reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© ERSA Technologie | 06 czerwca 2012

Wizualna inspekcja układów BGA

Wizualna inspekcja układów BGA w modułach o dużej gęstości upakowania elementów i jej wymagania systemowe - zalety profesjonalnych rozwiązań.

Autorami artykułu są Arndt Neues i Jörg Noite z Ersa GmbH Systemy wizualnej inspekcji układów BGA umożliwiają podgląd kulek używanych w przypadku nowoczesnych obudów podzespołów elektronicznych. System tego typu daje rzeczywisty obraz wyników procesu lutowania i jest podstawowym narzędziem monitorowania jakości w procesach lutowania złożonych elementów elektronicznych. Ale jakie są podstawowe warunki skutecznego wprowadzenia systemu inspekcji wizualnej do cyklu produkcyjnego? W tym miejscu chcielibyśmy przybliżyć użytkownikom podstawowe cechy inspekcji wizualnej i omówić ich wpływ na zastosowania. System wizualnej inspekcji BGA zapewnia trzykrotne powiększenie najmniejszych elementów. Z tego powodu systemy optyczne muszą zachowywać wysoką stabilność mechaniczną. Nawet najmniejsze drgania systemu mogą powodować bardzo poważne drgania obserwowanego obrazu. Z tego też powodu ręczna inspekcja wizualna staje się w tym przypadku całkowicie nieprzydatna. Konstrukcja mechaniczna systemu musi być dostosowana do inspekcji wszystkich rozmiarów płytek drukowanych, a układy BGA znajdujące się w pobliżu krawędzi płytki drukowanej o dużych rozmiarach muszą być widoczne bez ograniczeń. Dostęp do pełnej gamy funkcji sterowania systemem jest krytyczny dla płytek drukowanych o dużych rozmiarach. Podstawowymi elementami systemu są: stolik, źródło światła, system optyczny, rejestrator obrazu, procesor obrazu i wyświetlacz (rysunek 1). Dopiero odpowiednie dopasowanie i zgranie wszystkich wymienionych powyżej elementów systemu prowadzi do konstrukcji odpornej na błędy, łatwej w obsłudze i w pełni elastycznej. Pełna inspekcja elementu wymaga ruchu bezpośrednio nad kolejnymi rzędami kulek w matrycy połączeń BGA. Przy wymiarach na poziomie 50 mikrometrów wspomniane ruchy muszą posiadać odpowiednią precyzję. Kontrolowany podzespół musi oczywiście być na początku fizycznie wykryty przez system wizyjny. Szybki ruch stołu sprzężony z systemem dokładnej regulacji jest dobrym sposobem spełnienia obu wymagań. Układy BGA nie są jednak jedynymi elementami poddawanymi inspekcji wizyjnej. System inspekcji staje się uniwersalny, jeżeli jest w stanie kontrolować jakość innych połączeń. Do kontrolowanych elementów można zaliczyć różnego rodzaju złącza, jakość pokrycia przelotek i połączeń wewnętrznych, które dopiero świadczą o bardzo dużej różnorodności zastosowań i wymagają jednocześnie odpowiednich mechanicznych układów łatwej i precyzyjnej regulacji systemu optycznego. Urządzenie powinno dawać też możliwość obracania płytki drukowanej i obrazowania pod pewnym wybranym kątem. Zadaną elastyczność otrzymuje się zazwyczaj poprzez modułowa konstrukcję urządzenia. Wymiana systemu optycznego lub kamery, dołączenie filtrów i elementów optycznych (konwerterów) może okazać się konieczna do dostosowania systemu do podstawowych potrzeb konkretnej aplikacji. Na przykład kamera inspekcyjna może zostać użyta do obracania głowicy trójokularowej w mikroskopie wizyjnym, system optyczny do inspekcji BGA może zostać zastąpiony układem optycznym do kontroli od góry, istnieje możliwość dołączenia konwertera o podwójnym powiększeniu. W efekcie, łatwość wymiany elementów składowych staje się istotną cechą systemu z punktu widzenia serwisu i obsługi. Rysunek 1. Schematyczny rysunek układu inspekcji wizyjnej BGA: (1) stolik; (2) źródło światła; (3) system optyczny; (4) rejestrator obrazu; (5) procesor obrazu i wyświetlacz © PB Technik Rdzeń systemu Podstawowym zadaniem systemu inspekcji jest tworzenie obrazu w szczelinie o wysokości nie przekraczającej 500 mikrometrów. W tym celu głowica analizująca potrzebuje źródła światła i elementów optycznych formujących wiązkę. Elementy zakrzywiające światło (rysunek 2) składają się zazwyczaj z pryzmatu lub lustra połączonego z zakończeniem głowicy układu optycznego. Ponieważ elementy na płytkach drukowanych są obecnie coraz gęściej układane, głowica analizująca musi także ulegać miniaturyzacji. Rysunek 2. Geometria głowicy analizującej (żółty tor światła, niebieski tor obrazu): (a) pryzmat do zintegrowanego obrazu i światło zakrzywiane przy wykorzystaniu rozproszonego odbicia w osi obrazowania; (b) lustro odbijające promienie w plastikowym uchwycie; (c) pryzmat i lustro; (d) pryzmat zakrzywiający promienie i optyczna wiązka światłowodowa © PB Technik Rysunek 3 pokazuje schemat układu BGA ze znajdującym się w bezpośrednim sąsiedztwie systemem optycznym. Geometria układu optycznego jest w tym przypadku sprawą najważniejszą. Głębokość odnosi się do teoretycznie minimalnej odległości pomiędzy układem BGA i innymi elementami SMD. Szerokość wyznacza minimalną odległość głowicy od krawędzi układu BGA bez jednoczesnej kolizji z pozostałymi układami SMD. Najbardziej odległe rzędy połączeń układu BGA powinny być także dostępne.
