Ispezione a raggi X: Un manuale pratico per l'acquirente (Specifiche, Rischi, Lista di controllo)

Ispezione a raggi X: cosa copre questa guida (e a chi è rivolta)

Questa guida è pensata per Ingegneri della Qualità, Responsabili NPI e Responsabili degli Acquisti che sono incaricati di convalidare assiemi PCB complessi (PCBA). Se il vostro progetto include Ball Grid Arrays (BGA), Quad Flat No-leads (QFN) o connettori ad alta densità dove i giunti di saldatura sono nascosti alla vista, affidarsi esclusivamente ai controlli visivi è un rischio. Questa guida si concentra sull'ispezione a raggi X come guardiano critico per l'affidabilità, andando oltre le metriche di base "pass/fail" per arrivare a specifiche attuabili e alla mitigazione del rischio.

Presso APTPCB (Fabbrica PCB APTPCB), spesso vediamo strategie di ispezione fallire non per mancanza di tecnologia, ma perché i requisiti erano ambigui. Questa guida vi aiuta a definire esattamente ciò di cui avete bisogno dal vostro partner di produzione—dai limiti di percentuale di vuoto ai requisiti di risoluzione dell'immagine—assicurando che i vostri componenti "scatola nera" siano saldati correttamente prima che lascino lo stabilimento di produzione.

Troverete un approccio strutturato alla definizione dei criteri di ispezione, un'analisi dei rischi nascosti che i raggi X 2D standard potrebbero non rilevare, e un piano di convalida per correlare i dati dei raggi X con la realtà fisica. Forniamo anche una lista di controllo pronta per l'acquirente da includere nei vostri pacchetti di Richiesta di Offerta (RdO), assicurando che i vostri fornitori siano in grado di soddisfare il livello di controllo che il vostro prodotto richiede.

Quando l'ispezione a raggi X è l'approccio giusto (e quando non lo è)

L'ispezione a raggi X non è un sostituto universale dei metodi ottici; è uno strumento specializzato per geometrie specifiche. Comprendere dove si inserisce nell'ecosistema del controllo qualità previene spese eccessive per test non necessari, garantendo al contempo una copertura critica.

Utilizzare l'ispezione a raggi X quando:

Giunti di saldatura nascosti: Componenti come BGA, CSP (Chip Scale Packages), LGA e QFN hanno pad sotto il corpo del package. La linea di vista ottica è bloccata.
Riempimento del barilotto multistrato: È necessario verificare la penetrazione della saldatura passante (riempimento del barilotto) in PCB spessi e multistrato, dove l'ispezione visiva dal lato inferiore non è conclusiva a causa di dissipatori di calore o schermature.
Verifica del wire bonding: Nel Chip-on-Board (COB) o nell'imballaggio IC complesso, il controllo dello sweep del filo o dei fili di bonding rotti richiede la penetrazione dei raggi X.
Analisi dei vuoti: È necessario quantificare la percentuale di vuoti di gas all'interno di un grande pad termico (ad esempio, sotto un FET di potenza o un QFN) per garantire che la conduttività termica soddisfi le specifiche IPC.

Non fare affidamento esclusivamente sui raggi X quando:

Difetti superficiali: Per controllare la polarità dei componenti, le marcature del testo o i ponti di saldatura sui conduttori visibili, l'ispezione AOI (Automated Optical Inspection) è più veloce, più economica e a più alta risoluzione.
Volume della pasta saldante: Per prevenire difetti prima della rifusione, l'ispezione SPI (Solder Paste Inspection) è superiore. I raggi X sono un rilevatore post-rifusione; l'SPI è un preventivo pre-rifusione.
Funzione Elettrica: I raggi X confermano l'integrità strutturale, non la connettività elettrica. Un giunto può apparire buono ai raggi X (head-in-pillow) ma fallire elettricamente. Deve essere abbinato a ICT o Test Funzionale.

Requisiti da definire prima di richiedere un preventivo

Per ottenere un preventivo affidabile e un prodotto affidabile, è necessario andare oltre la semplice richiesta di "test a raggi X" e specificare i parametri. L'ambiguità in questo contesto porta i fornitori a utilizzare impostazioni a bassa risoluzione per risparmiare tempo.

