自动贴片线_技术论文_三维还是二维

　　本文介绍，直到最近，还需要用成本昂贵的三维(3-D)系统来查找许多微妙的缺陷。但是今天，带有OVHM的新型二维(2-D)系统可以在许多方面提供一种低成本的替代方法。

　　最近，在一个展示会期间，提出了这样一个问题：“竞争者们正在把三维X射线检查推举为检查BGA和CSP的最佳方法。我是否需要花额外的钱来保证我的生产品质呢？”我的答案，和往常一样，可以是 - 也可以不是。决定在很大程度上取决于正在制造的东西。对于超过95%的制造商，二维X射线实际上是一个较好的解决方案。那么接下来的问题是：“我们是那些需要三维的5%中的一员吗？”本文提供的信息就是要帮助确定这个问题的答案。

　　X射线检查，不管是离线手动的还是在线自动的，是用来确认在焊接工艺之后装配的功能完整性，X射线检查可以发现：

　　在实际中，BGA锡桥、无焊点和未对准都可以通过或者操作员或者自动化软件包来发现和识别，只使用一个从上往下的视图而不需要旋转或倾斜电路板。可是，焊点开路与这些明显的焊点不同，通常要求以较高放大倍数的斜视图来检查。在这样的检查中，或者可以直接看到焊点中的间隔，或者锡块的形状会表明焊盘湿润不充分(多数情况是电路板焊盘)。

　　使用斜视图来检查较小的焊点，如密间距BGA(FBGA)、微型BGA CSP和倒装芯片，经常达不到足够的放大倍数，因为样品倾斜，焊点与X射线光源的距离长。要克服这点，只有X射线系统具有高几何放大倍数，甚至在一个有倾斜角度的检查中，或者系统具有最高放大倍数的斜视图(OVHM, oblique view at highest magnification)。

　　自动的BGA焊点评估只是简单地通过将测量的数据与阈值比较来完成的。因此，所有的X射线图象可以快速、准确和重复地测定通过与失效条件 - 使得甚至半自动的100%分类成为可能。

　　二维的X射线检查技术是使用一个固定的从上往下的视图来完成的。检查中的目标板放在光源与图象增强器之间。图象的清晰度是由焦点大小决定的，而分辩错误的能力受放大倍数的影响。由于从上往下对准，放大倍数通常在200-400倍的范围，虽然一些超高清晰度的系统提供高达1400倍的放大倍数。

　　带有OVHM系统的二维X射线使用一个提供高放射角度(170°)而窄幅的由上往下的类型分类法(38°)的开式管道光源(open-tube source)。这个方法在为微型BGA和其他密间距元件的板倾斜和旋转期间维持放大倍数。

开式管道与密封管道的显微测焦X射线

　　大部分今天的显微测焦X射线系统制造商都提供基于或者开式管道或者密封管道技术的工具。因此，不奇怪多数供应商在争论一种技术要比另一种技术好。可是，事实上，两种技术都有优点与缺点，决定于应用。

　　在讨论这些优缺点之前，让我们总结一下密封管道和开式管道是什么意思。一个“密封管道”X射线光源一般是一个类似于日光灯的玻璃管。象日光灯管一样，管内是真空的，在制造时就产生。

　　一个“开式管道”光源，正如其名称所意味的，可能是开放的。这些管通常是用钢构造的，通过一种两阶段真空泵工艺形成真空，而该工艺在系统每一次从常温合上开关是产生真空。

　　有一些基本参数帮助定义实时显微测焦X射线系统的性能，我们可以用作确定每一个技术的优点与缺点的标准。这些基本参数是焦点大小、管的电压、几何放大倍数、管的寿命、所有成本和系统价格。

　　焦点大小。焦点大小或许是显微测焦X射线参数中最基本的和最难量化的。今天有许多技术用来计算这个参数。最关联的决定横向分辨率，或者系统在从上往下视图中可以看到的最小特征，然后反过来计算焦点大小。本质上，焦点越小，几何特性越小，因此图象越清晰。密封管道比开式管道的焦点尺寸较大，不能提供那么清晰的图象。

