Голова на подушке и попкорн: какие дефекты можно встретить при рентген-контроле качества печатных узлов

В наше время SMT (surface mount technology, или технология поверхностного монтажа) можно считать доминирующей при производстве печатных узлов. Технология появилась в 1960-х годах и развивалась вместе с индустрией поверхностно монтируемых компонентов. За это время уменьшались вес и габариты компонентов, шаг их выводов, повышались надежность и стабильность характеристик ЭРИ и так далее. Каждый крупный шаг в этих направлениях диктовал дополнительные требования к тому, как осуществлять межоперационный контроль.

Изначально контроль был визуальным. Оператор глазами искал несоответствия между изделием и эталоном и/или конструкторской документацией. Но с уменьшением компонентов и шагом выводов находить дефекты невооруженным взглядом становилось все сложнее.

Следующим логичным этапом стал оптический контроль. Сначала он представлял из себя того же оператора, но уже с линзой или микроскопом. Однако растущая автоматизация производства коснулась и оптического контроля. Появились первые системы AOI (Automatic optical inspection) и SPI (Solder paste inspection). В модернизированном виде эти инспекции есть в любой современной линии поверхностного монтажа.

Казалось бы, трех точек контроля (SPI, Pre-reflow и Post-reflow AOI) должно было хватить для полноценного контроля качества производства ПУ. Но требования к минимизации микросхем привели к новым решения в области их корпусирования. Появились корпуса, в которых выводы компонентов прятались под корпусом, — SON (Small outline no-lead), DFN (Dual Flat No Lead), QFN (Quad Flat No-leads package), BGA (Ball grid array), LGA (Land grid array) и другие. А значит, оптические системы стали бессильны для контроля качества их монтажа.

Так, оптические методы не применимы для проверки качества пайки внутренних выводов микросхем в BGA-корпусе или монтажа термопадов QFN-, QFP-корпусов. На современных производствах по сборке и монтажу печатных узлов для проверки качества пайки таких корпусов используют рентген-контроль.

Установка рентген-контроля состоит из:

• источника излучения,
• манипулятора,
• детектора,
• блока управления,
• защитного корпуса.

Рентгеновская трубка (источник) генерирует рентген-лучи, которые поглощаются исследуемым объектом, расположенным на манипуляторе. Детектор регистрирует полученную теневую проекцию.

Полученное изображение зависит от толщины исследуемого материала и его атомного веса. Чем тоньше образец и чем меньше его атомный вес, тем светлее изображение. Поэтому, когда мы смотрим рентген-снимок печатного узла, мы почти не видим стеклотекстолит. Видим блеклые светлые тени топологии печатной платы (атомный вес меди — 63,546, толщина измеряется десятками микрон) и контрастные темные тени припоя (атомный вес олова — 118,71, толщина измеряется сотнями микрон).

Манипулятор представляет собой поворотный стол в плоскости _xO_y. То есть нам доступны перемещения вдоль осей O_x и O_y и повороты в плоскости _xO_y.

В различных моделях установок рентген-контроля за перемещение по оси Oz может отвечать детектор, способный приближаться к манипулятору. Но в подавляющем большинстве систем расстояние от трубки до детектора фиксировано, поэтому манипулятор способен еще и подниматься/опускаться, меняя расстояние между объектом исследования и источником.

Перемещение по оси O_z необходимо для увеличения нужной области в процессе рентген-анализа. Геометрическое увеличение прямо пропорционально расстоянию от источника F до детектора FDD (Focus-Detector Distance) и обратно пропорционально расстоянию от источника до объекта FOD (Focus-Object Distance):

Чем ближе объект к детектору, тем меньше увеличение. Нам же для глубокого анализа, наоборот, зачастую нужно максимальное увеличение — к примеру, нужно проверить не всю область BGA, а каждый конкретный вывод.

Проблема в том, что, чем ближе объект к фокальному пятну, тем большую геометрическую нерезкость (Ug), пропорциональную размеру фокального пятна, мы получаем. Поэтому очень важно, чтоб размер фокального пятна был минимальным: так мы обеспечим достаточную четкость изображения при требуемом увеличении.