Rysunek 3. Ruchomy system inspekcji układów BGA (widok z góry).© PBTechnik
Głębokość na poziomie 1,5 mm i szerokość na poziomie 5-6 mm są standardem dla głowicy analizującej. Głębokość i szerokość jest ustalana dla wysokości około 1 mm, czyli dla wysokości standardowych elementów SMD. Ustalenie minimalnych wymiarów mechanicznych nie rozwiązuje problemów związanych z optyką. Jeżeli użytkownik zamierza analizować wszystkie połączenia pod układem BGA, to układ optyczny musi zapewniać głębię ostrości porównywalną z wymiarami elementów BGA. Rysunek 4 przedstawia dwa systemy optyczne (kolorem ciemnoniebieskim zaznaczono obszary, w których nie można uzyskać ostrości obrazu). System optyczny 1 (górny) jest prawidłowo pozycjonowany względem układu BGA. Nawet jeżeli byłoby to możliwe, dalsze zbliżanie układu optycznego nie przynosi już żadnych korzyści, ponieważ system nie dostarczy w takim przypadku w pełni ostrego obrazu połączenia. Większa odległość od układu BGA nie jest problematyczna, nie wpływa na głębię ostrości i może nawet ograniczać inne efekty niepożądane: jeżeli stożek optyczny nie posiada idealnej wysokości, która jest mniejsza niż wysokość szczeliny, to górna część połączenia nie jest widoczna, co przedstawiono kolorem czerwonym (rysunek 4, dolny).
Rysunek 4. Wysokość głowicy optycznej a zdolność do całościowej analizy połączenia.© PB Technik
Łatwo sobie wyobrazić, że nawet przy większej odległości, system optyczny będzie zmniejszał kąt w stosunku do obserwowanej kulki i zmniejszał w ten sposób powierzchnię ograniczonego widzenia. Zwiększenie odległości poprawia też jakość obrazu. Ponieważ przestrzeń wokół układu BGA jest zazwyczaj ograniczona, to najwyższej jakości głowice optyczne zapewniają jednak poprawną projekcję obrazu nawet przy znacznym zbliżeniu do układu BGA. Rejestracja obrazu wymaga światła Do obserwacji i wizualizacji obiektu niezbędne jest światło. To co jest fizycznie możliwe musi zostać użyte do osiągnięcia celu inspekcji i otrzymania optymalnych rezultatów. Jakkolwiek istnieją warunki „fizycznie niemożliwe”: kulka zasłonięta przez inną kulkę nie jest optycznie widoczna, a czym niżej znajduje się kulka pod układem BGA, tym mniej światła do niej dociera (rysunek 3). Poza tym, system inspekcyjny musi mieć możliwość dostarczania informacji o właściwościach połączenia, do których można zaliczyć: strukturę powierzchni kulki, połączenie do podłoża, kształt połączenia, zwarcia, obecność kulek, pozostałości topnika i inne anomalie. Aby spełnić te kryteria najlepiej jak to jest możliwe, idealnym sposobem oświetlania elementów jest zastosowanie oświetlenia z dwóch kierunków (oświetlenie przednie i tylne). Oświetlenie przednie eksponuje zewnętrzne kulki i umożliwia dokładną analizę struktury powierzchni, poprawności połączeń, kształtu połączeń i detekcję pewnych błędów jak mikropęknięcia. Pochylając system optyczny pod pewnym kątem względem krawędzi układu BGA można obserwować najbliższe rzędy wewnętrznych kulek. Podświetlenie tylne eksponuje głębiej położone kulki. Krawędzie i kształt kulek zewnętrznych (oznaczenie „a” na rysunku 3) są zdecydowanie wyraźniejsze, a obraz jest bardziej kontrastowy (rysunek 6). Zalety oświetlenia tylnego są szczególnie widoczne, kiedy głowica inspekcyjna służy do analizy przestrzeni pomiędzy dwoma rzędami kulek (rysunek 3). Podświetlenie tylne służy do analizy potencjalnych zwarć i pozostałości po procesie lutowania.