　　管的电压。高压的管道可以比低压的渗透较密的材料。不幸的是，管的电压越高，越容易发生管“放电”。在密封管中的频繁放电会使管“充满气体”，造成管的寿命缩短。可是，在开式管中的放电不太重要，因为气体在重新产生管道真空时去掉了。因此，密封管比开式管的电压较低。密封管的电压一般为50、80、120和130kV，而开式管一般为100、160、200和225kV。

　　几何放大倍数。几何放大倍数越大，可以观察到的特征越小。几何放大倍数可以定义为：M_geo = FID/FOD (图一)

图一、FOD = 焦点到物体的距离，FID = 焦点到图象增强器的距离

　　密封管的最小FOD较大，造成可达到的几何放大倍数较小。因此，开式管对于要求高放大倍数的应用较好。

　　管的寿命。管的寿命决定于下列因素：

荧光材料退化
灯丝退化
气体在管道真空中累积
真空损失

　　在密封管内的荧光材料与灯丝是不可更换的，因为管是在一个永久真空中。因此，如果其中一项失效，整个管必须更换。典型的密封管寿命持续5-10,000小时。

　　开式管(如前面所提到的)可能是开放的，使得可以更换荧光材料和灯丝。开式管经常被人们誉为具有“无限”寿命，因为所有主要元件都可以交换。

　　拥有成本。拥有成本一直都是密封管与开式管制造商之间的竞争领域。密封管供应商和制造商声称开式管的修理成本高，而开式管的公司则说密封管的更换费用高。两种技术都有其相关的成本，但事实上，在五年的时间里，实际成本非常类似。

　　系统价格。开式管更贵，因为增加了真空泵，并且是较复杂的X射线控制系统。开式管可能比密封管系统贵到多达50%(表一)。

表一、技术总结
因素	密封管	开式管
可检查到的细节(µm)	5	1
最大电压(kV)	130	225
几何放大倍数	-60	-1,400
拥有的主要成本	更换灯管	预防性维护

哪个技术最好？

　　在开式管与密封管之间的选择决定于应用和预算两者。如果你的元件或PCB可以在130kV和低灯管电流(小于10W)下以小于60倍的几何放大倍数检查，那么密封管系统可能是最好的。如果你的应用要求较高的几何放大倍数、较高的电压或灯管电流 - 并且你的预算允许 - 那么开式管是更适合的产品。

　　三维成像系统是建立在具有OVHM的二维X射线之上；可是，X射线光源和探测器都可以移动，软件引擎捕捉多个图象来编辑三维图象。该方法允许元件、焊点或板的逐片逐层地分析，但是存储图象要花时间。另外，三维系统的放大倍数通常局限于2-10倍。

　　二维和有OVHM的二维系统提供快速的图象采集，相比之下，一个三维图象代表20-100个采集的图象。三维与有OVHM的二维系统允许相似图象和板的旋转，提供斜视图来看空洞和其它变形的锡球。

　　在一系列检查中可以自动评估的试验标准列出在表一中。以下是对每个这些试验的讨论，以决定最有利的方法。所有测试机，不管是二维、有OVHM的二维或三维，都可以进行这些测量。目标是要决定成本最低和最可靠的方法。

　　短路。使用从上到下、不倾斜的方法将发现单面装配上99.9%的所有短路或锡桥。双面板将要求倾斜或旋转以及改变光强度和放大倍数来精确地确认缺陷。结果，二维的机器是单面PCB的成本最低的解决方案。双面板要求有OVHM的二维或三维系统。

　　无焊点。用简单的从上到下的二维系统可容易地看到单面板上的无焊点(即开路)。双面板还需要一个倾斜角度来区分有开路的面。和短路一样，对于大部分这些应用，一个二维系统足够了。

　　未对准。同样，一个从上到下的二维系统是查找这些缺陷的成本最低的方法。例外的情况是从板上拉起倾斜的元件。和上面所描述的容易看到的短路与开路一样，所有系统都可以完成这些测量，但从上到下的二维系统还是成本最低的系统。

　　偏离直径、过大空洞、灰度偏离和非圆形的焊点。这些测量使用一个从上到下的二维系统是难以决定的，因为要求考虑进一步的标准。如图一所示，X射线图象在焊盘边缘有典型的黑圈，这是由于在该区域有多余的焊锡。当结合焊盘时，由叠印在焊盘上的阻焊层界定的区域看上去是黑色的环状区域，如果它们充分湿润的话。只有高放大倍数下的斜视图才可以对焊盘上湿润状况作更详细的调查。