Limite di Percentuale di Vuoto (Classe IPC): Dichiarare esplicitamente la percentuale massima di vuoto consentita. Per IPC-A-610 Classe 2, questa è tipicamente <25% dell'area. Per Classe 3 o applicazioni di potenza ad alta affidabilità, potrebbe essere richiesto <15% o <10%.
Diametro del Vuoto Più Grande: Oltre alla percentuale totale, specificare se sono proibiti singoli vuoti grandi (es. "Nessun singolo vuoto >50% del diametro del pad") per prevenire la concentrazione di stress.
Diametro della Sfera BGA e Altezza di Collasso: Definire il diametro target e l'altezza di collasso per le sfere BGA. Questo aiuta a rilevare difetti "a pupazzo di neve" dove la sfera non si è rifusa correttamente.
Risoluzione dell'Immagine (Micron): Specificare la risoluzione richiesta in base alla caratteristica più piccola. Per BGA standard, 5-10 micron sono sufficienti. Per micro-BGA o flip-chip, potrebbe essere necessaria una capacità <1 micron.
Capacità di Angolo di Inclinazione/Obliquo: Richiedere la capacità di visualizzazione obliqua (es. 45-70 gradi). I raggi X diretti (2D) spesso non rilevano i difetti Head-in-Pillow.
Frequenza di campionamento (AQL vs. 100%): Definire se è necessaria un'ispezione al 100% (ogni scheda, ogni BGA) o un campione statistico (es. AQL 0.65). L'ispezione al 100% aumenta significativamente i tempi di ciclo e i costi.
Politica di conservazione delle immagini: Stabilire per quanto tempo le immagini a raggi X devono essere conservate. Per il settore automobilistico o aerospaziale, potrebbe essere necessario conservare le immagini per 5-10 anni per la tracciabilità.
Tasso di falsi allarmi (Falso difetto): Stabilire le aspettative per i falsi allarmi se si utilizza la radiografia automatizzata (AXI). Un alto numero di falsi allarmi blocca la linea; si desidera un processo ottimizzato per meno di 500 ppm di falsi allarmi.
Specifiche dei componenti: Elencare esattamente quali designatori di riferimento (es. U1, U12) richiedono la radiografia. Non lasciare all'operatore il compito di indovinare quali parti sono critiche.
Sensibilità alle radiazioni: Se la scheda contiene memoria flash o sensori sensibili, specificare i limiti massimi di esposizione alle radiazioni per prevenire la corruzione dei dati o il danneggiamento dei sensori.
Formato del rapporto: Definire il formato di output. È necessario un riepilogo PDF o immagini DICOM/TIFF grezze per la propria analisi?
Verifica della rilavorazione: Dichiarare esplicitamente che qualsiasi BGA rilavorato deve essere sottoposto a ispezione a raggi X al 100% per verificare la riparazione.

I rischi nascosti che compromettono la scalabilità

Il passaggio da un prototipo alla produzione di massa introduce variabili che possono rendere inefficace la convalida iniziale ai raggi X. Questi rischi spesso si nascondono nelle variazioni di processo.

