SMT干貨 | X射線檢測(cè)在SMT貼片組裝中的作用

用于電路板組裝（PCBA）中的X射線檢測(cè)技術(shù)通常被稱為自動(dòng)X射線檢測(cè)（AXI）技術(shù)，它是一種將X射線作為其來(lái)源的技術(shù)，用于檢測(cè)目標(biāo)物體或產(chǎn)品的隱藏特征。如今，X射線檢測(cè)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，同時(shí)，X射線檢測(cè)技術(shù)也廣泛應(yīng)用于印制電路板檢測(cè)，尤其是組裝電路板。X射線檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)已成為電路板組裝制造商進(jìn)行質(zhì)量控制的重要手段和方式之一。本文將從X射線檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)生背景、X射線檢測(cè)原理、X射線檢測(cè)設(shè)備分類以及X射線檢測(cè)項(xiàng)目等方面詳細(xì)討論X射線檢測(cè)技術(shù)在電路板組裝過(guò)程中的重要性。

一、X射線檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)生背景

近年來(lái)，隨著球柵陣列封裝（BGA），方形扁平無(wú)引腳封裝（QFN），倒裝芯片（flip chip）和芯片級(jí)封裝（CSP）等面陣列封裝廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信等各個(gè)領(lǐng)域，使得焊點(diǎn)隱藏在封裝下面，從而，傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備在印制電路板檢測(cè)中發(fā)揮的作用受到了極大的挑戰(zhàn)甚至限制。另外，由于表面貼裝技術(shù)（SMT）的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，電子元器件封裝和引線都變得更小，印制電路板具有更高的密度，包含更多的隱藏焊點(diǎn)和埋孔或盲孔，包括光學(xué)、超聲波和熱成像在內(nèi)的傳統(tǒng)檢測(cè)方法已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)代電子檢測(cè)要求。此外，隨著半導(dǎo)體元件封裝的小型化，元件的小型化趨勢(shì)也不容忽視。與其他檢測(cè)方法相比，X射線能夠滲入內(nèi)部封裝并檢測(cè)焊點(diǎn)質(zhì)量，這就是X射線檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)生的背景。

二、X射線檢測(cè)技術(shù)原理

X射線具有顯著的特點(diǎn)，即材料吸收與其原子重量成比例的X射線量，并且所有材料根據(jù)其密度、原子序數(shù)和厚度不同，吸收不同量的X射線。一般來(lái)說(shuō)，由較重元素制成的材料吸收更多的X射線并且容易成像，而由較輕元素制成的材料對(duì)于X射線更加透明。下圖即為X射線檢測(cè)樣圖。

 

由上圖可知，深黑色圖像是指由重元素組成的材料，而透明或相對(duì)白色的圖像是指由輕元素組成的材料。因此，X射線檢測(cè)擅長(zhǎng)檢查隱藏的缺陷，包括開(kāi)路、短路、錯(cuò)位、電氣元件缺失等。

X射線檢測(cè)設(shè)備由以下三個(gè)元素組成：

a. X射線管

   X射線管能夠產(chǎn)生X射線。

b. 示例操作平臺(tái)

    示例操作平臺(tái)能夠與樣品一起移動(dòng)，以便從不同的角度和放大倍數(shù)調(diào)節(jié)樣品，而且斜角檢查也可完成。

c. 探測(cè)器

    探測(cè)器能夠通過(guò)樣本捕捉X射線并將其轉(zhuǎn)換為用戶可以理解的圖像。

X射線檢測(cè)設(shè)備的工作原理都是通過(guò)X射線投影顯微鏡。首先，X射線發(fā)射管發(fā)射X射線，并穿過(guò)被檢測(cè)的電路板。然后，不同的材料根據(jù)材料和原子序數(shù)的不同而吸收不同量的X射線。最后，投影會(huì)在探測(cè)器上產(chǎn)生，密度越高，陰影越深。陰影程度將很大程度上靠近X射線管，反之亦然。

因此，理想的X射線檢測(cè)系統(tǒng)必須能夠產(chǎn)生清晰的X射線圖像，以提供缺陷分析過(guò)程中的信息。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，X射線檢測(cè)系統(tǒng)必須具有足夠的放大倍數(shù)來(lái)滿足當(dāng)前和未來(lái)的需求。此外，為了能夠分析球柵陣列封裝和芯片級(jí)封裝焊接質(zhì)量，X射線檢測(cè)系統(tǒng)必須能夠提供斜角檢測(cè)功能，以便更詳細(xì)地分析焊點(diǎn)在尺寸和厚度方面的信息。如果沒(méi)有這一功能，只能從電路板正上方對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行檢查，大量的檢測(cè)信息便會(huì)丟失或忽略。