Rysunek 5. Ogniskowanie obrazu w środkowej części pod powierzchnią układu BGA (rysunek posiada funkcję zoom) © ERSA
Jeżeli system optyczny posiada dużą głębię ostrości, to możliwa jest odrębna analiza kolejnych rzędów i detekcja zarysu wewnętrznych kulek przy zastosowaniu oświetlenia tylnego. Dobrym przykładem jest tor promienia świetlnego w kierunku wewnętrznej kulki (oznaczonej jako „i” na rysunku 3; rysunek 5). W ten sposób można ocenić formę i kształt połączeń oraz różnego rodzaju nieprawidłowości. W przypadku gdy użytkownik potrzebuje obejrzeć wszystkie kulki pod układem BGA, musi przesunąć głowicę układu analizującego. Jak zaprezentowano na rysunku 3 obraz kulek wewnętrznych jest możliwy do uzyskania po umieszczeniu oświetlenia przedniego dokładnie naprzeciw oświetlenia tylnego. Kulki znajdujące się w środku układu BGA blokują światło biegnące z boku. Kontrolowana metoda pozwalająca na stałe oświetlenie na dobrym poziomie pod układem BGA polega na prowadzeniu oświetlenia tylnego w kierunku głowicy inspekcyjnej. Sprzężenie oświetlenia przedniego i tylnego w jednym systemie daje najlepsze rezultaty w tym przypadku. Jakość obrazu i właściwości systemu Jakość obrazu jest zdeterminowana przez indywidualne właściwości poszczególnych elementów systemu. Do elementów tych można zaliczyć: głowicę inspekcyjną, konstrukcję systemu optycznego do zapewnienia głębi ostrości w środkowej części badanego elementu, szczegóły obrazu i rozdzielczość oraz odpowiednią i przestrzennie zoptymalizowaną intensywność oświetlenia. Także system adaptacyjny kamery, sama kamera z sensorem obrazowym, rozdzielczość monitora video lub urządzenia do przechwytywania obrazu i monitora VGA decydują o jakości obrazu. Innymi słowy, najważniejszą cechą całego systemu z punktu widzenia użytkownika jest rozdzielczość. Z punktu widzenia obrazowania ważne jest, jak duża musi być najmniejsza struktura na obiekcie, aby mogła być widoczna. Sama rozdzielczość kamery nie jest najistotniejszym parametrem systemu. Najsłabszy element całego systemu obrazowania decyduje tak naprawdę o jakości wyświetlanego obrazu. Dlatego słabe parametry niskiej jakości systemów optycznych nie mogą być kompensowane przez doskonałe parametry kamery. Najprostszym testem wyznaczającym jakość całego systemu jest inspekcja struktury i podgląd jej obrazu. Najlepszą strukturą testową jest wzorcowa płytka siatkowa i ilość par linii, które mogą być zaobserwowane na monitorze. Warto w tym miejscu zwrócić uwagę, że liczba rozróżnialnych linii zmniejsza się wraz z pogorszeniem warunków oświetleniowych. Warto przyjrzeć się także uważnie szczegółom obrazu. Przykładowo, jeżeli dwie kulki są widoczne w przypadku układu BGA o rastrze 1,27 mm, to można założyć, że pole obrazowania wynosi około 2,54 mm. Jeżeli maksymalna rozdzielczość wynosi 288 par linii, to struktury są ciągle widoczne w kierunku pionowym na przestrzeni 2,54 mm podzielonej przez 288, co daje odległość około 9 mikrometrów. Jeżeli inny układ optyczny daje podgląd pojedynczej kulki w obszarze 1,27 mm i rozdzielczość na poziomie 200 par linii, to możliwa jest obserwacja struktur wyraźnie mniejszych, na poziomie 6 mikrometrów. Oczywiście w takim przypadku użytkownik będzie widział znacznie więcej szczegółów obrazu. Szczegóły są łatwe do zaobserwowania, jeżeli analizowany obiekt jest dobrze widoczny. W przypadku układów BGA powinna być widoczna dolna i górna część połączenia lutowanego (rysunek 4 / system optyczny 1, rysunek 6). Dopasowanie do cyklu produkcyjnego Inspekcja wizualna układów BGA powinna być zawsze kompatybilna z wymaganiami ESD (szczególnie w przypadku użycia układów