　　而且，找到焊点中的空洞对评估连接的可靠性是重要的。空洞的图象是在焊点内的亮的圆形区域，如图一所示。

　　这些特征的视觉化也要求一个高性能的X射线系统，因为吸收性很强的焊接点必须用足够的光强度来渗透，而且在低吸收性的临近周围不造成饱和效应。例如，这种效应回收缩锡球的直径。事实上，这意味着X射线系统必须以高管压(120-130kV)、低管流(4-20µA)和小焦点(<10µm)运行。

　　要超越对焊接点品质和工艺参数独立性的基本研究，就要求对系列生产工艺的适当控制，以保证可重复性。通常，这不得不回到统计方法上；因此，需要对目标的定量测量和尽可能多(达到100%)的样品数量。

　　例如，空洞的出现未必影响可靠性，但是每个焊接点区域的空洞数量却会。通常表示为一个百分比，这是决定性的¹。该百分比敏感地取决于工艺参数²，要求对所有单个焊点的空洞相对大小作测量。

　　图二显示一个BGA系列检查的单个图象结果。接受的最大空洞百分比是5%。应该注意，清晰可见的背景结构(在PCB背面的焊锡)在评估期间被完全消除，不影响试验结果。

　　如前面所述，异常的焊接点必须在从上而下的图象和OVHM模式中检查到，以弄清缺陷机制的真相。例如，图3a显示一个微型BGA元件的六个焊接点(马上识别到稍微的未对准和不规则的焊点直径)。在标记了的焊接点上，按照上面提到的标准(无黑圈、无平台)确认到湿润的缺陷。在OVHM图象中(图四)，这些焊点原来是开路的 - 焊锡只附着在元件的焊盘上。

　　在从上往下的视图中，在左下方的焊接点显示中央平台。虽然在OVHM图象中(图3b)看上去是好的锡球，但是很容易确认为开路，因为失去了焊锡的弯液面。虽然三维图象也发现一些缺陷，但是对这些缺陷快速的有OVHM的二维系统是更低成本的解决方案，而且也将更可靠地确认开路(图4a和4b)。

　　很明显，完全自动或半自动的测试机将比手工操作系统更快。可是，图象分析软件包是准确地和重复地分析焊接点的一个重要的附加元件。

　　对于标准BGA、FBGA和CSP的焊接点，用户可以在自我教育的模式下设定软件 - 系统在评估工艺期间直接识别BGA的轮廓和正确的焊点直径和灰度(没有设定时间)。该评估按照预调整的阈值产生所有上面提到的试验结果。通常，一个自动设定的程序也使得没有必要在检查期间观察准确定位和常数放大倍数。而且，该评估结果在一定范围内独立于已调整的X射线参数。有了自动设定，如果在视域内至少80%的焊接点是可接受的，那么软件自动地分析视域内的所有焊接点。对于包含4-6个视图的标准PBGA255的自动评估，测试时间最大为1-2分钟。

　　当选择一个X射线系统时，应该知道二维系统在查找短路(锡桥)、无焊点(开路)和线性未对准时是非常有效的。二维系统，即使是那些带旋转的，都不能对付双面板、非常密间距的元件和确定垂直方向的未对准，因为缺乏放大倍数。

　　直到最近，只有三维机器才是这些检查的可靠工具。现在，带有OVHM的二维系统提供了对较高成本的三维系统的一个替代方法。虽然三维系统需要用来做深入的位片分析、全自动的双面板检查和Z高度测量，但是带有OVHM的二维系统提供一种较低成本的替代方法，可以对较密间距(CSP，倒装芯片)在斜视图中以高得多的放大倍数进行焊点分析，如从图三和四中所看到的，可以确认更多的失效。

　　使用OVHM技术的二维系统，有各种供应商，有手动、半自动和全自动的系统。这些系统是解决当今99%的测试需要的成本非常高效的方案。

　　Holger Roth, Ph.D., applications engineer, may be contacted at phoenix X-ray Systems + Services GmbH, Zweigstelle Stuttgart, Motorstrafle 49, 70499 Stuttgart, Germany; (49) 711-887-65-22; Fax: (49) 711-887-65-29; E-mail: hroth@phoenix-xray.com; Web site: www.phoenix-xray.com.