Введение в рентгеновский контроль: Практическое сквозное руководство (от основ до производства)

Ключевые выводы

Определение: Рентгеновский контроль (AXI) — это неразрушающий метод испытаний, используемый для визуализации скрытых паяных соединений, таких как те, что находятся под BGA, QFN и CSP.
Критический показатель: Процент пустот является наиболее распространенным показателем качества; как правило, пустоты должны составлять менее 25% площади паяного соединения согласно стандартам IPC.
Разрешение имеет значение: Системы высокого разрешения (измеряемые в микронах) необходимы для обнаружения микротрещин и дефектов типа "голова в подушке".
Заблуждение: Рентгеновский контроль не заменяет оптический контроль; он дополняет основы AOI, охватывая области, недоступные для камер прямой видимости.
Совет по процессу: 3D-рентген (ламинаграфия) необходим для двухсторонних плат, чтобы избежать помех изображения от компонентов на противоположной стороне.
Проверка: Приемка основана на различиях в плотности оттенков серого, что указывает на толщину и форму припоя.
Стандарт: Всегда ссылайтесь на критерии паяных соединений IPC-A-610 Класса 2 или Класса 3 при установке пороговых значений прохождения/непрохождения.

Что на самом деле означает введение в рентгеновский контроль (область применения и границы)

Понимание основных механизмов технологии контроля является первым шагом перед анализом конкретных показателей. Введение в рентгеновский контроль должно начинаться с определения роли этой технологии в современном производстве электроники: это единственный неразрушающий способ проверки соединений, которые физически скрыты от глаз. В контексте сборки печатных плат (PCBA) рентгеновский контроль использует высокочастотные электромагнитные волны для проникновения в материал печатной платы. Припой, будучи плотным и содержащим тяжелые металлы, такие как олово, свинец или серебро, поглощает эти волны сильнее, чем стекловолоконная подложка или кремниевые чипы. Это поглощение создает теневое изображение (оттенки серого), где более темные области представляют более толстый или плотный материал.

Для таких производителей, как APTPCB (Завод печатных плат APTPCB), эта технология незаменима. По мере уменьшения компонентов и увеличения плотности традиционный визуальный контроль становится недостаточным. Рентгеновский контроль в основном используется для:

Скрытые соединения: Массивы шариковых выводов (BGA), безвыводные корпуса (QFN) и флип-чипы.
Заполнение сквозных отверстий: Проверка процента заполнения отверстий в разъемах.
Многослойное выравнивание: Проверка совмещения внутренних слоев во время изготовления голой платы.
Обнаружение подделок: Инспекция проволочного монтажа внутри корпусов ИС.

В то время как автоматический оптический контроль (AOI) обрабатывает видимые компоненты поверхностного монтажа, рентгеновский контроль занимается "невидимыми" рисками.

Метрики рентгеновского контроля, которые имеют значение (как оценивать качество)

После определения объема контроля инженеры должны количественно оценить качество, используя конкретные данные. В следующей таблице представлены критические метрики, используемые при введении в рентгеновский контроль и в повседневных операциях для обеспечения надежности платы.

Метрика	Почему это важно	Типичный диапазон или влияющие факторы	Как измерить
Процент пустот	Большие воздушные карманы ослабляют соединение и снижают теплопроводность.	< 25% (Класс 2/3). < 15% для мощных светодиодов.	Вычисленная площадь пустоты, деленная на общую площадь шарика.
Значение оттенков серого	Указывает толщину и плотность припоя. Несогласованные значения указывают на обрыв цепи или недостаток припоя.	От 0 (черный) до 255 (белый). Припой обычно выглядит темно-серым/черным.	Гистограммный анализ плотности пикселей на изображении.
Разрешение (микроны)	Определяет наименьший видимый дефект. Критично для микро-BGA.	От 0,5 мкм до 5 мкм. Меньшее значение лучше для мелкого шага.	Калибруется с использованием тестовой мишени или калибра.
Напряжение трубки (кВ)	Более высокое напряжение проникает через более толстые платы и экраны, но снижает контраст на светлых материалах.	От 80 кВ до 160 кВ в зависимости от толщины платы.	Устанавливается через программное обеспечение управления рентгеновской установкой.
Поле зрения (FOV)	Область, видимая за одно сканирование. Большее FOV быстрее, но снижает увеличение.	От 10 мм x 10 мм до 50 мм x 50 мм.	Физическое перемещение детектора или столика.
Частота ложных срабатываний	Высокие ложные срабатывания замедляют производство; низкие ложные срабатывания рискуют пропустить дефекты.	Цель < 500 ppm (частей на миллион).	Сравнение отметок машины с проверкой оператором.
Круглость шарика припоя	Искаженные формы указывают на проблемы с оплавлением или смещение контактных площадок.	Отклонение от идеального круга (1,0).	Алгоритмы программного обеспечения для геометрического анализа.

