應(yīng)用X射線檢測PCB板

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

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


圖1  通過連續(xù)提高5DX系列的成像和軟件能力，安捷倫科技已經(jīng)占據(jù)3D X射線檢查市場主導(dǎo)地位多年　　來源：安捷倫科技公司

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

　　安捷倫的5DX系列(圖1)是其第四代產(chǎn)品，且一直在改進可重復(fù)性和吞吐量。系統(tǒng)的X射線分層攝影法技術(shù)依賴于與旋轉(zhuǎn)的圖像檢測器保持同步運動的可旋轉(zhuǎn)X射線束(圖2)。X射線分層攝影法使系統(tǒng)能夠?qū)?mil（0.75mm）厚的PCB進行成像，從而讓測試工程師可以清楚地在PCB任意一面觀察焊點。

　　5DX系統(tǒng)首先利用X射線束檢測PCB的特征，以便對準(zhǔn)PCB的X和Y軸。第二步，它利用激光測距儀來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(tǒng)精確地上下移動電路板(Z軸)以便X射線束聚焦在觀測區(qū)域，自動成像。但是，它需要再一次掃描電路板。
　　5DX系統(tǒng)可以處理0201 SMT元件并能夠分辨間隔8mil(0.2mm)的焊點。當(dāng)它遇到焊球或焊點內(nèi)的空泡時，5DX系統(tǒng)也可以將它們檢測出來，將從成像中提取的信息與測試工程師預(yù)先設(shè)定的特征比較，來判定焊點否合格。軟件的改進已經(jīng)極大地縮短了編程的時間，從而使5DX便于使用。

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

　　當(dāng)你對主要工藝作出改變時，有些事情會朝著預(yù)期的方向變化；但是，也會發(fā)生一些無法預(yù)料的事情。5DX系統(tǒng)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)。隨著制造商向無鉛焊的轉(zhuǎn)移，X射線系統(tǒng)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射線檢查設(shè)備市場占據(jù)領(lǐng)先地位，但是，一直向電子行業(yè)提供2D X射線檢查設(shè)備的泰瑞達公司現(xiàn)在已經(jīng)進入3D市場。他們認為X射線分層攝影技術(shù)機械上太復(fù)雜，它包括一個旋轉(zhuǎn)檢測器、一個旋轉(zhuǎn)X射線源、一塊在X射線焦平面(Z軸)移動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，泰瑞達擁有專利的離心層析X射線照相組合技術(shù)(稱為ClearVue)重構(gòu)了3D成像切片，而X射線源、檢測器和PCB都保持靜止。這種3D X射線成像方法自然地簡化了檢查設(shè)備(PCB在成像采集之間移動)。


圖3  寬角射線束使ClearVue X射線技術(shù)能夠?qū)CB的一部分進行離軸(off-axis)成像


圖4  泰瑞達XStation MX檢查設(shè)備提供構(gòu)建在ClearVue技術(shù)上的X射線檢查能力　來源：泰瑞達公司



圖5  在X射線攝像機下的PCB方塊G，系統(tǒng)采集紅色和紫色方塊的離軸成像。在X射線攝像機下的PCB方塊H，系統(tǒng)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射線源，而在PCB的另一面放置了大型檢測器(圖3)。X射線束透過電路板到達檢測器，但是，不像2D發(fā)射系統(tǒng)那樣直接觀察穿過PCB的X射線，也不像X射線分層攝影系統(tǒng)那樣采用小角度X射線束，ClearVue X射線束的角度可以擴展到40°。泰瑞達已經(jīng)開始交付使用基于ClearVue技術(shù)的XStation MX在線自動檢查系統(tǒng)(圖4)。

　　為了理解ClearVue技術(shù)的工作原理，圖5將PCB成像為一個正方形矩陣或區(qū)域。假設(shè)X射線系統(tǒng)定位PCB使方塊G位于X射線和檢測器之間。然后系統(tǒng)可以離軸或離角采集其周圍的方塊A、B、C、F、H、K、L和M。當(dāng)系統(tǒng)把方塊H移動到X射線束中時，它就離軸采集方塊B、C、D、G、I、L、M和N。注意，系統(tǒng)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射線系統(tǒng)為每一個方塊創(chuàng)建8個離軸成像矩陣(圖6)。然后，計算機通過數(shù)學(xué)運算將離軸拓撲圖信息組合起來，在選定的平面上構(gòu)造僅限于元件的成像。


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

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

　　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)，對于該大小掃描場的觀測，泰瑞達的設(shè)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(shù)光學(xué)檢查系統(tǒng)的速率相同。ClearVue技術(shù)還可以計算Z軸信息，所以，它的3D X射線設(shè)備不需要獨立且耗費時間的激光掃描來對PCB表面成像。XStation MX系統(tǒng)不依賴于大量的機械運動，而ClearVue技術(shù)并不對成像取平均，因此，每百萬被查焊點的虛假焊點缺陷率小于500個焊點。

　　在每秒6平方英寸掃描率下，X射線檢測器可以分辨1mil(0.25mm)的像素，從而使XStation MX系統(tǒng)足以觀察0201 SMT元件上的焊點。因為系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)X射線束的角度，改變觀測區(qū)域以便檢查諸如倒裝芯片和BGA這樣的封裝。

　　測試工程師肯定會用好各種X射線檢查設(shè)備。目前，生產(chǎn)線上下來的焊點中大約35%到40%采用BGA封裝連接到電路板，泰瑞達的專家援引研究報告稱，到2007年諸如BGA這樣的面陣列封裝將大約占所生產(chǎn)焊點的50%，但是，實際上許多公司現(xiàn)在就已經(jīng)超過了那個百分比。