Inspection aux rayons X

Inspection par rayons X : ce que couvre ce guide (et à qui il s'adresse)

Ce guide est conçu pour les Ingénieurs Qualité, les Responsables NPI et les Responsables des Achats qui sont chargés de valider des assemblages de PCB complexes (PCBA). Si votre conception inclut des Ball Grid Arrays (BGA), des Quad Flat No-leads (QFN) ou des connecteurs haute densité où les joints de soudure sont cachés à l'œil nu, se fier uniquement aux contrôles visuels est un risque. Ce guide se concentre sur l'inspection par rayons X comme garant essentiel de la fiabilité, allant au-delà des métriques de base "réussite/échec" pour des spécifications exploitables et l'atténuation des risques.

Chez APTPCB (Usine de PCB APTPCB), nous constatons souvent que les stratégies d'inspection échouent non pas par manque de technologie, mais parce que les exigences étaient ambiguës. Ce guide vous aide à définir exactement ce dont vous avez besoin de la part de votre partenaire de fabrication — des limites de pourcentage de vide aux exigences de résolution d'image — garantissant que vos composants "boîte noire" sont correctement soudés avant de quitter l'usine.

Vous y trouverez une approche structurée pour définir les critères d'inspection, une analyse des risques cachés que les rayons X 2D standard pourraient manquer, et un plan de validation pour corréler les données des rayons X avec la réalité physique. Nous fournissons également une liste de contrôle prête à l'achat à inclure dans vos dossiers de Demande de Devis (DD), garantissant que vos fournisseurs sont capables de répondre au niveau de contrôle exigé par votre produit.

Quand l'inspection par rayons X est la bonne approche (et quand elle ne l'est pas)

L'inspection aux rayons X n'est pas un remplacement universel des méthodes optiques ; c'est un outil spécialisé pour des géométries spécifiques. Comprendre où elle s'intègre dans l'écosystème du contrôle qualité permet d'éviter des dépenses excessives pour des tests inutiles tout en assurant une couverture critique.

Utilisez l'inspection aux rayons X lorsque :

Joints de soudure cachés : Les composants comme les BGA, les CSP (Chip Scale Packages), les LGA et les QFN ont des pastilles sous le corps du boîtier. La ligne de visée optique est bloquée.
Remplissage de barillet multicouche : Vous devez vérifier la pénétration de la soudure traversante (remplissage de barillet) dans les PCB épais et multicouches où l'inspection visuelle par le dessous n'est pas concluante en raison de dissipateurs thermiques ou de blindages.
Vérification des liaisons filaires : Dans les boîtiers Chip-on-Board (COB) ou les boîtiers IC complexes, la vérification du balayage des fils ou des fils de liaison cassés nécessite une pénétration aux rayons X.
Analyse des vides : Vous devez quantifier le pourcentage de vides gazeux à l'intérieur d'un grand pad thermique (par exemple, sous un FET de puissance ou un QFN) pour vous assurer que la conductivité thermique respecte les spécifications IPC.

Ne vous fiez pas uniquement aux rayons X lorsque :

Défauts de surface : Pour vérifier la polarité des composants, les marquages textuels ou les ponts de soudure sur les broches visibles, l'inspection AOI (Automated Optical Inspection) est plus rapide, moins chère et de plus haute résolution.
Volume de pâte à souder : Pour prévenir les défauts avant la refusion, l'inspection SPI (Solder Paste Inspection) est supérieure. Les rayons X sont un détective post-refusion ; le SPI est un préventif pré-refusion.
Fonction Électrique : Les rayons X confirment l'intégrité structurelle, pas la connectivité électrique. Une soudure peut sembler bonne aux rayons X (head-in-pillow) mais échouer électriquement. Elle doit être associée à un test ICT ou fonctionnel.

Exigences à définir avant de demander un devis

Pour obtenir un devis fiable et un produit fiable, vous devez aller au-delà de la simple demande de "test aux rayons X" et spécifier les paramètres. L'ambiguïté dans ce domaine conduit les fournisseurs à utiliser des réglages de faible résolution pour gagner du temps.

