SMT之AXI检测设备

【2008年西安（延安）SMT会议】特约稿自动X射线检查技术XXX1，吴懿平21日联光电（启东）有限公司（江苏省启东市XXXX，XXXXXX）2华中科技大学材料学院（武汉市珞喻路1037号，430074）【摘要】本文介绍了AXI的原理与应用技术。具体介绍了日联公司的AXI设备及其特点。应用表明：UnicompAX系列X射线透视检测设备采用独立的运动控制系统配合中文界面的图像软件，保证了机器的平稳运行，经过测试和客户的反馈，充分说明AX系列透视检测设备不仅可以用于PCBA，还可以应用于EMS的其它领域，是目前国内制造的较为先进的AXI检查识别设备。【关键词】X射线；自动检查；表面贴装技术；图像处理1前言线路板上元器件组装密度的提高与生产规模的海量化，给在线的生产质量控制与检测带来了很大的挑战。对于焊点外露以及检测目标光学可视的情形，自动光学检查AOI（AutomaticOpticalInspection）技术能够很好的满足SMT生产线的在线测试。但是对于BGA、FilipChip以及被测缺陷和目标不可视的情况，AOI技术就不能满足实际检查的需求。技术的发展绝不会因为上述困难就停滞不前。自动X-射线检测（AutomaticX-rayInspection，简称AXI）设备就能够很好地应对上述挑战。事实上，这种设备在被大量用于线路板制造工业以前，就已经在半导体芯片制造封装过程中得到了广泛的应用。不过，它还需要进一步的创新才能真正应对由表面贴装元件小型化和高密度线路板带来的测试困难。从广义角度来说，无论是AOI还是AXI以及最近几年提出来自动视觉检查(AVI，automaticvisualinspection)均属于自动光学检测范畴。2AXI的工作原理（1）平面透射成像检测原理X射线透射成像检测原理如图1所示，当组装好的线路板卡（PCBA）沿导轨进入机器内部后，位于线路板上方有一X-Ray发射管，其发射的X射线穿过线路板后被置于下方的探测器（一般为摄像机）接受，由于焊点中含有可以大量吸收X射线的金属与其他物质，因此穿过玻璃纤维、铜、硅、焊点等不同材料后X射线的吸收不一样，从而被探测器接受的X射线强度也就不一样，相关的信息就呈现出具有不同衬度的X射线透射图像（如图2所示）。X射线透射检查技术对焊点、内部缺陷以及内部结构的分析变得相当直观，故简单的图像分析算法便可自动、可靠地检验出板卡的焊点缺陷与内部结构缺陷。图1AXI检测原理图2呈现良好图像的BGA焊点2（2）3DX射线成像检测原理近几年AXI检测设备有了较快的发展，已从过去的2D检测发展到3D检测，具有SPC统计控制功能，能够与装配设备相连，实现实时监控装配质量。目前的3D检测设备按分层功能分为两大类：不带分层功能的3DX射线成像和具有分层功能的3DX射线成像技术。不带分层功能的X射线成像原理是过机器手对PCBA进行多角度的旋转，形成不同角度的图像，然后由计算机对图像进行合成处理和分析，来捕捉与判断缺陷。图3为一张倾斜拍摄的BGA照片，其中正常的焊点为圆柱型，开焊焊点则显示为圆型。图3BGA焊点开焊具有分层功能的成像是通过计算机分层扫描技术获得的。这种方法可以提供传统X-射线成像技术无法实现的二维切面或三维立体表现图。并且避免了影像重叠、混淆真实缺陷的现象。可清楚展示被测物体内部结构，提高识别物体内部缺陷的能力，更准确地识别物体内部缺陷的位置。目前有两种成像方式，一种是被测物体旋转，探测器不动获得三维成像，另一种是被测物体不动，探测器旋转成像。被测物体运动成像原理：X光管发射X光束并精确聚焦到被测物体的某层，被测物体置于一可旋转的平台上。通过旋转平台的高速旋转，使焦面上的图像清晰成现在接收器上，再由CCD照相机将图像信号变为数字信号，交给计算机处理和分析，如图4所示。图4计算机分层扫描技术方式一探测器旋转三维成像原理：将X光束精确聚焦到PCB的某一层上，然后图像由一个高速旋转的接收面接3收，由于接收面高速旋转使处在焦点上的图像清晰，而不在焦点上的图像则被消除（图5）。如此得到各个不同层面的图像，再通过计算机的合成、分析就可以实现对多层板和焊点结构的检察（图6）。图5计算机分层扫描技术方式二图6焊点结构的观察（3）AXI检测的特点A．对工艺缺陷的覆盖率高达97%。可检查的缺陷包括：虚焊、桥连、立碑、焊料不足、气孔、器件漏装等等。尤其是X射线透射成像能高分辨地获得隐藏在底部的焊点缺陷（如BGA、CSP等封装结构的焊点）。