Кроме того, детектор способен менять свою ориентацию относительно рентгеновской трубки, чтобы контролировать объект под углом. Это необходимо, например, для контроля микросхем в BGA-корпусе.

В итоге в современных системах мы получаем 5 «координат», которыми можем управлять в процессе рентген-контроля:

• O_x перемещение,
• O_y перемещение,
• O_z перемещение (увеличение),
• поворот внутри плоскости O_xy,
• поворот от O_z.

Организовать стопроцентный рентген-контроль без автоматической рентген-установки на массовом производстве невозможно. Так как среднее время, затрачиваемое на проверку одной серверной платы, может превышать цикл сборки в десятки раз: 1−2 минуты на сборку против 30−90 минут на рентген-контроль. С другой стороны, офлайн-рентген (не встроенный в линию) дает более глубокий анализ, чем автоматический.

При массовом производстве логично иметь несколько рентген-установок. Одна, встроенная в линию, будет контролировать 100% печатных узлов. А на другом, отдельно стоящем рентгене будет тщательно проверяться какая-то выборка, для подтверждения корректности техпроцесса.

Рекомендую использовать:

• Inline X-Ray для 100% проверки PCBA,
• Offline X-Ray для проверки техпроцесса.

На этот вопрос каждый производитель отвечает сам. Как правило, проверяются все BGA, LGA и аналогичные корпуса. Этого достаточно для рядового контрактного производителя.

Если же необходимо максимально удостовериться в качестве поверхностного монтажа и монтажа в отверстия, то список корпусов стоит расширить до следующего:

• BGA и LGA,
• QFN, PQFN и аналоги,
• SON, DFN,
• Through Hole Connectors.

В некоторых случаях проводят дополнительный рентген определенных частей ПУ или, например, всех корпусов с выводами типа «крыло чайки» (GullWing), J-образными выводами и всех коннекторов.

Теперь на примерах разберем, какие дефекты можно обнаружить с помощью рентген-контроля. Перечень неполный, но достаточно обширный. В этой статье мы рассмотрим дефекты, характерные именно для BGA. Аббревиатура этого типа поверхностно-монтируемых микросхем переводится как «массив шариков». Потому что выводы корпуса представляют собой шарики из припоя, нанесенные на контактные площадки с обратной стороны микросхемы.

«Песочные часы» появляются, когда произошло перемешивание шарика припоя и пасты и после этого какая-то часть BGA сдвинулась по оси Oz от поверхности печатной платы.

На изображении ниже обратите внимание на форму выводов, особенно на правый нижний угол. До того, как припой перешел в твердое состояние, произошло поднятие угла BGA-микросхемы. Это привело к удлинению паяного соединения: пайка больше похожа по форме на бочонок, нежели на приплюснутый шар.

Если бы угол микросхемы продолжил движение от печатной платы, произошло бы утонение паяного соединения в центре. Это привело бы к образованию соединения, напоминающего песочные часы.

Кроме того, необходимо уделить особое внимание входному контролю микросхем. Бывает, шарики BGA имеют разный диаметр — брак при производстве микросхем. Его можно поймать, задав более жесткий диапазон на диаметры шариков системе технического зрения установщика.

«Песочные часы» и «бочонки» скорее являются так называемыми «индикаторами процесса». То есть такого паяного соединения достаточно для функционирования печатного узла, но необходимо скорректировать техпроцесс, чтобы дальнейшее ухудшение ситуации не привело к непропаям.

На иллюстрации — пример «песочных часов» из-за недостатка паяльной пасты. Мы видим «бочонок» в окружении нормальной пайки. Это означает, что поднятия углов BGA не произошло, но разница в объемах паяных соединений все же заметна.

Около крайнего правого шарика BGA виден контур кольца — это контактная площадка на печатной плате, до которой не дотянулся припой. Электрический контакт печатной платы с этим выводом отсутствует.

Как правило, причина такого дефекта — в недостаточном количестве паяльной пасты или ее отсутствии на контактной площадке печатной платы. Но и брак BGA (разные диаметры шариков и/или сколы шариков) могут привести к непропаям.