Limite de Pourcentage de Vide (Classe IPC) : Indiquez explicitement le pourcentage maximal de vide autorisé. Pour IPC-A-610 Classe 2, il est généralement <25 % de la surface. Pour la Classe 3 ou les applications de puissance à haute fiabilité, vous pouvez exiger <15 % ou <10 %.
Diamètre du Plus Grand Vide : En plus du pourcentage total, spécifiez si les vides uniques de grande taille sont interdits (par exemple, "Aucun vide unique >50 % du diamètre du pad") pour éviter la concentration de contraintes.
Diamètre de la Bille BGA et Hauteur de Collapsus : Définissez le diamètre cible et la hauteur de collapsus pour les billes BGA. Cela aide à détecter les défauts de type "bonhomme de neige" où la bille n'a pas correctement refondu.
Résolution de l'Image (Microns) : Spécifiez la résolution requise en fonction de votre plus petite caractéristique. Pour les BGA standard, 5-10 microns sont suffisants. Pour les micro-BGA ou les flip-chips, vous pourriez avoir besoin d'une capacité <1 micron.
Capacité d'Angle d'Inclinaison/Oblique : Exigez une capacité de visualisation oblique (par exemple, 45-70 degrés). Les rayons X directs (2D) manquent souvent les défauts Head-in-Pillow.
Taux d'échantillonnage (AQL vs. 100%): Définissez si vous avez besoin d'une inspection à 100 % (chaque carte, chaque BGA) ou d'un échantillon statistique (par exemple, AQL 0,65). Une inspection à 100 % augmente considérablement le temps de cycle et les coûts.
Politique de conservation des images: Définissez la durée de stockage des images radiographiques. Pour l'automobile ou l'aérospatiale, vous pourriez avoir besoin de conserver les images pendant 5 à 10 ans pour la traçabilité.
Taux de faux positifs (fausse défaillance): Fixez des attentes pour les faux positifs si vous utilisez la radiographie automatisée (AXI). Des faux positifs élevés arrêtent la ligne ; vous voulez un processus réglé pour <500 ppm de faux positifs.
Spécificités des composants: Listez exactement quels désignateurs de référence (par exemple, U1, U12) nécessitent une radiographie. Ne laissez pas l'opérateur deviner quelles pièces sont critiques.
Sensibilité aux radiations: Si votre carte contient de la mémoire flash ou des capteurs sensibles, spécifiez les limites maximales d'exposition aux radiations pour éviter la corruption des données ou les dommages aux capteurs.
Format du rapport: Définissez le format de sortie. Avez-vous besoin d'un résumé PDF ou d'images DICOM/TIFF brutes pour votre propre analyse ?
Vérification de la reprise: Indiquez explicitement que tout BGA retravaillé doit subir une inspection radiographique à 100 % pour vérifier la réparation.

Les risques cachés qui compromettent la montée en puissance

Le passage d'un prototype à la production de masse introduit des variables qui peuvent rendre votre validation radiographique initiale inefficace. Ces risques se cachent souvent dans les variations de processus.

