電路組裝的X-ray檢測技術(shù)

　　摘 要：高密度封裝技術(shù)的飛速發(fā)展也給測試技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，新的測試技術(shù)不斷涌現(xiàn)，X-ray檢測技術(shù)就是其中之一，它能有效控制BGA的焊接和組裝質(zhì)量。介紹X-ray檢測技術(shù)的原理及未來發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞：X-ray檢測,線路板,球柵陳列封裝,電路組裝,檢測,X-ray檢測

　　中圖分類號：TN407 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-4507（2005）09-0034-03


　　隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，封裝小型化和組裝的高密度化以及各種新型封裝技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，對電路組裝質(zhì)量的要求也越來越高。于是對檢查的方法和技術(shù)提出了更高的要求。為滿足這一要求，新的檢測技術(shù)不斷出現(xiàn)，自動(dòng)X-ray檢測技術(shù)就是這其中的典型代表。它不僅可對不可見焊點(diǎn)進(jìn)行檢測，如BGA（Ball Grid Array，球柵陳列封裝）等，還可對檢測結(jié)果進(jìn)行定性、定量分析，以便及早發(fā)現(xiàn)故障。本文就將簡要介紹一下X-ray檢測技術(shù)的原理，以共同行參考。

　　1 測試技術(shù)的種類

　　目前在電子組裝領(lǐng)域中使用的測試技術(shù)種類繁多，常用的有人工目檢（Manual visual inspection,簡稱MVI）、在線測試（In-circuit tester,簡稱ICT)、自動(dòng)光學(xué)測試(Automatic Optical Inspection，簡稱AOI)、自動(dòng)X射線測試(Automatic X-ray Inspection，簡稱AXI)、功能測試(Functional Tester，簡稱FT)等。這些檢測方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足之處：

　　(1)人工目檢是一種用肉眼檢察的方法。其檢測范圍有限，只能檢察器件漏裝、方向極性、型號正誤、橋連以及部分虛焊。由于人工目檢易受人的主客觀因素的影響，具有很高的不穩(wěn)定性。在處理0603、0402和細(xì)間距芯片時(shí)人工目檢更加困難，特別是當(dāng)BGA器件大量采用時(shí)，對其焊接質(zhì)量的檢查，人工目檢幾乎無能為力。

　　(2)飛針測試是一種機(jī)器檢查方式。它是以兩根探針對器件加電的方法來實(shí)現(xiàn)檢測，能夠檢測器件失效、元件性能不良等缺陷。這種測試方式對插裝PCB和采用0805以上尺寸器件貼裝的密度不高的PCB比較適用。但是器件的小型化和產(chǎn)品的高密度化使這種檢測方式的不足表現(xiàn)明顯。對于0402級的器件由于焊點(diǎn)的面積較小探針已無法準(zhǔn)確連接。特別是高密度的消費(fèi)類電子產(chǎn)品如手機(jī)，探針會無法接觸到焊點(diǎn)。此外其對采用并聯(lián)電容，電阻等電連接方式的PCB也不能準(zhǔn)確測量。所以隨著產(chǎn)品的高密度化和器件的小型化，飛針測試在實(shí)際檢測工作中的使用量也越來越少。

　　(3)ICT針床測試是一種廣泛使用的測試技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是測試速度快，適合于單一品種大批量的產(chǎn)品。但是隨著產(chǎn)品品種的豐富和組裝密度的提高以及新產(chǎn)品開發(fā)周期的縮短，其局限性也越發(fā)明顯。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下幾方面：需要專門設(shè)計(jì)測試點(diǎn)和測試模具，制造周期長，價(jià)格貴，編程時(shí)間長；器件小型化帶來的測試?yán)щy和測試不準(zhǔn)確；PCB進(jìn)行設(shè)計(jì)更改后，原測試模具將無法使用。

　　(4)自動(dòng)光學(xué)檢測(AOI)是近幾年興起一種檢測方法。它是通過CCD照相的方式獲得器件或PCB的圖像，然后經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理和分析比較來判斷缺陷和故障。其優(yōu)點(diǎn)是檢測速度快，編程時(shí)間較短，可以放到生產(chǎn)線中的不同位置，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和缺陷，使生產(chǎn)、檢測和二為一�？煽s短發(fā)現(xiàn)故障和缺陷時(shí)間，及時(shí)找出故障和缺陷的成因。因此它是目前采用得比較多的一種檢測手段。但AOI系統(tǒng)也存在不足，如不能檢測電路錯(cuò)誤，同時(shí)對不可見焊點(diǎn)的檢測也無能為力。

　　(5)功能測試。ICT能夠有效地查找在SMT組裝過程中發(fā)生的各種缺陷和故障，但是它不能夠評估整個(gè)線路板所組成的系統(tǒng)在時(shí)鐘速度時(shí)的性能。而功能測試就可以測試整個(gè)系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，它將線路板上的被測單元作為一個(gè)功能體，對其提供輸入信號，按照功能體的沒計(jì)要求檢測輸出信號。這種測試是為了確保線路板能否按照設(shè)計(jì)要求正常工作。所以功能測試最簡單的方法，是將組裝好的某電子設(shè)備上的專用線路板連接到該設(shè)備的適當(dāng)電路上，然后加電壓，如果設(shè)備正常工作，就表明線路板合格。這種方法簡單、投資少，但不能自動(dòng)診斷故障。