Как выбрать рентгеновскую инспекцию: руководство по выбору по сценариям (компромиссы)

После определения метрик следующая задача — выбор правильной стратегии инспекции для вашего конкретного типа продукта. В этом разделе рассматривается, "как выбрать" правильный подход к рентгеновской инспекции по сравнению с другими методами тестирования, исходя из производственных сценариев.

Сценарий 1: Стандартный SMT с пассивными компонентами

Рекомендация: Только AOI.
Компромисс: Рентген медленный и дорогой. Если все выводы видны (резисторы, конденсаторы, SOIC), AOI быстрее и достаточен.
Вердикт: Пропустите рентген, если только не устраняете конкретные дефекты пайки.

Сценарий 2: Сложная сборка BGA и QFN

Рекомендация: 2D Автоматическая рентгеновская инспекция (AXI).
Компромисс: Важно для качества. Вы не можете визуально осмотреть эти соединения. 2D быстрее, чем 3D, но имеет трудности, если компоненты находятся с обеих сторон платы.
Вердикт: Обязательно. Подробнее о наших возможностях в сборке BGA и QFN смотрите.

Сценарий 3: Двусторонние платы высокой плотности

Рекомендация: 3D рентген (ламинаграфия).
Компромисс: 2D рентген создает перекрывающиеся изображения верхних и нижних компонентов, что делает анализ невозможным. 3D нарезает изображение, чтобы сфокусироваться на одном слое. Это медленнее, но точнее.
Вердикт: Требуется для двусторонних плат с компонентами.

Сценарий 4: Высокая надежность (Автомобильная/Аэрокосмическая)

Рекомендация: 100% встроенный AXI.
Компромисс: Каждая плата сканируется автоматически. Это создает узкое место в линии, но гарантирует отсутствие пропусков критических дефектов.
Вердикт: Необходимо для критически важных с точки зрения безопасности приложений.

Сценарий 5: Прототип и NPI (Внедрение нового продукта)

Рекомендация: Ручной рентген (офлайн).
Компромисс: Оператор вручную перемещает плату для проверки определенных областей. Это гибко для отладки проблем процесса, но слишком медленно для больших объемов.
Вердикт: Лучше всего подходит для инженерного анализа и инспекции первого образца.

Сценарий 6: Изготовление голой печатной платы

Рекомендация: Рентгеновская верификация цели сверления.
Компромисс: Используется для проверки выравнивания внутренних слоев перед сверлением. Не для качества пайки, а для структурной целостности.
Вердикт: Стандартный процесс в многослойном производстве печатных плат.

Контрольные точки внедрения рентгеновского контроля (от проектирования до производства)

Выбор правильного метода эффективен только в том случае, если процесс внедрения строго контролируется. Успешное внедрение рентгеновского контроля требует контрольных точек на каждом этапе, от первоначальной компоновки до окончательной печи оплавления.

1. Фаза проектирования: Геометрия контактной площадки

Рекомендация: Убедитесь, что контактные площадки BGA являются "Non-Solder Mask Defined" (NSMD) там, где это возможно, для лучшего рентгеновского контраста.
Риск: Плохое определение контактной площадки делает автоматическое измерение диаметра шарика неточным.
Принятие: Проверка DFM пройдена. 2. Фаза проектирования: Размещение компонентов
Рекомендация: Избегайте размещения тяжелых компонентов (трансформаторов) непосредственно напротив BGA с малым шагом на двухсторонних платах.
Риск: Эффекты затенения на рентгеновских снимках.
Приемка: Проверка 3D-модели.

3. Фаза материалов: Выбор паяльной пасты

Рекомендация: Используйте постоянный размер частиц (Тип 4 или 5) для компонентов с малым шагом.
Риск: Непостоянный объем пасты приводит к образованию пустот, видимых на рентгеновских снимках.
Приемка: Корреляция данных инспекции пасты (SPI).

4. Фаза настройки: Калибровка машины

Рекомендация: Ежедневно калибруйте точность оттенков серого и геометрическую точность.
Риск: Дрейф измерений приводит к ложным срабатываниям.
Приемка: Проверка калибровочной мишени.

5. Фаза процесса: Профиль оплавления

Рекомендация: Оптимизируйте зоны выдержки для минимизации образования пустот.
Риск: Быстрое выделение газов создает пустоты > 25%.
Приемка: Пробный рентгеновский снимок показывает пустоты в пределах спецификации.