Défauts "Head-in-Pillow" (HiP) :
Risque: La bille BGA se déforme dans la pâte mais ne crée pas de liaison métallurgique (comme une tête sur un oreiller).
Pourquoi: Déformation pendant le refusion ou activité insuffisante du flux.
Détection: Invisible en radiographie 2D de haut en bas. Nécessite des vues obliques/angulaires ou une laminographie 3D.
Prévention: Utiliser un flux à haute activité, contrôler la déformation et exiger une inspection angulaire.
Vides de Champagne:
- Risque: De minuscules vides regroupés à l'interface de la bille et du pad, créant un point de rupture faible.
- Pourquoi: Dégazage de la chimie de placage via-in-pad.
- Détection: Très difficile à voir en raison de leur petite taille ; nécessite une radiographie à fort grossissement.
- Prévention: Contrôle strict de la fabrication des PCB (qualité du placage) et cuisson des cartes avant l'assemblage.
Ombrage dû à l'assemblage double face:
- Risque: Les composants du côté inférieur bloquent la vue radiographique des composants du côté supérieur.
- Pourquoi: Les agencements à haute densité placent de grands condensateurs ou inducteurs directement sous les BGA.
- Détection: Les images semblent encombrées et illisibles.
- Prévention: Révision du Design for Test (DFT) pour décaler les composants critiques ou utiliser la radiographie 3D (Laminographie) qui découpe les couches.
Remplissage insuffisant du barillet (THT):
- Risque: Les broches traversantes semblent soudées par le haut et par le bas, mais le centre est vide.
- Pourquoi: Chaleur insuffisante ou hauteur de vague pendant le brasage.
- Détection: La radiographie montre une forme de "sablier" dans la colonne de soudure.
Prévention : Optimiser le profil de vague et utiliser les rayons X pour affiner les réglages de préchauffage.
Fausse confiance dans le "Passé" :
- Risque : L'opérateur valide une carte marginale parce que l'image est floue ou que les réglages sont imprécis.
- Pourquoi : Manque de comparaison avec un "Échantillon d'or" ou fatigue de l'opérateur.
- Détection : Auditer l'audit. Ré-inspecter un échantillon de cartes "passées".
- Prévention : Mettre en œuvre l'Inspection Automatisée par Rayons X (AXI) pour éliminer la subjectivité de l'opérateur.
Dommages par rayonnement à la mémoire :
- Risque : Effacement ou corruption du firmware pré-programmé dans les microcontrôleurs (MCU) ou la mémoire Flash.
- Pourquoi : Les photons de haute énergie peuvent inverser des bits dans les transistors à grille flottante.
- Détection : Le test fonctionnel échoue après les rayons X.
- Prévention : Protéger les pièces sensibles ou limiter le temps d'exposition/les réglages kV.
Goulots d'étranglement de la production :
- Risque : Les rayons X deviennent l'étape la plus lente, réduisant le rendement de la ligne.
- Pourquoi : Exigence d'inspection à 100 % sur une machine lente.
- Détection : Le WIP (Work in Progress) s'accumule à la station de rayons X.
- Prévention : Passer à l'échantillonnage (AQL) après avoir prouvé la stabilité du processus, ou investir dans des AXI en ligne plus rapides.
Désaccords d'interprétation :
- Risque : Le fournisseur dit "Passé", vous dites "Échec".
- Pourquoi : Interprétation subjective des images en niveaux de gris.
- Détection : Disputes concernant les lots rejetés.
- Prévention : Établir une "Bibliothèque de défauts" avec des images convenues des limites Pass/Échec avant le début de la production.

Plan de validation (ce qu'il faut tester, quand et ce que signifie « réussi »)

Un plan de validation robuste vous fait passer de « espérer que c'est bon » à « prouver que c'est bon ». Ce plan corrèle les données radiographiques avec la réalité physique.

Création d'échantillons d'or :
- Objectif : Établir une base de référence pour une soudure parfaite.
- Méthode : Assembler 5 cartes, vérifier par radiographie et confirmer 100% de fonctionnalité.
- Acceptation : Les images sont claires, nettes et enregistrées comme standard de référence.
Ensemencement de Défauts (Le « Lapin Rouge ») :
- Objectif : Prouver que la machine à rayons X peut réellement détecter les défauts.
- Méthode : Créer intentionnellement des défauts (bille manquante, pastilles pontées, pâte insuffisante) sur une carte de test.
- Acceptation : L'opérateur ou la machine à rayons X doit identifier correctement 100% des défauts ensemencés.
Corrélation par Coupe Transversale (Destructive) :
- Objectif : Vérifier les mesures radiographiques par rapport à la réalité physique.
- Méthode : Prendre une carte ayant passé la radiographie, couper et polir l'interface BGA (microsectionnement).
- Acceptation : Le pourcentage de vides physiques et la couche d'IMC (Composé Intermétallique) correspondent à l'interprétation radiographique.
Test de Teinture et de Séparation (Destructif) :
- Objectif : Détecter les joints « Head-in-Pillow » ou ouverts que la radiographie pourrait manquer.
- Méthode : Injecter un colorant rouge sous le BGA, durcir et détacher le composant.
- Acceptation : Aucun colorant ne doit être présent sur l'interface de la soudure (le colorant indique un interstice/une fissure).
R&R de jauge (Répétabilité):
- Objectif: S'assurer que le système de mesure est cohérent.
- Méthode: L'opérateur doit mesurer le même pourcentage de vide sur la même carte 10 fois.
- Acceptation: La variation doit être inférieure à 10 %.
Rapport d'inspection du premier article (FAI):
- Objectif: Approbation formelle de la première série de production.
- Méthode: Radiographie à 100 % des 5 à 10 premières cartes avec des rapports détaillés d'analyse des vides.
- Acceptation: Tous les composants critiques respectent les spécifications IPC Classe 2/3 ; le rapport est signé par votre ingénieur.
Réglage AXI en ligne (si applicable):
- Objectif: Optimiser la vitesse et les faux appels.
- Méthode: Faire passer 50 cartes reconnues comme bonnes à travers la machine.
- Acceptation: Taux de faux appels < 500 ppm ; le temps de cycle correspond au rythme de la ligne.
Vérification de l'interférence du dissipateur thermique:
- Objectif: S'assurer que l'assemblage final ne bloque pas l'inspection.
- Méthode: Radiographier la carte après que les dissipateurs thermiques ou les blindages sont fixés.
- Acceptation: Les joints critiques sont toujours visibles, ou l'inspection est déplacée à une étape de processus antérieure.
Test de rétention des données:
- Objectif: Vérifier la traçabilité.
- Méthode: Demander des images radiographiques pour un numéro de série spécifique de la semaine précédente.
- Acceptation: Le fournisseur récupère les images correctes dans les 4 heures.
Audit de sécurité radiologique:
- Objectif: Assurer la sécurité des composants.