　　2 自動(dòng)X射線檢查AXI(Automatic X-ray Inspection)

　　根據(jù)對各種檢測技術(shù)和設(shè)備的了解，AXI(自動(dòng)檢測技術(shù))與上述幾種檢測技術(shù)相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)。它可使我們的檢測系統(tǒng)得到較高的提升。為我們提高"一次通過率"和爭取"零缺陷"的目標(biāo)，提供一種有效檢測手段。

　　2.1 AXI檢測原理(見圖1)



　　AXI是近幾年才興起的一種新型測試技術(shù)。當(dāng)組裝好的線路板(PCBA)沿導(dǎo)軌進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部后，位于線路板上方有一X-ray發(fā)射管，其發(fā)射的X射線穿過線路板后被置于下方的探測器(一般為攝像機(jī))接受，由于焊點(diǎn)中含有可以大量吸收X射線的鉛，因此與穿過玻璃纖維、銅、硅等其它材料的X射線相比，照射在焊點(diǎn)上的X射線被大量吸收，而呈黑點(diǎn)產(chǎn)生良好圖像(如圖2所示)，使得對焊點(diǎn)的分析變得相當(dāng)直觀，故簡單的圖像分析算法便可自動(dòng)且可靠地檢驗(yàn)焊點(diǎn)缺陷。



　　2.2 AXI檢測的特點(diǎn)

　　(1)對工藝缺陷的覆蓋率高達(dá)97％�？蓹z查的缺陷包括：虛焊、橋連、立碑、焊料不足、氣孔、器件漏裝等等。尤其是X-ray對BGA、CSP等焊點(diǎn)隱藏器件也可檢查。

　　（2）較高的測試覆蓋度�？梢詫θ庋酆驮诰�測試檢查不到的地方進(jìn)行檢查。比如PCBA被判斷故障，懷疑是PCB內(nèi)層走線斷裂，X-ray可以很快地進(jìn)行檢查。

　　（3）測試的準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短。

　　（4）能觀察到其他測試手段無法可靠探測到的缺陷，比如：虛焊、空氣孔和成型不良等。

　�。�5）對雙面板和多層板只需一次檢查（帶分層功能）。

　�。�6）提供相關(guān)測量信息，用來對生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行評估。如焊膏厚度、焊點(diǎn)下的焊錫量等。

　　2.3 AXI檢測設(shè)備

　　近幾年AXI檢測設(shè)備有了較快的發(fā)展，已從過去的2D檢測發(fā)展到3D檢測，具有SPC統(tǒng)計(jì)控制功能，能夠與裝配設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝配質(zhì)量。目前3D檢測設(shè)備按分層功能區(qū)分有兩大類：不帶分層功能與具有分層功能。

　　2.3.1 不帶分層功能

　　這類設(shè)備是通過機(jī)器手對PCBA進(jìn)行對角度旋轉(zhuǎn)，形成不同角度的圖像，然后由計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行合成處理和分析，來判斷缺陷。圖3是一張傾斜拍攝的BGA照片，其中正常的焊點(diǎn)為圓柱型，開焊焊點(diǎn)為圓型。



　　2.3.2 具有分層功能

　　計(jì)算機(jī)分層掃描技術(shù)可以提供傳統(tǒng)X射線成像技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的二維切面或三位立體表現(xiàn)圖，并且避免了影像重疊、混淆真實(shí)缺陷的現(xiàn)象，可清楚的展示被測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高識別物體內(nèi)部缺陷的能力，更準(zhǔn)確的識別物體內(nèi)部缺陷的位置。這類設(shè)備有兩種成像方式：

　　（1）X光管發(fā)射X光束并精確聚焦到被測物體的某層，被測物體置于一可旋轉(zhuǎn)的平臺上，旋轉(zhuǎn)平臺的高速旋轉(zhuǎn)，使焦面上的圖像清晰的成現(xiàn)在接收器上，再由CCD照相機(jī)將圖像信號變?yōu)閿?shù)字信號，交給計(jì)算機(jī)處理和分析。如圖4。



　�。�2）將X光束精確聚焦到PCB的某一層上，然后圖像由一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的接收面接收，由于接收面高速旋轉(zhuǎn)使出在焦點(diǎn)的圖像清晰，而不再焦點(diǎn)上的圖像則被消除（如5）。如此得到各個(gè)不同層面的圖像，再通過計(jì)算機(jī)的合成、分析就可以實(shí)現(xiàn)對多層板和焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的檢測。



　　3 結(jié)束語

　　X-ray檢測技術(shù)為SMT生產(chǎn)檢測手段帶來了新的變革，可以說它是目前那些渴望進(jìn)一步提高生產(chǎn)工藝水平，提高生產(chǎn)質(zhì)量，并將及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路組裝故障作為解決突破口的生產(chǎn)廠家的最佳選擇。隨著SMT期間的發(fā)展趨勢，其他裝配故障檢測手段由于其局限性而寸步難行，X-ray自動(dòng)檢測設(shè)備將成為SMT生產(chǎn)設(shè)備的新焦點(diǎn)并在SMT生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。