6. Фаза инспекции: Настройка порогов

Рекомендация: Настройте чувствительность для баланса ложных срабатываний и пропусков.
Риск: Слишком чувствительно = остановки линии; Слишком слабо = дефекты отправляются.
Приемка: Исследование Gage R&R.

7. Фаза валидации: Хранение изображений

Рекомендация: Архивируйте рентгеновские снимки для критически важных компонентов по серийному номеру.
Риск: Отсутствие отслеживаемости в случае отказов в эксплуатации.
Приемка: Проверка журнала базы данных.

8. Фаза обслуживания: Срок службы трубки

Рекомендация: Контролировать часы работы рентгеновской трубки.
Риск: Деградация нити накала снижает резкость изображения.
Приемлемость: Соблюдение графика профилактического обслуживания.

Для более глубокого изучения того, как мы справляемся с этими шагами, ознакомьтесь с нашими возможностями рентгеновского контроля.

Распространенные ошибки при внедрении рентгеновского контроля (и правильный подход)

Даже при наличии надежных контрольных точек производители часто попадают в определенные ловушки во время выполнения. В этом разделе освещаются распространенные ошибки при проведении введения в рентгеновский контроль и то, как APTPCB их избегает.

Полагаться исключительно на 2D для двухсторонних плат
- Ошибка: Попытка проверить BGA на верхней стороне, когда QFN находится непосредственно под ним на нижней стороне. Изображения сливаются, что делает расчет пустот невозможным.
- Коррекция: Используйте 3D-ламинаграфию или смещенное размещение компонентов при проектировании.
Игнорирование дефектов типа "Head-in-Pillow" (HiP)
- Ошибка: Сосредоточение внимания только на коротких замыканиях и перемычках. Дефекты HiP (когда шарик лежит на контактной площадке, но не сливается) часто выглядят как хорошие круги на 2D-рентгеновском снимке.
- Коррекция: Используйте угловые виды (косая рентгенография) или 3D-контроль для определения формы интерфейса.
Неправильная интерпретация критериев пустот
- Ошибка: Отклонение любой платы с пустотой. Небольшие пустоты являются нормой и часто приемлемы.

Коррекция: Следуйте стандартам IPC-A-610. Отклоняйте только в том случае, если совокупная площадь пустот превышает предел (обычно 25%) или если пустоты расположены на границе раздела (плоские микропустоты).

Игнорирование тепловых площадок на QFN
- Ошибка: Проверка выводов, но игнорирование большой центральной заземляющей площадки.
- Коррекция: Центральная площадка критически важна для теплоотвода. Убедитесь, что образование пустот здесь составляет < 50% (или согласно конкретным спецификациям заказчика).
Высокая мощность при низкой плотности
- Ошибка: Использование высоких настроек кВ для тонких, гибких плат. Луч проходит слишком легко, что приводит к размытому изображению с низким контрастом.
- Коррекция: Понизьте напряжение, чтобы увеличить контраст для более легких материалов.
Пренебрежение галтелями в THT
- Ошибка: Использование рентгена только для SMT.
- Коррекция: Рентген — лучший способ проверить заполнение отверстия (75% или 100%) для разъемов технологии сквозного монтажа (THT), которые скрыты корпусом разъема.

Часто задаваемые вопросы по введению в рентгеновский контроль (стоимость, сроки выполнения, материалы, тестирование, критерии приемки)

В завершение практического применения, вот ответы на наиболее частые вопросы, касающиеся логистики и стандартов введения в рентгеновский контроль.

1. Как введение рентгеновского контроля влияет на стоимость сборки? Рентгеновский контроль добавляет дополнительную стоимость по сравнению со стандартным AOI, поскольку оборудование дороже, а процесс медленнее. Однако для плат BGA/QFN стоимость непроведения контроля (переработка, отказ в полевых условиях) значительно выше. В APTPCB мы оптимизируем это, используя планы выборочного контроля для стабильных партий и 100% контроль для NPI.

2. Увеличивает ли внедрение рентгеновского контроля время выполнения заказа? Встроенный AXI может стать узким местом, если он не сбалансирован правильно. Автономный пакетный контроль добавляет минимальное время (обычно менее 1 дня) к общему времени выполнения. Для быстро изготавливаемых прототипов мы отдаем приоритет рентгеновскому контролю для обеспечения немедленной обратной связи.

3. Какие материалы мешают результатам рентгеновского контроля? Тяжелые металлы (экраны ВЧ, толстые медные радиаторы, большие индукторы) блокируют рентгеновские лучи, создавая «тени». Если BGA расположен под металлическим экраном, рентген не может эффективно просветить его. Спроектируйте экран съемным или устанавливайте его после контроля.