Méthode : Vérifier les réglages de la machine (kV, mA, temps) par rapport aux fiches techniques des composants.
Acceptation : Les réglages sont inférieurs aux seuils de dommage pour les CI sensibles.

Liste de contrôle du fournisseur (RFQ + questions d'audit)

Utilisez cette liste de contrôle pour évaluer APTPCB ou tout autre partenaire de fabrication. Elle permet de distinguer les fournisseurs compétents de ceux qui "ont juste une machine".

Groupe 1 : Entrées RFQ (Ce que vous envoyez)

Liste des composants critiques : Liste définie des désignations de référence (U1, U2, etc.) nécessitant une inspection.
Norme d'acceptation : IPC-A-610 Classe 2 ou Classe 3 spécifiée.
Critères de vide : Limite de pourcentage spécifique (par exemple, Max 25 % total, Max 10 % vide unique).
Exigence de rapport : Résumé PDF vs. livraison complète des images brutes.
Stratégie de volume : Inspection à 100 % vs. plan d'échantillonnage AQL.
Fichiers CAD/Gerber : Fournis pour aider à programmer les machines automatisées.
Détails de l'empilement : Poids du cuivre et nombre de couches (affecte la puissance de pénétration des rayons X nécessaire).
Panelisation : Réseau de panneaux défini (affecte le déplacement et la vitesse de la machine).

Groupe 2 : Preuve de capacité (Ce qu'ils doivent montrer)

Type de machine : 2D (Transmission) vs. 2.5D (Oblique) vs. 3D (CT/Laminographie).
Résolution : Taille minimale de reconnaissance des caractéristiques (par exemple, < 2 microns).
Tension du tube : kV suffisant (par exemple, 130kV+) pour pénétrer votre carte la plus épaisse.
Type de détecteur : Détecteur à panneau plat (numérique) préféré à l'intensificateur d'image (analogique).
Vue Oblique: La machine peut-elle s'incliner de plus de 45 degrés pour voir la forme des billes BGA ?
Analyse Automatisée: Capacité du logiciel à calculer automatiquement le pourcentage de vides (élimine l'erreur humaine).
Taille Maximale de la Carte: La machine correspond-elle aux dimensions de votre panneau ?
Bibliothèque de Défauts: Exemples de défauts qu'ils ont détectés avec succès récemment.

Groupe 3 : Système Qualité et Traçabilité

Sérialisation: Les données radiographiques sont-elles liées au numéro de série du PCB ?
Stockage des Images: Les images sont-elles stockées sur un disque local ou un serveur central ? Fréquence de sauvegarde ?
Certification de l'Opérateur: Les inspecteurs sont-ils formés selon les normes IPC-A-610 ?
Étalonnage: La machine est-elle étalonnée annuellement ? (Demander l'autocollant/certificat).
Matériel Non Conforme: Processus de ségrégation des cartes qui échouent au contrôle radiographique (bac rouge/convoyeur verrouillé).
Boucle de Retouche: Le système impose-t-il une nouvelle inspection après la retouche ?

