Systemy X-RAY

Urządzenia rentgenowskie stają się popularne w produkcji elektroniki

Technologia kontroli rentgenowskiej, określana również jako zautomatyzowana kontrola rentgenowska, jest technologią, która może znaleźć ukryte cechy w obiekcie docelowym. Od przemysłu medycznego po produkcję lotniczą, kontrola rentgenowska jest szeroko stosowaną metodą identyfikacji błędów produkcyjnych. Jest ona szczególnie rozpowszechniona w kontroli PCB, ponieważ promieniowanie rentgenowskie jest doskonałym sposobem testowania jakości PCB i znajdowania ukrytych wad bez ryzyka uszkodzenia płytki. W tym przewodniku omówimy, czym jest kontrola rentgenowska, jak działa i jakie są jej zalety, aby zrozumieć, jak wykorzystać kontrolę rentgenowską PCB do celów swojej firmy.

W ostatnich latach pakiety typu area array, w tym BGA i QFN, flip chipy i CSP są szeroko stosowane we wszystkich rodzajach dziedzin, takich jak sterowanie przemysłowe, komunikacja, przemysł wojskowy, lotnictwo itp. Fakt ten sprawia, że tradycyjne urządzenia kontrolne nie są w stanie doskonale spełniać swojej roli w kontroli PCB. Ponadto, od czasu pojawienia się technologii montażu powierzchniowego (SMT), która sprawia, że zarówno pakiety, jak i przewody stają się mniejsze, tradycyjne metody kontroli, w tym optyczne, ultradźwiękowe i termowizyjne, są niewystarczające, ponieważ płytki PCB mają większą gęstość, a ich złącza lutownicze są ukryte, a otwory zakopane lub ślepe. Ponadto, wraz z rosnącą miniaturyzacją pakietów komponentów półprzewodnikowych, rozważając system kontroli rentgenowskiej, nie można pominąć trendu obecnej i przyszłej miniaturyzacji komponentów. W porównaniu do innych metod kontroli, rentgen jest w stanie przeniknąć do wnętrza opakowania i sprawdzić jakość połączeń lutowanych. Dlatego jest tak chętnie wybierany.

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat produkcja elektroniki stała się coraz bardziej zaawansowana, a elektronika w przemyśle przemysłowym, komunikacyjnym, wojskowym i lotniczym rozwija się w sposób, który znacznie utrudnia kontrolę. Niektóre z najbardziej znaczących trendów, które negatywnie wpływają na kontrolę to:

• Umieszczanie komponentów: Sprzęt staje się coraz mniejszy i bardziej warstwowy, aby zaoszczędzić miejsce i zmaksymalizować funkcjonalność. W rezultacie wiele połączeń lutowanych i komponentów jest przenoszonych do wewnętrznych warstw elektroniki, umieszczanych pomiędzy warstwami PCB lub ukrytych w samym produkcie końcowym.
• Rozmiar komponentów: Więcej komponentów płytek drukowanych wykazuje tendencję do miniaturyzacji. W związku z koniecznością tworzenia bardziej zwartych płyt, oczekuje się, że komponenty PCB będą nadal podążać w tym kierunku.
• SMT: Technologia montażu powierzchniowego sprawia, że przewody i pakiety są mniejsze, co spowodowało, że płyty PCB mają większą gęstość i więcej komponentów ukrytych między warstwami.
• Rosnąca gęstość, malejące rozmiary i bardziej złożone rozmieszczenie płytek PCB i ich komponentów sprawiły, że dokładne wykrycie usterek przez tradycyjne metody kontroli jest prawie niemożliwe. Metody optyczne, ultradźwiękowe i termowizyjne są stosunkowo mało efektywne ze względu na gęstość nowoczesnych płytek PCB.

Jednak kontrola rentgenowska może zbierać szczegółowe obrazy tam, gdzie te inne metody nie mogą. Promieniowanie rentgenowskie ma zdolność do penetracji warstw PCB w celu zbadania warstw wewnętrznych i opakowań, co czyni je bardziej przydatnymi do kontroli połączeń lutowanych złożonych zespołów PCB. Z tego powodu kontrola PCB za pomocą technologii rentgenowskiej staje się coraz bardziej popularna.