三、X射線檢測(cè)設(shè)備分類

X射線檢測(cè)設(shè)備主要分為二維（2D）系統(tǒng)和三維（3D）系統(tǒng)兩大類。無(wú)論是二維還是三維系統(tǒng)，所有X射線檢測(cè)設(shè)備均可以脫機(jī)操作，除常規(guī)檢測(cè)外，設(shè)備還能夠進(jìn)行拼板檢測(cè)和抽樣檢測(cè)。離線設(shè)備便于在裝配線的任何階段對(duì)電路板進(jìn)行檢測(cè)，并且易于再次返回裝配線。有些X射線檢測(cè)設(shè)備是在線使用的，此時(shí)，大部分設(shè)備都放在回流焊接之后。選擇在線還是離線設(shè)備取決于應(yīng)用和檢查量。一般來(lái)說(shuō)，在線設(shè)備適用于數(shù)量多、復(fù)雜程度高、基于額外成本和安全要素類型更改較少的應(yīng)用。不過(guò)，在線X射線檢測(cè)設(shè)備基本上是組裝生產(chǎn)線上進(jìn)行最慢的流程，會(huì)降低制造線容量。因此，即使在高容量應(yīng)用中，結(jié)合成本考慮，離線檢測(cè)設(shè)備也可用于進(jìn)行拼板檢查。

二維X射線檢測(cè)系統(tǒng)能夠同時(shí)顯示電路板兩面所有組件的2D圖像，這與用于檢查骨折情況的醫(yī)療應(yīng)用相類似。三維X射線檢測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)重建一系列2D圖像從而生成截面圖像，這與醫(yī)療應(yīng)用CT一樣。除了橫斷面檢測(cè)之外，3D系統(tǒng)還有另一種功能，即層壓成像，通過(guò)組合橫截面積的圖像并從其他橫截面消除圖像以重建某個(gè)橫截面積的圖像來(lái)執(zhí)行檢查過(guò)程。2D系統(tǒng)可以在線或離線運(yùn)行，所以可以進(jìn)行X射線層析。但是，在線方法通常會(huì)花費(fèi)更多時(shí)間。具有CT功能的X射線檢測(cè)系統(tǒng)能夠脫機(jī)完成，因?yàn)樾枰S多2D圖像和復(fù)雜的算法，因此需要花費(fèi)幾分鐘的時(shí)間?？偨Y(jié)下來(lái)，CT型X射線檢查系統(tǒng)僅用于不太重要的專業(yè)研究分析應(yīng)用。其他2D和3D系統(tǒng)必須獲得最少時(shí)間和最佳圖像的特權(quán)，以降低檢測(cè)成本。

四、X射線管——X射線檢測(cè)設(shè)備的核心

作為X射線檢測(cè)設(shè)備的核心，X射線管的選擇對(duì)于最終檢測(cè)起到了至關(guān)重要的作用。目前，X射線管可以分為開(kāi)放管和封閉管兩類。在選擇X射線管類型時(shí)，必須考慮以下因素：

a. 分辨率和使用壽命

    X射線管類型與檢測(cè)設(shè)備的分辨率和使用壽命相關(guān)，分辨率越高，用戶就會(huì)看到更復(fù)雜細(xì)膩的細(xì)節(jié)。如果目標(biāo)檢測(cè)的規(guī)模較大，那么選擇分辨率相對(duì)較低的設(shè)備時(shí)無(wú)關(guān)緊要。不過(guò)，就BGA和CSP而言，需要2μm或更小的分辨率。

b. 檢測(cè)目標(biāo)類型

    檢測(cè)目標(biāo)類型在影響樣品與X射線管焦點(diǎn)之間的距離方面發(fā)揮作用，最終將影響檢測(cè)設(shè)備的放大時(shí)間。檢測(cè)目標(biāo)類型主要有：穿透型和反射型。

c. X射線電壓和功率

    X射線管的穿透能力與電壓成正比。當(dāng)電壓較大時(shí)，可以檢查密度和厚度較高的物體。當(dāng)檢測(cè)目標(biāo)是單面板時(shí)，可以選擇低電壓設(shè)備。但是，當(dāng)檢測(cè)目標(biāo)是多層板時(shí)，需要高電壓。對(duì)于一定的電壓，圖像清晰度與X射線管功率成正比。

總而言之，X射線檢測(cè)技術(shù)為表面貼裝技術(shù)檢測(cè)方法帶來(lái)了新的革命，它被PCBA制造商視為進(jìn)一步提高組裝制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的最佳選擇。