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電路組裝中的X-ray檢測技術

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電路組裝中的X-ray檢測技術


鮮飛


  要:高密度封裝技術的飛速發展也給測試技術提出了新挑戰。為了應對挑戰,新的測試技術不斷涌現,X-ray檢測技術就是其中之一,它能有效控制BGA的焊接和組裝質量。本文扼要的介紹X-ray檢測技術的原理及未來發展趨勢。


關鍵詞:X-ray檢測;線路板;球柵陣列封裝;電路組裝


隨著電子技術的飛速發展,封裝的小型化和組裝的高密度化以及各種新型封裝技術的不斷涌現,對電路組裝質量的要求也越來越高。于是對檢查的方法和技術提出了更高的要求。為滿足這一要求,新的檢測技術不斷出現,自動X-ray檢測技術就是這其中的典型代表。它不僅可對不可見焊點進行檢測,如BGABall Grid Array,球柵陣列封裝)等,還可對檢測結果進行定性、定量分析,以便及早發現故障。本文就將簡要介紹一下X-ray檢測技術的原理,以供同行參考。


1  測試技術的種類


目前在電子組裝測試領域中使用的測試技術種類繁多,常用的有人工目檢(Manual visual inspection ,簡稱MVI)在線測試In-circuit tester,簡稱ICT自動光學測試Automatic Optical Inspection,簡稱AOI自動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點和不足之處:


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,具有很高的不穩定性。在處理06030402和細間距芯片時人工目檢更加困難,特別是當BGA器件大量采用時,對其焊接質量的檢查,人工目檢幾乎無能為力。


2)飛針測試是一種機器檢查方式。它是以兩根探針對器件加電的方法來實現檢測的,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品的高密度化使這種檢測方式的不足表現明顯。對于0402級的器件由于焊點的面積較小探針已無法準確連接。特別是高密度的消費類電子產品如手機,探針會無法接觸到焊點。此外其對采用并聯電容,電阻等電連接方式的PCB也不能準確測量。所以隨著產品的高密度化和器件的小型化,飛針測試在實際檢測工作中的使用量也越來越少。


3ICT針床測試是一種廣泛使用的測試技術。其優點是測試速度快,適合于單一品種大批量的產品。但是隨著產品品種的豐富和組裝密度的提高以及新產品開發周期的縮短,其局限性也越發明顯。其缺點主要表現為以下幾方面:需要專門設計測試點和測試模具,制造周期長,價格貴,編程時間長;器件小型化帶來的測試困難和測試不準確;PCB進行設計更改后,原測試模具將無法使用。


4)自動光學檢測(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,然后經過計算機的處理和分析比較來判斷缺陷和故障。其優點是檢測速度快,編程時間較短,可以放到生產線中的不同位置,便于及時發現故障和缺陷,使生產檢測和二為一。可縮短發現故障和缺陷時間,及時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。AOI系統也存在不足,如不能檢測電路錯誤,同時對不可見焊點的檢測也無能為力。


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


2  自動X射線檢查AXIAutomatic X-ray Inspection


根據對各種檢測技術和設備的了解,AXI(自動檢測技術)與上述幾種檢測技術相比具有更多的優點。它可使我們的檢測系統得到較高的提升。為我們提高“一次通過率”和爭取“零缺陷”的目標,提供一種有效檢測手段。


2.1  AXI檢測原理(見圖1):



                          1  AXI檢測原理


AXI是近幾年才興起的一種新型測試技術。當組裝好的線路板(PCBA)沿導軌進入機器內部后,位于線路板上方有一X-Ray發射管,其發射的X射線穿過線路板后被置于下方的探測器(一般為攝像機)接受,由于焊點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,照射在焊點上的X射線被大量吸收,而呈黑點產生良好圖像(如圖2所示),使得對焊點的分析變得相當直觀,故簡單的圖像分析算法便可自動且可靠地檢驗焊點缺陷。



                   2 呈現良好圖像的BGA焊點


2.2  AXI檢測的特點:


(1)對工藝缺陷的覆蓋率高達97%。可檢查的缺陷包括:虛焊、橋連、立碑、焊料不足、氣孔、器件漏裝等等。尤其是X-RAYBGACSP等焊點隱藏器件也可檢查。


(2)較高的測試覆蓋度。可以對肉眼和在線測試檢查不到的地方進行檢查。比如PCBA被判斷故障,懷疑是PCB內層走線斷裂,X-RAY可以很快的進行檢查。


(3)測試的準備時間大大縮短。


(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)提供相關測量信息,用來對生產工藝過程進行評估。如焊膏厚度、焊點下的焊錫量等。


2.3  AXI檢測設備:


近幾年AXI檢測設備有了較快的發展,已從過去的2D檢測發展到3D檢測,具有SPC統計控制功能,能夠與裝配設備相連,實現實時監控裝配質量。目前的3D檢測設備按分層功能區分有兩大類:


2.3.1  不帶分層功能:


這類設備是通過機器手對PCBA進行多角度的旋轉,形成不同角度的圖像,然后由計算機對圖像進行合成處理和分析,來判斷缺陷。圖3是一張傾斜拍攝的BGA照片,其中正常的焊點為圓柱型,開焊焊點為圓型。



3  BGA焊點開焊


2.3.2  具有分層功能:


計算機分層掃描技術可以提供傳統X射線成像技術無法實現的二維切面或三維立體表現圖,并且避免了影像重疊、混淆真實缺陷的現象,可清楚的展示被測物體內部結構,提高識別物體內部缺陷的能力,更準確的識別物體內部缺陷的位置。這類設備有兩種成像方式:


(1)X光管發射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的平臺上,旋轉平臺的高速旋轉,使焦面上的圖像清晰的成現在接收器上,再由CCD照相機將圖像信號變為數字信號,交給計算機處理和分析。如圖4



 4 計算機分層掃描技術方式一


 (2)這種方式是將X光束精確聚焦到PCB的某一層上,然后圖像由一個高速旋轉的接收面接收,由于接收面高速旋轉使處在焦點上的圖像清晰,而不在焦點上的圖像則被消除(如5)。如此得到各個不同層面的圖像,再通過計算機的合成、分析就可以實現對多層板和焊點結構的檢察(如圖6)。








X光管







PCB







接收器







CCD

 


 


 


 


 


 


 



                          


5 計算機分層掃描技術方式二



                              6 焊點結構的觀察


3  結束語

X-ray檢測技術為SMT生產檢測手段帶來了新的變革,可以說它是目前那些渴望進一步提高生產工藝水平,提高生產質量,并將及時發現電路組裝故障作為解決突破口的生產廠家的最佳選擇。隨著SMT器件的發展趨勢,其他裝配故障檢測手段由于其局限性而寸步難行,X-ray自動檢測設備將成為SMT生產設備的新焦點并在SMT生產領域中發揮著越來越重要的作用。

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