B．较高的测试覆盖度。可以对肉眼和在线测试检查不到的地方进行检查。比如PCBA被判断故障，怀疑是PCB内层走线断裂，X射线成像可以很快的进行检查。C．测试的准备时间大大缩短。D．能观察到其他测试手段无法可靠探测到的缺陷，比如：虚焊、空洞和成型不良等。E．对双面板和多层板只需一次检查（带分层功能）。F．提供相关测量信息，用来对生产工艺过程进行评估。如焊膏厚度、焊点下的焊锡量等。3国产AXI检测设备介绍AX系列X射线透射检测设备是日联光电（启东）公司研发的国内首款AXI设备，可用来检测BGA、CSP、倒装芯片，半导体等电子元器件焊接缺陷的高分辨率X光设备；还适用于SMTA工艺制程、生产过程监控和BGA返修检测等。图7为该设备的外观、探头以及图形处理界面的照片。该设备采用封闭式X射线管和高分辨图像探测器，可以使X射线转换为高清晰的光学图像，其分辨率为75/110Lp/cm，具体参数见表1。4图7AX8100X射线检测仪表1AX系列设备的主要技术参数项目AX8080AX8100外形尺寸1080mm(W)×1180mm(D)×1730(H)重量约800KG工作环境温度：0-40°C，湿度：30–70%RH工作电压、功率220VAC/50Hz；0.5KW(最大)增强器高分辨率双制式增强器，视场(2”/4”可调)；(平面增強器–选项)增强器分辨率75/110Lp/cm增强器运动行程350mm几何放大率350X最大PCB尺寸420mmX420mm420mmX420mm；(420mmX500mm)最大检测范围(60旋转)400mmX400mm400mmX400mm；(400mmX450mm)X-Ray光管电压/电流80KV/1mA100KV/1mAX-Ray光管封闭管X-Ray光管聚焦尺寸5μm图像分析软件AX-UXI多功能X-RAY图像处理系统安全性1μSv/hr自主研发的控制软件与AX-UXI多功能图像处理软件使得AX系列设备的优异性能得到了充分的体现：高的放大倍率、多角度测量、简单的维护与安装方法以及在WindowsXP操作系统下简洁的中文操作界面。高分辨的X射线图像以及通过多功能处理软件获得的不同形式元器件与焊点的3D图像的测试效果如图8所示。5图8四种不同形式元器件与焊点的3D图像测试效果4测试应用实例图9为某公司生产的电子仪器的组装板卡。板卡上装有两块BGA元件、多种SMD无源器件、电容器、接插件等。采用日联公司的AXI设备对其组装质量进行质量检测与评价。检测到了多种典型的、有不同产品质量问题的板卡。缺陷照片见图10所示。检测设备的具体型号为日联AX8100型X光检查机。测试条件：光管电压/电流为35KV～75KV/0.1～0.2mA；放大率25X-95X。图10(a)显示出BGA焊点大小不一、有空洞和桥连（45KV/0.17mA）、图10(b)显示出板卡上组装的无源器件有偏移，元元器件焊点有空洞（45KV/0.12mA）、图10(c)显示出SMD焊点内部的空洞（45KV/0.13mA）以及图10(d)板卡上的电容结构清晰，焊脚有空洞（45KV/0.13mA）。6图9被测试的电路板照片图10检查出某板卡产品焊点等缺陷的照片图11(a)-图11(i)显示的是采日联公司的AXI设备观察到的集成电路内部结构、电子组件结构以及板卡结构的X射线照片。AX系列透视检测设备同样可以检测出PCBA表面贴装组件的缺陷（如空焊，冷焊，桥连等），元器件的内部结构（如继电器，功率晶体管）等等。图11(a)为小型集成电路结构；图11(b)为卫星继电器内部结构；图11(c)为功率器件的内部结构；图11(d)-图11(f)为太阳能电池板的结构与内部缺陷，其中(d)为太阳能电池板焊点内部有空洞，(f)则显示出电池板间存在假焊；图11(g)为电解电容内部结构；图11(h)为芯片键合金丝及其键合第一点和键合第二点；图11(i)为片式电阻的内部结构。75结语X射线检测技术为SMT生产检测手段带来了新的变革，可以说它是目前那些渴望进一步提高生产工艺水平，提高生产质量，并将及时发现装联故障作为解决突破口的生产厂家的最佳选择。随着SMT器件的发展趋势，其他装配故障检测手段由于其局限性而寸步难行，X射线透射成像自动检测设备将成为SMT生产设备的新焦点必将在SMT生产领域中发挥着越来越重要的作用。国产的AXI设备已经能够与国际品牌产品进行竞争，其优异的性能表现一定会得到业界工程技术人员的广泛认同。(2008年8月)