電路組裝的X-ray檢測(cè)技術(shù)

　　摘 要：高密度封裝技術(shù)的飛速發(fā)展也給測(cè)試技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，新的測(cè)試技術(shù)不斷涌現(xiàn)，X-ray檢測(cè)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(cè)技術(shù)的原理及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

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

　　中圖分類號(hào)：TN407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)電路組裝質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。于是對(duì)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(cè)技術(shù)不斷出現(xiàn)，自動(dòng)X-ray檢測(cè)技術(shù)就是這其中的典型代表。它不僅可對(duì)不可見(jiàn)焊點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，如BGA（Ball Grid Array，球柵陳列封裝）等，還可對(duì)檢測(cè)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(jiǎn)要介紹一下X-ray檢測(cè)技術(shù)的原理，以共同行參考。

　　1 測(cè)試技術(shù)的種類

　　目前在電子組裝領(lǐng)域中使用的測(cè)試技術(shù)種類繁多，常用的有人工目檢（Manual visual inspection,簡(jiǎn)稱MVI）、在線測(cè)試（In-circuit tester,簡(jiǎn)稱ICT)、自動(dòng)光學(xué)測(cè)試(Automatic Optical Inspection，簡(jiǎn)稱AOI)、自動(dòng)X射線測(cè)試(Automatic X-ray Inspection，簡(jiǎn)稱AXI)、功能測(cè)試(Functional Tester，簡(jiǎn)稱FT)等。這些檢測(cè)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(cè)范圍有限，只能檢察器件漏裝、方向極性、型號(hào)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(duì)其焊接質(zhì)量的檢查，人工目檢幾乎無(wú)能為力。

　　(2)飛針測(cè)試是一種機(jī)器檢查方式。它是以兩根探針對(duì)器件加電的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，能夠檢測(cè)器件失效、元件性能不良等缺陷。這種測(cè)試方式對(duì)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(cè)方式的不足表現(xiàn)明顯。對(duì)于0402級(jí)的器件由于焊點(diǎn)的面積較小探針已無(wú)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(huì)無(wú)法接觸到焊點(diǎn)。此外其對(duì)采用并聯(lián)電容，電阻等電連接方式的PCB也不能準(zhǔn)確測(cè)量。所以隨著產(chǎn)品的高密度化和器件的小型化，飛針測(cè)試在實(shí)際檢測(cè)工作中的使用量也越來(lái)越少。

　　(3)ICT針床測(cè)試是一種廣泛使用的測(cè)試技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)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(kāi)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(mén)設(shè)計(jì)測(cè)試點(diǎn)和測(cè)試模具，制造周期長(zhǎng)，價(jià)格貴，編程時(shí)間長(zhǎng)；器件小型化帶來(lái)的測(cè)試?yán)щy和測(cè)試不準(zhǔn)確；PCB進(jìn)行設(shè)計(jì)更改后，原測(cè)試模具將無(wú)法使用。

　　(4)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)是近幾年興起一種檢測(cè)方法。它是通過(guò)CCD照相的方式獲得器件或PCB的圖像，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的處理和分析比較來(lái)判斷缺陷和故障。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)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(cè)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(cè)手段。但AOI系統(tǒng)也存在不足，如不能檢測(cè)電路錯(cuò)誤，同時(shí)對(duì)不可見(jiàn)焊點(diǎn)的檢測(cè)也無(wú)能為力。

　　(5)功能測(cè)試。ICT能夠有效地查找在SMT組裝過(guò)程中發(fā)生的各種缺陷和故障，但是它不能夠評(píng)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(cè)試就可以測(cè)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(cè)單元作為一個(gè)功能體，對(duì)其提供輸入信號(hào)，按照功能體的沒(méi)計(jì)要求檢測(cè)輸出信號(hào)。這種測(cè)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(cè)試最簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)各種檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備的了解，AXI(自動(dòng)檢測(cè)技術(shù))與上述幾種檢測(cè)技術(shù)相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)。它可使我們的檢測(cè)系統(tǒng)得到較高的提升。為我們提高"一次通過(guò)率"和爭(zhēng)取"零缺陷"的目標(biāo)，提供一種有效檢測(cè)手段。

　　2.1 AXI檢測(cè)原理(見(jiàn)圖1)



　　AXI是近幾年才興起的一種新型測(cè)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(guò)線路板后被置于下方的探測(cè)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(guò)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(duì)焊點(diǎn)的分析變得相當(dāng)直觀，故簡(jiǎn)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(cè)的特點(diǎn)

　　(1)對(duì)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(duì)BGA、CSP等焊點(diǎn)隱藏器件也可檢查。

　�。�2）較高的測(cè)試覆蓋度�？梢詫�(duì)肉眼和在線測(cè)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(cè)試的準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短。

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

　�。�5）對(duì)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(cè)量信息，用來(lái)對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。如焊膏厚度、焊點(diǎn)下的焊錫量等。

　　2.3 AXI檢測(cè)設(shè)備

　　近幾年AXI檢測(cè)設(shè)備有了較快的發(fā)展，已從過(guò)去的2D檢測(cè)發(fā)展到3D檢測(cè)，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(cè)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(guò)機(jī)器手對(duì)PCBA進(jìn)行對(duì)角度旋轉(zhuǎn)，形成不同角度的圖像，然后由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行合成處理和分析，來(lái)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(kāi)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(wú)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(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高識(shí)別物體內(nèi)部缺陷的能力，更準(zhǔn)確的識(shí)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(cè)物體的某層，被測(cè)物體置于一可旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)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(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，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(guò)計(jì)算機(jī)的合成、分析就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多層板和焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。



　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　X-ray檢測(cè)技術(shù)為SMT生產(chǎn)檢測(cè)手段帶來(lái)了新的變革，可以說(shuō)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(shì)，其他裝配故障檢測(cè)手段由于其局限性而寸步難行，X-ray自動(dòng)檢測(cè)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(lái)越重要的作用。