Jak działa inspekcja rentgenowska

Aby zrozumieć, czym jest kontrola rentgenowska PCB, trzeba najpierw wiedzieć, jak działa kontrola rentgenowska. Wszystkie urządzenia do kontroli rentgenowskiej składają się z trzech podstawowych elementów:

• Lampy rentgenowskiej: Lampa ta ma zdolność do generowania fotonów promieniowania rentgenowskiego.
• Platforma: Platforma operacyjna przesuwa próbkę w różnych kierunkach, umożliwiając jej kontrolę pod różnymi kątami i wielkościami.
• Detektor: Detektor znajdujący się po drugiej stronie próbki wychwytuje i zbiera fotony promieniowania rentgenowskiego, przekształcając je w obraz.

Obrazowanie rentgenowskie działa przy użyciu fotonów rentgenowskich, które są przepuszczane przez materiał i zbierane po drugiej stronie. Fotony rentgenowskie przechodzą przez materiały w różny sposób w zależności od ich właściwości fizycznych, w tym masy atomowej, gęstości i grubości. Ogólnie rzecz biorąc, cięższe elementy pochłaniają więcej fotonów rentgenowskich, co ułatwia ich obrazowanie, podczas gdy lżejsze elementy są bardziej przezroczyste. Ponieważ różne materiały zachowują się w różny sposób, różne ilości fotonów są zbierane po drugiej stronie obiektu, co skutkuje powstaniem obrazu. Komponenty w płytce PCB składają się zazwyczaj z cięższych elementów, co sprawia, że są łatwo widoczne na obrazie rentgenowskim.

Typy urządzeń rentgenowskich

Systemy kontroli rentgenowskiej PCB można podzielić na dwa zestawy kategorii. Systemy mogą być 2D lub 3D i mogą działać w trybie offline lub online. Poniżej wyjaśniono je bardziej szczegółowo:

System 2D: System rentgenowski 2D wyświetla obrazy 2D z obu stron PCB jednocześnie, tworząc obraz elementów płyty. Jest to podobne do tradycyjnego pojęcia rentgena używanego do oglądania złamań kości. Systemy 2D mogą być obsługiwane w trybie online lub offline.

System 3D: System rentgenowski 3D ma możliwość tworzenia trójwymiarowych obrazów płytki drukowanej poprzez budowanie serii przekrojów 2D. Jest to podobne do tego, jak działa tomografia komputerowa w branży medycznej. Rentgen 3D działa również przy użyciu metody laminografii, która łączy przekroje w celu stworzenia określonej części lub obszaru. Metoda CT może być realizowana tylko w trybie offline ze względu na stosowane skomplikowane algorytmy, natomiast metoda laminografii może być stosowana zarówno w trybie online, jak i offline.

Praca w trybie online: Niektóre urządzenia rentgenowskie są wykorzystywane w trybie online do gromadzenia i porównywania danych. Ułatwia to przetwarzanie dużych ilości złożonych płytek PCB. Jednak możliwość pracy w trybie online sprawia, że urządzenie rentgenowskie jest wolniejsze, co zwiększa koszty przy jednoczesnym zmniejszeniu wydajności.

Praca w trybie offline: Wszystkie urządzenia rentgenowskie mogą pracować w trybie offline, aby zrealizować kontrolę panelu i kontrolę próbek. Urządzenia pracujące w trybie offline są na ogół szybkie, ale stają się mniej opłacalne przy większych ilościach produktów.

Wybór najlepszego systemu dla danej operacji musi być starannie przeprowadzony - wybór systemu 2D lub 3D z możliwością pracy w trybie online lub offline będzie zależał od ilości kontrolowanego produktu, pożądanej jakości kontroli oraz ilości czasu dostępnego na ukończenie procesu kontroli. System rentgenowski 2D jest w stanie wyświetlić jednocześnie obrazy 2D wszystkich elementów z obu stron PCB, tak jak w przypadku aplikacji medycznej używanej do badania stanu złamań kości. System rentgenowski 3D jest w stanie wygenerować obrazy przekrojów poprzecznych poprzez odtworzenie serii obrazów 2D, tak jak w przypadku aplikacji medycznej, CT. Oprócz inspekcji przekrojów, system 3D posiada inną metodę, którą jest laminografia. Proces inspekcji odbywa się poprzez połączenie obrazu przekroju i wyeliminowanie obrazów z innych przekrojów w celu odbudowania obrazu danego przekroju. Systemy 2D mogą pracować w trybie on line lub off line. Podobnie może być z laminografią rentgenowską. Jednak metoda on line kosztuje zwykle więcej czasu. System kontroli rentgenowskiej z funkcją CT jest realizowany off line, ponieważ potrzeba wielu obrazów 2D i skomplikowanego algorytmu, aby kosztował kilka minut. Dlatego system kontroli rentgenowskiej z funkcją CT jest używany tylko w mniej ważnych zastosowaniach profesjonalnych analiz badawczych. Inne systemy 2D i 3D muszą być instruowane z przywilejem najmniejszego czasu i najlepszego obrazu, aby zmniejszyć koszty kontroli.