Difetti Head-in-Pillow (HiP):
Rischio: La sfera BGA si deforma nella pasta ma non si lega metallurgicamente (come una testa su un cuscino).
Perché: Deformazione durante il reflow o attività insufficiente del flussante.
Rilevamento: Invisibile in raggi X 2D dall'alto. Richiede viste oblique/angolate o laminografia 3D.
Prevenzione: Usare flussante ad alta attività, controllare la deformazione e imporre l'ispezione angolata.
Vuoti a Champagne:
- Rischio: Piccoli vuoti raggruppati all'interfaccia tra la sfera e il pad, creando un punto di frattura debole.
- Perché: Degassamento dalla chimica di placcatura via-in-pad.
- Rilevamento: Molto difficile da vedere a causa delle piccole dimensioni; richiede raggi X ad alto ingrandimento.
- Prevenzione: Rigoroso controllo della fabbricazione del PCB (qualità della placcatura) e cottura delle schede prima dell'assemblaggio.
Ombreggiatura da Assemblaggio a Doppia Faccia:
- Rischio: I componenti sul lato inferiore bloccano la vista a raggi X dei componenti sul lato superiore.
- Perché: Layout ad alta densità posizionano grandi condensatori o induttori direttamente sotto i BGA.
- Rilevamento: Le immagini appaiono disordinate e illeggibili.
- Prevenzione: Revisione del Design for Test (DFT) per sfalsare i componenti critici o utilizzare raggi X 3D (Laminografia) che tagliano attraverso gli strati.
Riempimento Insufficiente del Barilotto (THT):
- Rischio: I pin through-hole sembrano saldati dall'alto e dal basso, ma il centro è vuoto.
- Perché: Calore insufficiente o altezza d'onda durante la saldatura.
- Rilevamento: I raggi X mostrano una forma a "clessidra" nella colonna di saldatura.
Prevenzione: Ottimizzare il profilo dell'onda e utilizzare i raggi X per impostare con precisione le regolazioni di preriscaldamento.
Falsa fiducia nel "Superato":
- Rischio: L'operatore approva una scheda marginale perché l'immagine è sfocata o le impostazioni sono imprecise.
- Motivo: Mancanza di confronto con un "Campione d'oro" o affaticamento dell'operatore.
- Rilevamento: Verificare la verifica. Re-ispezionare un campione di schede "approvate".
- Prevenzione: Implementare l'Ispezione Automatica a Raggi X (AXI) per eliminare la soggettività dell'operatore.
Danno da radiazioni alla memoria:
- Rischio: Cancellazione o corruzione del firmware pre-programmato in MCU o Flash.
- Motivo: I fotoni ad alta energia possono alterare i bit nei transistor a gate flottante.
- Rilevamento: Il test funzionale fallisce dopo i raggi X.
- Prevenzione: Schermare le parti sensibili o limitare il tempo di esposizione/le impostazioni kV.
Colli di bottiglia nella produttività:
- Rischio: I raggi X diventano il passaggio più lento, riducendo la produzione della linea.
- Motivo: Requisito di ispezione al 100% su una macchina lenta.
- Rilevamento: Il WIP (Work in Progress) si accumula alla stazione dei raggi X.
- Prevenzione: Passare al campionamento (AQL) dopo aver dimostrato la stabilità del processo, o investire in AXI in linea più veloci.
Disaccordi sull'interpretazione:
- Rischio: Il fornitore dice "Superato", tu dici "Fallito".
- Motivo: Interpretazione soggettiva delle immagini in scala di grigi.
- Rilevamento: Discussioni sui lotti rifiutati.
- Prevenzione: Stabilire una "Libreria dei difetti" con immagini concordate dei limiti Pass/Fail prima dell'inizio della produzione.

Piano di convalida (cosa testare, quando e cosa significa "superato")

Piano di convalida (cosa testare, quando e cosa significa

Un solido piano di convalida ti porta dal "sperare che sia buono" al "dimostrare che è buono". Questo piano correla i dati a raggi X con la realtà fisica.

