應用X射線檢測PCB板

　　大多數測試工程師都了解X射線檢查系統可以檢查隱藏在元件下面的焊點，或檢查其它技術難以檢測出來的微小焊點。但是，他們可能不了解X射線成像技術有不同的檢查方式，2D發(fā)射設備會顯示X射線路徑上的一切物體，而3D系統可以消除來自雙面電路板上元件的視覺干擾。盡管2D X射線系統目前還在應用，但3D系統卻是高密度雙面電路板檢查的主流檢查設備。

　　兩家著名的PCB測試設備制造商為電子行業(yè)生產3D X射線檢查系統，即安捷倫和泰瑞達。目前，安捷倫科技的5DX系列在市場上占據優(yōu)勢，而泰瑞達的ClearVue系統卻是步步緊逼。


圖1  通過連續(xù)提高5DX系列的成像和軟件能力，安捷倫科技已經占據3D X射線檢查市場主導地位多年　　來源：安捷倫科技公司

圖2  受控X射線和旋轉的檢測器需要對PCB上的感興趣區(qū)域進行若干次成像。軟件將成像合成，僅在PCB的一面顯示焊點

　　安捷倫的5DX系列(圖1)是其第四代產品，且一直在改進可重復性和吞吐量。系統的X射線分層攝影法技術依賴于與旋轉的圖像檢測器保持同步運動的可旋轉X射線束(圖2)。X射線分層攝影法使系統能夠對3mil（0.75mm）厚的PCB進行成像，從而讓測試工程師可以清楚地在PCB任意一面觀察焊點。

　　5DX系統首先利用X射線束檢測PCB的特征，以便對準PCB的X和Y軸。第二步，它利用激光測距儀來制成電路板表面的拓撲圖(PCB可能存在一定的表面變形，例如扭曲)。第三步，系統精確地上下移動電路板(Z軸)以便X射線束聚焦在觀測區(qū)域，自動成像。但是，它需要再一次掃描電路板。
　　5DX系統可以處理0201 SMT元件并能夠分辨間隔8mil(0.2mm)的焊點。當它遇到焊球或焊點內的空泡時，5DX系統也可以將它們檢測出來，將從成像中提取的信息與測試工程師預先設定的特征比較，來判定焊點否合格。軟件的改進已經極大地縮短了編程的時間，從而使5DX便于使用。

　　除了檢查微小的和隱藏的焊點，X射線檢查設備還提供分析和診斷工具。隨著PCB制造商向無鉛焊轉移，用戶必須了解無鉛焊對生產工藝的影響，在向無鉛焊轉移期間你會看到可能出現的許多缺陷。

　　當你對主要工藝作出改變時，有些事情會朝著預期的方向變化；但是，也會發(fā)生一些無法預料的事情。5DX系統可以幫助工程師控制生產工藝并回歸到變化之前的品質。隨著制造商向無鉛焊的轉移，X射線系統有助于幫助制造商減少不合格率。

　　ClearVue技術

　　盡管安捷倫科技在3D X射線檢查設備市場占據領先地位，但是，一直向電子行業(yè)提供2D X射線檢查設備的泰瑞達公司現在已經進入3D市場。他們認為X射線分層攝影技術機械上太復雜，它包括一個旋轉檢測器、一個旋轉X射線源、一塊在X射線焦平面(Z軸)移動的電路板以及一臺激光拓撲圖掃描儀。與之形成鮮明對比的是，泰瑞達擁有專利的離心層析X射線照相組合技術(稱為ClearVue)重構了3D成像切片，而X射線源、檢測器和PCB都保持靜止。這種3D X射線成像方法自然地簡化了檢查設備(PCB在成像采集之間移動)。


圖3  寬角射線束使ClearVue X射線技術能夠對PCB的一部分進行離軸(off-axis)成像


圖4  泰瑞達XStation MX檢查設備提供構建在ClearVue技術上的X射線檢查能力　來源：泰瑞達公司



圖5  在X射線攝像機下的PCB方塊G，系統采集紅色和紫色方塊的離軸成像。在X射線攝像機下的PCB方塊H，系統采集藍色和不同的紫色方塊的離軸成像

　　ClearVue技術在PCB的一面放置了寬角X射線源，而在PCB的另一面放置了大型檢測器(圖3)。X射線束透過電路板到達檢測器，但是，不像2D發(fā)射系統那樣直接觀察穿過PCB的X射線，也不像X射線分層攝影系統那樣采用小角度X射線束，ClearVue X射線束的角度可以擴展到40°。泰瑞達已經開始交付使用基于ClearVue技術的XStation MX在線自動檢查系統(圖4)。

　　為了理解ClearVue技術的工作原理，圖5將PCB成像為一個正方形矩陣或區(qū)域。假設X射線系統定位PCB使方塊G位于X射線和檢測器之間。然后系統可以離軸或離角采集其周圍的方塊A、B、C、F、H、K、L和M。當系統把方塊H移動到X射線束中時，它就離軸采集方塊B、C、D、G、I、L、M和N。注意，系統對方塊 B、C、L和M成像兩次，但是，成像的角度不同。重新定位PCB就可以讓X射線系統為每一個方塊創(chuàng)建8個離軸成像矩陣(圖6)。然后，計算機通過數學運算將離軸拓撲圖信息組合起來，在選定的平面上構造僅限于元件的成像。


圖6  PCB方塊的8個離軸X射線成像包括一個方塊的所有信息。算法將信息組合以便工程師有選擇地觀察元件、焊點和其它特征(增加色彩起到強調作用)

　　因為X射線束穿過PCB，所以，PCB方塊8個離軸成像的每一個集合都包含了PCB兩面的元件信息。因此，ClearVue算法可以生成PCB兩面的焊點成像。此外，成像可以描繪PCB任意一面的焊點、焊盤等等的成像切片。

　　一幅成像的掃描面積可以到達2.2x2.2 平方英寸(56x56 平方毫米)，對于該大小掃描場的觀測，泰瑞達的設備可以每秒6平方英寸(每秒31平方厘米)的速度檢查，該速度與大多數光學檢查系統的速率相同。ClearVue技術還可以計算Z軸信息，所以，它的3D X射線設備不需要獨立且耗費時間的激光掃描來對PCB表面成像。XStation MX系統不依賴于大量的機械運動，而ClearVue技術并不對成像取平均，因此，每百萬被查焊點的虛假焊點缺陷率小于500個焊點。

　　在每秒6平方英寸掃描率下，X射線檢測器可以分辨1mil(0.25mm)的像素，從而使XStation MX系統足以觀察0201 SMT元件上的焊點。因為系統可以調節(jié)X射線束的角度，改變觀測區(qū)域以便檢查諸如倒裝芯片和BGA這樣的封裝。

　　測試工程師肯定會用好各種X射線檢查設備。目前，生產線上下來的焊點中大約35%到40%采用BGA封裝連接到電路板，泰瑞達的專家援引研究報告稱，到2007年諸如BGA這樣的面陣列封裝將大約占所生產焊點的50%，但是，實際上許多公司現在就已經超過了那個百分比。