Korzyści z inspekcji rentgenowskiej

Na zdjęciach rentgenowskich PCB metal jest ciemny, podczas gdy inne materiały, takie jak szkło, plastik i ceramika są przezroczyste. Dzięki temu można łatwo dostrzec elementy metalowe. W połączeniu z możliwością powiększenia, pozwala to inspektorom zobaczyć różne metalowe części na płytce podczas kontroli PCB za pomocą urządzeń rentgenowskich. Rentgen pozwoli inspektorom zobaczyć wiele cech obwodu drukowanego i zidentyfikować szereg potencjalnych problemów, w tym:

• Mostki lutownicze: Mostki lutownicze są częstym problemem na płytkach drukowanych. Występują one, gdy połączenia lutowane są zbyt blisko lub tworzą połączenie tam, gdzie go nie powinno być. Te problemy z lutem są zwykle ukryte przez inne komponenty, co czyni je trudnymi do zauważenia przy inspekcji optycznej, ale promienie rentgenowskie łatwo je identyfikują.
• Pustki lutownicze: Pustki lutownicze powstają, gdy gaz lub topnik zostaje uwięziony podczas lutowania, często w wyniku zanieczyszczenia pasty lutowniczej wodą. Pustki te zmniejszają przewodność cieplną w złączu lutowniczym i mogą powodować wady fizyczne oraz obniżenie niezawodności. Badanie rentgenowskie jest jednym z jedynych sposobów identyfikacji pustych przestrzeni po lutach, dlatego jego regularne stosowanie jest niezbędne do zapewnienia jakości produktu i procesu.
• Wypełnienia otworów: Nieodpowiednie wypełnienie otworów na szpilki w złączach przelotowych jest powszechnym problemem w płytkach drukowanych. Urządzenia rentgenowskie mogą być używane do identyfikacji tych błędów, a nawet do ilościowego określenia brakującego wypełnienia za pomocą pomiarów współrzędnych.

Jednym z konkretnych przykładów zastosowania promieniowania rentgenowskiego jest kontrola układów typu BGA (ball grid array). BGA to urządzenie do montażu powierzchniowego, w którym do wykonania połączeń wykorzystuje się układ metalowych kul wykonanych z lutu. Ten typ urządzenia jest popularny, ponieważ umożliwia wykonywanie połączeń o dużej gęstości bez komplikowania układów płytek drukowanych. Trudność z BGA polega jednak na tym, że połączenia są wykonywane na spodniej stronie układu BGA. Ta cecha, jak również gęstość kulek lutowniczych, utrudnia lutowanie i odlutowywanie oraz zwiększa prawdopodobieństwo tworzenia mostków lutowniczych. Lokalizacja ta sprawia, że połączenia lutowane układów BGA są szczególnie trudne do skontrolowania. Promieniowanie rentgenowskie upraszcza proces kontroli, patrząc przez urządzenie, aby zobaczyć spoiny lutownicze pod spodem, co ułatwia identyfikację mostków.

Dzięki powiększeniu i możliwości zmiany kąta patrzenia, urządzenia rentgenowskie mogą być wykorzystywane do wyszukiwania tych i innych problemów. Co więcej, wszystkie te problemy mogą być zidentyfikowane podczas jednej kontroli, ponieważ, w przeciwieństwie do obrazowania medycznego, operatorzy nie muszą się martwić o dawkę promieniowania podczas pracy i mogą używać sprzętu tak długo, jak potrzebują.