typu CMOS). Moduły wykonywane na płytkach drukowanych wielowarstwowych mogą być porównywalne ceną z wartością urządzenia do inspekcji wizualnej. Ochrona obwodów drukowanych tego typu powinna być w zakładzie produkcyjnym sprawą priorytetową. Z drugiej strony obsługa urządzenia musi być prosta, niezawodna i łatwa do zrozumienia. Dopasowanie głowicy inspekcyjnej do pracy w środowisku produkcyjnym zależy od przewidywanych narażeń. Pewne systemy inspekcji wymagają bezpośredniego kontaktu niezabezpieczonej głowicy optycznej lub szklanego lustra z płytką drukowaną. System optyczny wyposażony w delikatne pryzmaty i lustra może zostać w takim przypadku stosunkowo łatwo uszkodzony, co prowadzi do utraty obrazu i kosztownej naprawy. Problem nie jest rozwiązany także przez zastosowanie pozornie łatwych w demontażu głowic wymiennych. Optymalnym rozwiązaniem staje się w takim przypadku raczej zastosowanie głowic ze zintegrowanym, odpornym na uszkodzenia pryzmatem. Wersja przedstawiona na rysunku 2d może być zdecydowanie łatwiej zabezpieczona przed uszkodzeniami mechanicznymi niż wersja zaproponowana na rysunku 2c, ponieważ powierzchnia kontaktu w przypadku przedstawionym na rysunku 2c jest zdecydowanie większa, a dołączenie mechanizmu chroniącego głowicę byłoby zdecydowanie trudniejsze i zajmowałoby większą przestrzeń. Rysunek 6. Zewnętrzna kulka układu BGA z widocznym dolnym i górnym połączeniem. © ERSA Zaletą dobrze zabezpieczonych głowic optycznych jest prawdopodobieństwo zniszczenia bliskie zeru, bez ryzyka zniszczenia przy prawidłowym użytkowaniu. Małe ryzyko uszkodzenia daje dodatkową możliwość głębszego opuszczenia głowicy wizyjnej. W efekcie uzyskuje się możliwość dokładnej analizy płaskich kolumn w obudowach typu CSP lub przyrządów montowanych w technologii flip-chip. Koszty kontra korzyści Inwestycja w system kontroli optycznej jest kompensowana przez możliwe korzyści wynikające z korzystania z takiego systemu jak dokładna detekcja błędów montażowych i związane z tym oszczędności, które w sumie sprawiają, że inwestycja szybko się zwraca wraz z kosztami eksploatacji urządzenia i serwisu. Zakup systemu kontroli wizyjnej jest rzeczywiście opłacalny, jeżeli urządzenie skutecznie wykrywa typowe dla montażu uszkodzenia i nieprawidłowości. Jeżeli system jest oferowany ze wspomagającym użytkownika odpowiednim oprogramowaniem do analizy i przetwarzania obrazu, to reakcja na błędy pojawiające się w trakcie montażu może być znacznie szybsza i wydajniejsza. Analiza kosztów zakupu powinna z pewnością uwzględniać koszty odpadów produkcyjnych i wartość dodaną wiedzy związanej z zastosowaniem systemu w badaniach i rozwoju produktów. Amortyzacja kosztów może zostać zoptymalizowana, jeżeli system jest wystarczająco elastyczny i może być używany do różnych zadań, np. do inspekcji od góry. Szacowanie kosztów posiadania urządzenia powinno uwzględniać koszt głowic optycznych, które są jednak narażone na uszkodzenia nawet w przypadku niezwykle odpornych konstrukcji. Inwestycja w system ze słabo chronionymi głowicami może być niezwykle kosztowna. Reasumując, skuteczna kontrola układów BGA w celu poprawy procesu wymaga bez wątpienia użycia wydajnych systemów inspekcji. Szczegółowa wiedza dotycząca poszczególnych elementów składowych systemu inspekcji wraz z rzetelną demonstracją możliwości systemu na konkretnych obiektach, daje tak naprawdę dopiero dobrą podstawę do podejmowania decyzji o inwestycjach w system inspekcji wizualnej. Artykuł został opublikowany dzięki uprzejmości firmy PB Technik
reklama
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
November 12 2019 07:31 V14.7.10-1