4. Как покрытие тестирования рентгеновским контролем соотносится с ICT? Рентгеновский контроль проверяет структурную целостность (форму пайки, пустоты), в то время как внутрисхемный тест (ICT) проверяет электрическую функцию. Они дополняют друг друга. Рентген может обнаружить предельно допустимое соединение, которое проходит ICT по электрическим параметрам, но позже выйдет из строя механически из-за вибрации.

5. Каковы стандартные критерии приемки для рентгеновского контроля? Мы строго следуем стандарту IPC-A-610 (Приемлемость электронных сборок). Для Класса 2 пустоты должны составлять менее 25% площади шарика. Для Класса 3 (Высокая надежность) критерии могут быть более строгими в зависимости от конкретного типа дефекта.

6. Могут ли рентгеновские лучи повредить чувствительные компоненты? В целом, нет. Доза излучения, используемая для контроля печатных плат, очень низка и безопасна для стандартного кремния и памяти. Однако некоторые специализированные датчики или непрограммируемая флэш-память могут иметь пределы воздействия, о которых следует сообщить на этапе коммерческого предложения.

7. В чем разница между 2.5D и 3D рентгеном? 2.5D позволяет детектору наклоняться, давая операторам возможность заглянуть "под" компонент под углом. 3D создает объемную модель слой за слоем. 2.5D часто достаточно для отладки; 3D лучше всего подходит для автоматизированного контроля годности/брака на сложных платах.

8. Почему я вижу "серые" паяные соединения на рентгеновском снимке? Припой поглощает рентгеновские лучи, поэтому он должен выглядеть темным. Если он выглядит светло-серым, это может указывать на недостаточный объем припоя, "холодное" паяное соединение или дефект "Head-in-Pillow", при котором шарик не полностью смочился пастой.

Стандарты качества печатных плат: Поймите более широкий контекст контроля качества, выходящий за рамки только рентгеновского контроля.
Стандарты IPC: Официальный источник критериев приемки (IPC-A-610).
Просмотрщик Gerber: Используйте наши инструменты для проверки вашего макета на предмет размещения BGA перед производством.

Введение в рентгеновский контроль: глоссарий (ключевые термины)

Термин	Определение
AXI	Автоматический рентгеновский контроль. Машина, которая автоматически сканирует и оценивает паяные соединения на основе алгоритмов.
BGA	Массив шариковых выводов (Ball Grid Array). Корпус компонента, где соединения находятся под чипом, требующий рентгеновского контроля.
Пустоты	Воздух или флюсовый газ, запертый внутри паяного соединения. Измеряется в процентах от общей площади соединения.
Перемычка	Дефект, при котором припой соединяет две соседние контактные площадки, которые должны быть электрически изолированы (короткое замыкание).
Head-in-Pillow (HiP)	Дефект, при котором шарик BGA лежит на паяльной пасте, но не сливается в единое соединение.
Ламинография	Трехмерная рентгеновская техника, которая создает поперечные срезы платы для изоляции определенных слоев.
Оттенки серого	Диапазон оттенков от черного до белого на рентгеновском изображении, представляющий плотность материала.
Поле зрения (FOV)	Физическая область печатной платы, которую может видеть рентгеновский детектор за один снимок.
Микрон (мкм)	Единица измерения разрешения. 1 мкм = 0,001 мм. Критически важен для обнаружения микротрещин.
кВ (Киловольт)	Единица энергии для рентгеновской трубки. Более высокое кВ проникает в более плотные материалы.
IPC-A-610	Промышленный стандарт спецификации для приемлемости электронных сборок.
Шарик припоя	Сферическое паяное соединение на корпусе BGA.

Заключение: введение в рентгеновский контроль – следующие шаги

Освоение введения в рентгеновский контроль — это больше, чем просто просмотр черно-белых изображений; это обеспечение долгосрочной надежности ваших электронных изделий. От определения правильных метрик, таких как процент пустот, до выбора между 2D и 3D контролем в зависимости от сложности вашей платы, рентген является главным хранителем скрытого качества.

В APTPCB мы интегрируем передовой рентгеновский контроль в наш стандартный рабочий процесс для всех сборок BGA и бессвинцовых компонентов. Чтобы ваш следующий проект прошел валидацию без проблем, пожалуйста, предоставьте следующее при запросе коммерческого предложения:

Файлы Gerber: Для анализа плотности и размещения компонентов.
Детали стека: Для определения общей толщины платы и требуемой мощности рентгеновского излучения.
Требования к испытаниям: Укажите, нужен ли вам контроль класса 2 или класса 3, или у вас есть пользовательские пределы пустот.
Критические компоненты: Выделите любые специфические BGA или QFN, требующие 100% рентгеновской валидации.

Готовы проверить свой дизайн? Свяжитесь с нами сегодня для всестороннего обзора DFM.