Необходимо проверить процесс печати паяльной пасты, собрать статистику с SPI, проверить корректность обсчета BGA системой технического зрения установщика. Возможные пути решения:

Короткие замыкания (КЗ) могут возникнуть по разным причинам:

• слишком большое усилие нажатия при установке компонента,
• ошибки печати паяльной пасты — КЗ было уже сформировано паяльной пастой,
• эффект «попкорна» (его я опишу далее в тексте),
• брак при производстве BGA: диаметры расположенных рядом шаров — в верхней границе допустимых значений или превышают их.

Бороться с этим дефектом надо, исходя из гипотезы о первопричине его появления:

• уменьшить усилие установки компонента,
• проверить настройки SPI — инспекции нанесения паяльной пасты,
• сушить микросхемы до их использования (см. стандарт IPC-M-109 / J-STD-020),
• улучшить входной контроль, задать более жесткий допуск на диаметры шаров СТЗ установщика.

Бывает, при ортогональном рентгене BGA выглядит идеально: все шары ровные, без искривлений, нет пустот.

Такой рентген-снимок — явная заявка на проверку BGA-компонента под углом (меняем угол от оси O_z). Так как есть случаи, когда подобная картина соответствовала просто BGA, лежащей на печатной плате. Некорректный термопрофиль пайки не обеспечивал достаточную теплопередачу всей области BGA.

При пайке BGA-микросхем после оплавления припоя должны формироваться два соединения:

• припоя и контактной площадки печатной платы,
• припоя и контактной площадки микросхемы.

При рентгене «сверху» эти два соединения будут «накладываться» друг на друга. Рентген под углом даст возможность оценить отдельно каждое из этих соединений, так как они будут разнесены по высоте. По наличию двух эллипсов можно уверенно говорить о качестве паяного соединения.

Пример хорошего рентгена BGA-компонента, где видны оба эллипса:

Дефект возникает, если расплавленные припои паяльной пасты и шарика BGA не перемешиваются.

Наиболее частые причины возникновения:

• использование пасты с истощенным флюсом,
• окисление шариков припоя и/или BGA в процессе преднагрева и стабилизации,
• окисление шариков BGA во время хранения,
• недостаточный прогрев печатного узла в процессе монтажа — слишком быстрая скорость конвейера и/или слишком низкие температуры в зонах пайки.

Поперечное сечение подобного дефекта выглядит так:

Этот дефект принято связывать с нарушением условий транспортировки и/или хранения компонентов.

Современные тенденции изготовления электронных компонентов связаны с уменьшением кристаллов и корпусов, ускоренным процессом заливки кристаллов, использованием более дешевых материалов. Все эти тенденции ведут к возникновению различных пористостей (иногда даже расслоений) корпусов интегральных схем, в которые проникает влага.

При резком нагреве компонента во время пайки испаряющаяся и расширяющаяся вода приводит к его механическому повреждению. В процессе выхода влаги какая-то часть корпуса компонента раздувается, потом пар вырывается наружу и компонент резко «худеет». В результате такого «вздутия-похудения» компонента припой из-под вздуваемой части расплескивается в стороны, образуя различные короткие замыкания.

Чтобы не допускать таких дефектов, необходимо обращать внимание на MSL (Moisture Sensitivity Level) показатель компонента и производить необходимую сушку в случае нарушения условий хранения. Уровни и допустимое время хранения компонента вне заводской упаковки указаны в стандарте J-STD-020, режимы сушки — в J-STD-033.

Слишком большой сдвиг компонента при установке. Настолько большой, что шарики BGA не касаются паяльной пасты на контактных площадках. Или происходит недостаточное перекрытие шариком отпечатка пасты, чтобы после оплавления произошло самоцентрирование компонента.

Раньше такой дефект мог быть связан с ошибками в алгоритмах обсчета компонента системой технического зрения установщика. К современному оборудованию это, к счастью, не относится. Но остается возможность допустить ошибку при написании PnP-программы для установщиков.