Creazione del Campione d'Oro:
- Obiettivo: Stabilire una base di riferimento per una saldatura perfetta.
- Metodo: Assemblare 5 schede, verificarle con i raggi X e confermare il 100% di funzionalità.
- Accettazione: Le immagini sono chiare, nitide e salvate come standard di riferimento.
Inseminazione di Difetti (Il "Coniglio Rosso"):
- Obiettivo: Dimostrare che la macchina a raggi X può effettivamente rilevare i difetti.
- Metodo: Creare intenzionalmente difetti (sfera mancante, pad in corto, pasta insufficiente) su una scheda di prova.
- Accettazione: L'operatore o la macchina a raggi X deve identificare correttamente il 100% dei difetti inseriti.
Correlazione a Sezione Trasversale (Distruttiva):
- Obiettivo: Verificare le misurazioni a raggi X rispetto alla realtà fisica.
- Metodo: Prendere una scheda che ha superato l'esame a raggi X, tagliare e lucidare l'interfaccia BGA (microsezione).
- Accettazione: La percentuale di vuoti fisici e lo strato di IMC (Composto Intermetallico) corrispondono all'interpretazione a raggi X.
Test di Tintura e Sollevamento (Distruttivo):
- Obiettivo: Rilevare giunti "Head-in-Pillow" o aperti che i raggi X potrebbero non rilevare.
- Metodo: Iniettare colorante rosso sotto il BGA, polimerizzare e sollevare il componente.
- Accettazione: Nessun colorante dovrebbe essere presente sull'interfaccia della saldatura (il colorante indica una fessura/crepa).
Gauge R&R (Ripetibilità):
- Obiettivo: Assicurare che il sistema di misurazione sia coerente.
- Metodo: L'operatore deve misurare la stessa percentuale di vuoto sulla stessa scheda 10 volte.
- Accettazione: La variazione dovrebbe essere inferiore al 10%.
Rapporto di Ispezione del Primo Articolo (FAI):
- Obiettivo: Approvazione formale della prima serie di produzione.
- Metodo: Radiografia al 100% delle prime 5-10 schede con rapporti dettagliati di analisi dei vuoti.
- Accettazione: Tutti i componenti critici soddisfano le specifiche IPC Classe 2/3; il rapporto è firmato dal vostro ingegnere.
Taratura AXI in linea (se applicabile):
- Obiettivo: Ottimizzare velocità e falsi allarmi.
- Metodo: Far passare 50 schede note come buone attraverso la macchina.
- Accettazione: Tasso di falsi allarmi < 500 ppm; il tempo di ciclo corrisponde al ritmo della linea.
Controllo Interferenza Dissipatore di Calore:
- Obiettivo: Assicurare che l'assemblaggio finale non ostacoli l'ispezione.
- Metodo: Radiografare la scheda dopo che i dissipatori di calore o gli schermi sono stati attaccati.
- Accettazione: I giunti critici sono ancora visibili, oppure l'ispezione viene spostata a una fase di processo precedente.
Test di Conservazione dei Dati:
- Obiettivo: Verificare la tracciabilità.
- Metodo: Richiedere immagini radiografiche per un numero di serie specifico della settimana precedente.
- Accettazione: Il fornitore recupera le immagini corrette entro 4 ore.
Audit di Sicurezza dalle Radiazioni:
- Obiettivo: Garantire la sicurezza dei componenti.

Metodo: Verificare le impostazioni della macchina (kV, mA, tempo) rispetto alle schede tecniche dei componenti.
Accettazione: Le impostazioni sono al di sotto delle soglie di danno per gli IC sensibili.

Lista di controllo del fornitore (RFQ + domande di audit)

Utilizzare questa lista di controllo per valutare APTPCB o qualsiasi altro partner di produzione. Essa distingue i fornitori capaci da quelli che "hanno solo una macchina".

Gruppo 1: Input RFQ (Cosa si invia)

Elenco Componenti Critici: Elenco definito di Ref Des (U1, U2, ecc.) che richiedono ispezione.
Standard di Accettazione: Specificato IPC-A-610 Classe 2 o Classe 3.
Criteri di Vuoto: Limite percentuale specifico (es. Max 25% totale, Max 10% singolo vuoto).
Requisito di Reportistica: Riepilogo PDF vs. consegna completa dell'immagine grezza.
Strategia di Volume: Ispezione al 100% vs. piano di campionamento AQL.
File CAD/Gerber: Forniti per aiutare a programmare le macchine automatizzate.
Dettagli Stackup: Peso del rame e numero di strati (influisce sulla potenza di penetrazione dei raggi X necessaria).
Panelizzazione: Array di pannelli definito (influisce sul movimento e sulla velocità della macchina).

Gruppo 2: Prova di Capacità (Cosa devono mostrare)

Tipo di Macchina: 2D (Trasmissione) vs. 2.5D (Obliquo) vs. 3D (CT/Laminografia).
Risoluzione: Dimensione minima di riconoscimento delle caratteristiche (es. < 2 micron).
Tensione del Tubo: kV sufficiente (es. 130kV+) per penetrare la scheda più spessa.
Tipo di Rivelatore: Rivelatore a pannello piatto (digitale) preferito rispetto all'intensificatore di immagine (analogico).
Visione Obliqua: La macchina può inclinarsi di oltre 45 gradi per vedere la forma delle sfere BGA?
Analisi Automatica: Capacità del software di calcolare automaticamente la percentuale di vuoti (elimina l'errore umano).
Dimensione Massima della Scheda: La macchina si adatta alle dimensioni del vostro pannello?
Libreria dei Difetti: Esempi di difetti che hanno rilevato con successo di recente.