Groupe 4 : Contrôle des Changements et Livraison

Notification de Changement de Processus (PCN): Vous informeront-ils s'ils changent de machines à rayons X ?
Planification de la Capacité: Ont-ils suffisamment de capacité de rayons X pour votre volume de pointe ?
Gestion des Goulots d'Étranglement: Plan en cas de panne de la machine à rayons X (machine de secours ?).
Débit: Temps d'inspection estimé par carte par rapport à la cadence de la ligne de production.
Délai de Rapports: Dans quel délai les rapports sont-ils disponibles après la production ?
Voie d'Escalade: Qui décide des images "limites" ?

Guide de décision (compromis que vous pouvez réellement choisir)

L'ingénierie est une question de compromis. Voici comment naviguer dans les décisions concernant l'inspection aux rayons X.

Inspection 2D vs. 3D (CT) :
- Si vous privilégiez le Coût et la Vitesse : Choisissez les rayons X 2D. C'est rapide et cela détecte les défauts grossiers comme les ponts et les grands vides.
- Si vous privilégiez la Fiabilité et les Géométries Complexes : Choisissez la 3D/CT. C'est plus lent et plus coûteux, mais essentiel pour la détection des HiP, les cartes double face et les PoP (Package on Package).
Échantillonnage (AQL) vs. Inspection à 100 % :
- Si vous privilégiez le Débit : Choisissez l'échantillonnage AQL (par exemple, inspecter 10 % du lot). N'utilisez cela qu'après que le processus soit stable (Cpk > 1.33).
- Si vous privilégiez Zéro Défaut Échappé : Choisissez l'inspection à 100 %. Obligatoire pour l'automobile, le médical et l'aérospatial, mais cela ajoute des coûts.
Inspection Hors Ligne vs. En Ligne :
- Si vous privilégiez la Flexibilité/NPI : Choisissez les rayons X Hors Ligne (en îlot). Idéal pour le débogage et les faibles volumes.
- Si vous privilégiez la Cohérence de la Production de Masse : Choisissez l'AXI En Ligne. Il est intégré à la ligne de convoyage, inspecte automatiquement et ne dépend pas d'un opérateur déplaçant manuellement les cartes.
Analyse Manuelle vs. Automatisée :
- Si vous privilégiez un Faible Coût de Configuration : Choisissez l'Analyse Manuelle. L'opérateur regarde l'écran. Bon pour les prototypes.
- Si vous privilégiez l'Intégrité des Données : Choisissez l'Analyse Automatisée. Le logiciel compte les vides. Supprime l'"opinion" de la décision qualité.
Validation Destructive vs. Non-Destructive :
- Si vous privilégiez la préservation de la carte : Tenez-vous-en aux rayons X.
- Si vous privilégiez l'analyse des causes profondes : Vous devez sacrifier une carte pour la coupe transversale ou le Dye and Pry afin de prouver que les rayons X disent la vérité.

FAQ

Q: L'inspection par rayons X peut-elle endommager mes composants ? R: Généralement, non. Cependant, certains types de mémoire (EPROM, Flash) et de capteurs analogiques sensibles peuvent être corrompus par une exposition prolongée.

Vérifiez les fiches techniques des composants pour les limites de rayonnement.
Limitez le temps d'exposition et utilisez le réglage kV efficace le plus bas.

Q: Quelle est la différence entre l'AOI et les rayons X ? R: L'inspection AOI utilise des caméras et de la lumière pour vérifier les caractéristiques visibles (polarité, texte, congés de soudure). L'inspection par rayons X utilise des radiations pour voir à travers le boîtier jusqu'aux joints cachés.

AOI = Surface / Visible.
Rayons X = Interne / Caché.

Q: Pourquoi les rayons X ne peuvent-ils pas détecter tous les défauts "Head-in-Pillow" ? R: Dans une vue de dessus (2D), la bille chevauche parfaitement le pad, masquant le manque de fusion.

