平均，因此，每百萬(wàn)被查焊點(diǎn)的虛假焊點(diǎn)缺陷率小于500個(gè)焊點(diǎn)。

　　在每秒6平方英寸掃描率下，X射線(xiàn)檢測器可以分辨1mil(0.25mm)的像素，從而使XStation MX系統足以觀(guān)察0201 SMT元件上的焊點(diǎn)。因為系統可以調節X射線(xiàn)束的角度，改變觀(guān)測區域以便檢查諸如倒裝芯片和BGA這樣的封裝。

　　測試工程師肯定會(huì )用好各種X射線(xiàn)檢查設備。目前，生產(chǎn)線(xiàn)上下來(lái)的焊點(diǎn)中大約35%到40%采用BGA封裝連接到電路板，泰瑞達的專(zhuān)家援引研究報告稱(chēng)，到2007年諸如BGA這樣的面陣列封裝將大約占所生產(chǎn)焊點(diǎn)的50%，但是，實(shí)際上許多公司現在就已經(jīng)超過(guò)了那個(gè)百分比。