Gruppo 3: Sistema di Qualità e Tracciabilità

Serializzazione: I dati radiografici sono collegati al numero di serie del PCB?
Archiviazione delle Immagini: Le immagini sono archiviate su un'unità locale o su un server centrale? Frequenza del backup?
Certificazione Operatore: Gli ispettori sono formati secondo gli standard IPC-A-610?
Calibrazione: La macchina viene calibrata annualmente? (Chiedere l'adesivo/certificato).
Materiale Non Conforme: Processo per segregare le schede che non superano il controllo a raggi X (contenitore rosso/nastro trasportatore bloccato).
Ciclo di Rilavorazione: Il sistema impone una nuova ispezione dopo la rilavorazione?

Gruppo 4: Controllo delle Modifiche e Consegna

Notifica di Modifica del Processo (PCN): Vi avviseranno se cambiano le macchine a raggi X?
Pianificazione della Capacità: Hanno sufficiente capacità di raggi X per il vostro volume di picco?
Gestione dei Colli di Bottiglia: Piano per il caso in cui la macchina a raggi X si guasti (macchina di backup?).
Produttività: Tempo di ispezione stimato per scheda rispetto alla cadenza della linea di produzione.
Tempo di Consegna dei Rapporti: Quanto velocemente sono disponibili i rapporti dopo la produzione?
Percorso di Escalation: Chi decide sulle immagini "al limite"?

Guida alle decisioni (compromessi che puoi effettivamente scegliere)

L'ingegneria è fatta di compromessi. Ecco come orientarsi nelle decisioni relative all'ispezione a raggi X.

Ispezione 2D vs. 3D (CT):
- Se dai priorità a Costo e Velocità: Scegli raggi X 2D. È veloce e rileva difetti grossolani come ponticelli e grandi vuoti.
- Se dai priorità ad Affidabilità e Geometrie Complesse: Scegli 3D/CT. È più lento e costoso ma essenziale per il rilevamento di HiP, schede a doppia faccia e PoP (Package on Package).
Campionamento (AQL) vs. Ispezione al 100%:
- Se dai priorità alla Produttività: Scegli il Campionamento AQL (es. ispezionare il 10% del lotto). Usalo solo dopo che il processo è stabile (Cpk > 1.33).
- Se dai priorità a Zero Difetti Sfuggiti: Scegli l'Ispezione al 100%. Obbligatoria per i settori automobilistico, medico e aerospaziale, ma aggiunge costi.
Ispezione Offline vs. Inline:
- Se dai priorità a Flessibilità/NPI: Scegli i raggi X Offline (a isola). Ottimo per il debug e bassi volumi.
- Se dai priorità alla Coerenza della Produzione di Massa: Scegli AXI Inline. Si trova nella linea di trasporto, ispeziona automaticamente e non dipende da un operatore che sposta manualmente le schede.
Analisi Manuale vs. Automatizzata:
- Se dai priorità a Bassi Costi di Setup: Scegli l'Analisi Manuale. L'operatore guarda lo schermo. Buono per i prototipi.
- Se dai priorità all'Integrità dei Dati: Scegli l'Analisi Automatizzata. Il software conta i vuoti. Rimuove l'"opinione" dalla decisione sulla qualità.
Validazione Distruttiva vs. Non Distruttiva:
- Se si dà priorità alla conservazione della scheda: Attenersi alla radiografia.
- Se si dà priorità all'analisi delle cause profonde: È necessario sacrificare una scheda per la sezionatura trasversale o il Dye and Pry per dimostrare che la radiografia dice la verità.

FAQ

D: L'ispezione a raggi X può danneggiare i miei componenti? R: Generalmente no. Tuttavia, alcuni tipi di memoria (EPROM, Flash) e sensori analogici sensibili possono essere danneggiati da un'esposizione prolungata.

Controllare i datasheet dei componenti per i limiti di radiazione.
Limitare il tempo di esposizione e utilizzare l'impostazione kV efficace più bassa.

D: Qual è la differenza tra AOI e raggi X? R: L'ispezione AOI utilizza telecamere e luce per controllare le caratteristiche visibili (polarità, testo, raccordi di saldatura). L'ispezione a raggi X utilizza le radiazioni per vedere attraverso il package fino ai giunti nascosti.

AOI = Superficie / Visibile.
Raggi X = Interno / Nascosto.