Например, если в CAD-библиотеке точка захвата будет смещена от центра компонента, то при генерации PnP-отчета ошибка автоматически перекочует в программу установщика. Отловить смещение можно будет при визуальном контроле установки компонентов перед печкой оплавления: на автоматической оптической инспекции (АОИ) или оператором. Признаком будет смещение корпуса относительно шелкографии.

В качестве стопроцентной защиты от подобного дефекта можно отнести на рентген первый (тестовый) ПУ до монтажа — печатную плату с нанесенной пастой и установленными компонентами, но до пайки.

Как и предыдущий дефект, Missing Ball скорее пережиток прошлого. Ошибка связана с неполным контролем устанавливаемого компонента СТЗ установщика. Современное оборудование выявит эту проблему перед установкой компонента на плату, и компонент будет сброшен в лоток для компонентов с ошибками.

Современные PnP-установщики делятся на два типа:

• chip shooter — ставят мелкие компоненты с максимальной скоростью,
• IC placer — бережно устанавливают крупные микросхемы и разъемы.

Если говорить о высокопроизводительных линиях, на них установлено несколько установщиков: в начале — несколько chip shooter, а в конце — один-два IC placer. Между ними может быть два-три установщика, которые ставят крупные диоды, танталовые конденсаторы и микросхемы в корпусах SO, SON, SOT, мелкий QFP и QFN.

При скоростной установке chip-компонентов (как правило, R, L, C) создается повышенная вибрация, передаваемая печатной плате. Если паста обладает плохими клеящими свойствами, компонент может «отскочить» со своего посадочного места и под действием вибрации продолжить свой путь по плате. В примере ниже компонент остановился на посадочном месте BGA.

При этом отлетевший компонент не помешал установке и последующей пайке IC. Поскольку у современных резисторов 0402 небольшая высота (от 0,25 мм), а BGA ставятся, как правило, с некоторым усилием, чтобы обеспечить полноценный контакт шариков BGA с пастой.

Нужно разделять пустоты в объеме шарика и пустоты на границах соединения шарика с печатной платой или IC.

Обсчет пустот происходит при рентгене печатного узла сверху. Сначала алгоритмически и с учетом заданного шага и стандартного диаметра шарика находятся шарики BGA. Затем внутри выделенной зоны происходит подсчет пустот (контраст черный/белый). Пустоты внутри паяного соединения принято считать достаточно безопасными, так как они инкапсулированы припоем.

Пустоты же на границах припоя и контактных площадок (IC или печатной платы) снижают надежность устройства. Такое соединение будет больше подвержено сколам, происходящим из-за вибраций и/или неравномерного расширения компонента и платы в процессе функционирования печатного узла.

Пример подсчета пустот и их идеальное содержание ниже:

Стандарт IPC-A-610 допускает до 30% пустот в паяном соединении BGA. Однако некоторые заказчики для особо ответственных изделий могут запросить контроль пустот до 10%.

В случае плохой адгезии паяльной маски к меди и хорошей смачиваемости, припой может просачиваться между отходящим проводником от пада BGA и паяльной маской. Чтобы убедиться в хорошей адгезии маски к текстолиту и меди, необходимо проводить тест на отрыв скотча/клейкой ленты. Тест подробно описан в IPC-TM-650 (п. 2.4.28.1).

Завершить обзора возможных дефектов BGA хочется поучительным рентген-снимком, который собрал в себе почти все дефекты:

Рентген — это инструмент, который может быть использован как для отладки и контроля техпроцесса оплавления, так и для полного контроля выходных изделий. Мощный, но все же инструмент. Поэтому отдельное внимание важно уделять квалификации и опыту операторов рентген-установок.

Кроме того, полезно собрать свою базу рентген-снимков с возможными дефектами и корректно запаянными компонентами. И те, и другие будут полезны при обучении сотрудников. А база незапаянных компонентов позволит использовать рентген для выявления контрафакта.

• Principles of X-Ray Inspection for BGA’s
• Using «signature identification» for rapid and effective X-Ray inspection of BGA
• «Рентген. Ответы на часто задаваемые вопросы«
• Стандарт IPC-A-610
• Стандарт J-STD-020