Vous avez besoin de vues obliques (angulaires) ou de laminographie 3D pour voir la couche de séparation.
Le Dye and Pry est l'arbitre ultime pour les problèmes HiP.

Q: Combien l'inspection par rayons X ajoute-t-elle au coût ? R: Cela dépend de la stratégie.

L'échantillonnage (AQL) ajoute un coût négligeable.
Une inspection manuelle à 100 % peut entraîner des coûts de main-d'œuvre et de temps importants.
L'AXI en ligne a un coût initial élevé de la machine mais un faible coût de main-d'œuvre par unité. Q: Les rayons X peuvent-ils détecter les composants contrefaits ? R: Oui, c'est un outil principal pour cela.
Il révèle la taille de la puce et le motif de liaison filaire à l'intérieur du composant.
La comparaison de la radiographie d'une pièce reçue avec une pièce "Golden" du datasheet révèle immédiatement les contrefaçons.

Q: Qu'est-ce que le "Voiding" (formation de vides) et est-ce toujours mauvais ? R: Le voiding est du gaz piégé dans le joint de soudure.

Les petits vides sont normaux et acceptables (l'IPC autorise jusqu'à 25%).
Un voiding excessif réduit le transfert thermique et la résistance mécanique.
L'emplacement compte : les vides à l'interface (microvides planaires) sont dangereux ; les vides au centre sont moins critiques.

Q: APTPCB effectue-t-il des radiographies sur toutes les cartes ? R: Nous effectuons des radiographies sur toutes les cartes contenant des BGA, des QFN ou des boîtiers sans plomb dans le cadre de notre processus de qualité standard.

Pour les prototypes : Nous inspectons généralement 100% des BGA.
Pour la production de masse : Nous définissons un plan d'échantillonnage ou une stratégie en ligne basée sur les exigences du client.

Q: Les rayons X peuvent-ils voir à l'intérieur d'un PCB multicouche ? R: Oui. Il peut inspecter l'enregistrement des couches internes, l'alignement des perçages et les vias aveugles/enterrés.

Cela est souvent effectué pendant la fabrication du PCB, séparément de l'inspection de l'assemblage PCBA.

Pages et outils connexes

Services d'inspection par rayons X – Description détaillée de nos capacités en matière de rayons X, des spécifications des machines et de la plage de détection des défauts.
Assemblage BGA et pas fin – Pourquoi les composants à pas fin nécessitent des profils thermiques et des stratégies d'inspection spécialisés.
Inspection AOI – Comprenez comment nous associons l'inspection optique aux rayons X pour une couverture complète.
Inspection du premier article (FAI) – Comment nous utilisons les données de rayons X pour valider la toute première carte sortie de la ligne avant la production complète.
Directives DFM – Conseils de conception pour garantir que le placement de vos composants permet une analyse précise aux rayons X (évitant l'ombrage).

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Obtenir un devis et une révision DFM – Envoyez-nous votre conception dès aujourd'hui ; nos ingénieurs examineront votre disposition BGA/QFN et proposeront un plan d'inspection personnalisé.

Pour obtenir le devis et le DFM les plus précis, veuillez inclure :

Fichiers Gerber : Format RS-274X.
BOM (Nomenclature) : Avec les numéros de pièce du fabricant.
Fichier Centroid/Pick & Place : Pour la programmation automatisée.
Dessins d'assemblage : Mettant en évidence les points d'inspection critiques.
Exigences de test : Spécifiez la classe IPC (2 ou 3) et toutes les limites de vide personnalisées.

Conclusion

Une inspection radiographique efficace ne se limite pas à posséder une machine ; il s'agit de définir les bons critères d'acceptation et de valider le processus qui produit les images. En spécifiant les limites de vide, en exigeant des vues obliques pour la validation BGA et en corrélant les données radiographiques avec des coupes transversales physiques, vous transformez un contrôle standard en un portail de qualité rigoureux. Que vous construisiez du matériel aérospatial de haute fiabilité ou des appareils IoT grand public, une stratégie d'inspection claire garantit que ce que vous ne pouvez pas voir ne nuira pas aux performances de votre produit sur le terrain.