D: Perché i raggi X non possono rilevare tutti i difetti "Head-in-Pillow"? R: In una vista dall'alto (2D), la sfera si sovrappone perfettamente al pad, mascherando la mancanza di fusione.

Sono necessarie viste oblique (angolate) o la laminografia 3D per vedere lo strato di separazione.
Il Dye and Pry è l'arbitro finale per i problemi HiP.

D: Quanto incide l'ispezione a raggi X sul costo? R: Dipende dalla strategia.

Il campionamento (AQL) aggiunge un costo trascurabile.
L'ispezione manuale al 100% può aggiungere costi significativi di manodopera e tempo.
L'AXI in linea ha un costo iniziale elevato della macchina ma un basso costo di manodopera per unità. D: I raggi X possono controllare i componenti contraffatti? R: Sì, è uno strumento primario per questo.
Rivela le dimensioni del die e il modello di wire bonding all'interno del chip.
Confrontare la radiografia di una parte ricevuta con una parte "Golden" del datasheet espone immediatamente i falsi.

D: Cos'è il "Voiding" ed è sempre negativo? R: Il voiding è gas intrappolato nel giunto di saldatura.

Piccoli vuoti sono normali e accettabili (IPC consente fino al 25%).
Un voiding eccessivo riduce il trasferimento termico e la resistenza meccanica.
La posizione è importante: i vuoti all'interfaccia (microvuoti planari) sono pericolosi; i vuoti al centro sono meno critici.

D: APTPCB esegue la radiografia su tutte le schede? R: Eseguiamo la radiografia su tutte le schede contenenti BGA, QFN o package senza piombo come parte del nostro processo di qualità standard.

Per i prototipi: tipicamente ispezioniamo il 100% dei BGA.
Per la produzione di massa: definiamo un piano di campionamento o una strategia in linea basata sulle esigenze del cliente.

D: I raggi X possono vedere all'interno di un PCB multistrato? R: Sì. Può ispezionare la registrazione degli strati interni, l'allineamento dei fori e i via ciechi/interrati.

Questo viene spesso fatto durante la fabbricazione del PCB, separatamente dall'ispezione dell'assemblaggio PCBA.

Pagine e strumenti correlati

Servizi di ispezione a raggi X – Dettagliata analisi delle nostre capacità a raggi X, specifiche della macchina e gamma di rilevamento dei difetti.
Assemblaggio BGA e Fine Pitch – Perché i componenti a passo fine richiedono profili termici e strategie di ispezione specializzati.
Ispezione AOI – Scopri come abbiniamo l'ispezione ottica ai raggi X per una copertura completa.
Ispezione del Primo Articolo (FAI) – Come utilizziamo i dati a raggi X per convalidare la primissima scheda prodotta prima della produzione completa.
Linee guida DFM – Consigli di progettazione per garantire che il posizionamento dei componenti consenta un'analisi accurata ai raggi X (evitando l'ombreggiatura).

Richiedi un preventivo

Richiedi un preventivo e una revisione DFM – Inviaci il tuo progetto oggi stesso; i nostri ingegneri esamineranno il tuo layout BGA/QFN e proporranno un piano di ispezione personalizzato.

Per ottenere il preventivo e il DFM più accurati, includi:

File Gerber: Formato RS-274X.
BOM (Bill of Materials): Con i numeri di parte del produttore.
File Centroid/Pick & Place: Per la programmazione automatizzata.
Disegni di assemblaggio: Evidenziando i punti di ispezione critici.
Requisiti di test: Specifica la classe IPC (2 o 3) e qualsiasi limite di vuoto personalizzato.

Conclusione

Un'efficace ispezione a raggi X non riguarda solo il possesso di una macchina; si tratta di definire i giusti criteri di accettazione e di convalidare il processo che produce le immagini. Specificando i limiti dei vuoti, richiedendo viste oblique per la convalida BGA e correlato i dati a raggi X con sezioni trasversali fisiche, si trasforma un controllo standard in un rigoroso punto di controllo qualità. Sia che si stia costruendo hardware aerospaziale ad alta affidabilità o dispositivi IoT di consumo, una chiara strategia di ispezione garantisce che ciò che non si può vedere non danneggerà le prestazioni del prodotto sul campo.