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

Wizualna inspekcja uk艂adów BGA

Wizualna inspekcja uk艂ad贸w BGA w modu艂ach o du偶ej g臋sto艣ci upakowania element贸w i jej wymagania systemowe - zalety profesjonalnych rozwi膮za艅.
Autorami artyku艂u s膮 Arndt Neues i J枚rg Noite z Ersa GmbH Systemy wizualnej inspekcji uk艂ad贸w BGA umo偶liwiaj膮 podgl膮d kulek u偶ywanych w przypadku nowoczesnych obud贸w podzespo艂贸w elektronicznych. System tego typu daje rzeczywisty obraz wynik贸w procesu lutowania i jest podstawowym narz臋dziem monitorowania jako艣ci w procesach lutowania z艂o偶onych element贸w elektronicznych. Ale jakie s膮 podstawowe warunki skutecznego wprowadzenia systemu inspekcji wizualnej do cyklu produkcyjnego? W tym miejscu chcieliby艣my przybli偶y膰 u偶ytkownikom podstawowe cechy inspekcji wizualnej i om贸wi膰 ich wp艂yw na zastosowania. System wizualnej inspekcji BGA zapewnia trzykrotne powi臋kszenie najmniejszych element贸w. Z tego powodu systemy optyczne musz膮 zachowywa膰 wysok膮 stabilno艣膰 mechaniczn膮. Nawet najmniejsze drgania systemu mog膮 powodowa膰 bardzo powa偶ne drgania obserwowanego obrazu. Z tego te偶 powodu r臋czna inspekcja wizualna staje si臋 w tym przypadku ca艂kowicie nieprzydatna. Konstrukcja mechaniczna systemu musi by膰 dostosowana do inspekcji wszystkich rozmiar贸w p艂ytek drukowanych, a uk艂ady BGA znajduj膮ce si臋 w pobli偶u kraw臋dzi p艂ytki drukowanej o du偶ych rozmiarach musz膮 by膰 widoczne bez ogranicze艅. Dost臋p do pe艂nej gamy funkcji sterowania systemem jest krytyczny dla p艂ytek drukowanych o du偶ych rozmiarach. Podstawowymi elementami systemu s膮: stolik, 藕r贸d艂o 艣wiat艂a, system optyczny, rejestrator obrazu, procesor obrazu i wy艣wietlacz (rysunek 1). Dopiero odpowiednie dopasowanie i zgranie wszystkich wymienionych powy偶ej element贸w systemu prowadzi do konstrukcji odpornej na b艂臋dy, 艂atwej w obs艂udze i w pe艂ni elastycznej. Pe艂na inspekcja elementu wymaga ruchu bezpo艣rednio nad kolejnymi rz臋dami kulek w matrycy po艂膮cze艅 BGA. Przy wymiarach na poziomie 50 mikrometr贸w wspomniane ruchy musz膮 posiada膰 odpowiedni膮 precyzj臋. Kontrolowany podzesp贸艂 musi oczywi艣cie by膰 na pocz膮tku fizycznie wykryty przez system wizyjny. Szybki ruch sto艂u sprz臋偶ony z systemem dok艂adnej regulacji jest dobrym sposobem spe艂nienia obu wymaga艅. Uk艂ady BGA nie s膮 jednak jedynymi elementami poddawanymi inspekcji wizyjnej. System inspekcji staje si臋 uniwersalny, je偶eli jest w stanie kontrolowa膰 jako艣膰 innych po艂膮cze艅. Do kontrolowanych element贸w mo偶na zaliczy膰 r贸偶nego rodzaju z艂膮cza, jako艣膰 pokrycia przelotek i po艂膮cze艅 wewn臋trznych, kt贸re dopiero 艣wiadcz膮 o bardzo du偶ej r贸偶norodno艣ci zastosowa艅 i wymagaj膮 jednocze艣nie odpowiednich mechanicznych uk艂ad贸w 艂atwej i precyzyjnej regulacji systemu optycznego. Urz膮dzenie powinno dawa膰 te偶 mo偶liwo艣膰 obracania p艂ytki drukowanej i obrazowania pod pewnym wybranym k膮tem. Zadan膮 elastyczno艣膰 otrzymuje si臋 zazwyczaj poprzez modu艂owa konstrukcj臋 urz膮dzenia. Wymiana systemu optycznego lub kamery, do艂膮czenie filtr贸w i element贸w optycznych (konwerter贸w) mo偶e okaza膰 si臋 konieczna do dostosowania systemu do podstawowych potrzeb konkretnej aplikacji. Na przyk艂ad kamera inspekcyjna mo偶e zosta膰 u偶yta do obracania g艂owicy tr贸jokularowej w mikroskopie wizyjnym, system optyczny do inspekcji BGA mo偶e zosta膰 zast膮piony uk艂adem optycznym do kontroli od g贸ry, istnieje mo偶liwo艣膰 do艂膮czenia konwertera o podw贸jnym powi臋kszeniu. W efekcie, 艂atwo艣膰 wymiany element贸w sk艂adowych staje si臋 istotn膮 cech膮 systemu z punktu widzenia serwisu i obs艂ugi. Rysunek 1. Schematyczny rysunek uk艂adu inspekcji wizyjnej BGA: (1) stolik; (2) 藕r贸d艂o 艣wiat艂a; (3) system optyczny; (4) rejestrator obrazu; (5) procesor obrazu i wy艣wietlacz 漏 PB Technik Rdze艅 systemu Podstawowym zadaniem systemu inspekcji jest tworzenie obrazu w szczelinie o wysoko艣ci nie przekraczaj膮cej 500 mikrometr贸w. W tym celu g艂owica analizuj膮ca potrzebuje 藕r贸d艂a 艣wiat艂a i element贸w optycznych formuj膮cych wi膮zk臋. Elementy zakrzywiaj膮ce 艣wiat艂o (rysunek 2) sk艂adaj膮 si臋 zazwyczaj z pryzmatu lub lustra po艂膮czonego z zako艅czeniem g艂owicy uk艂adu optycznego. Poniewa偶 elementy na p艂ytkach drukowanych s膮 obecnie coraz g臋艣ciej uk艂adane, g艂owica analizuj膮ca musi tak偶e ulega膰 miniaturyzacji. Rysunek 2. Geometria g艂owicy analizuj膮cej (偶贸艂ty tor 艣wiat艂a, niebieski tor obrazu): (a) pryzmat do zintegrowanego obrazu i 艣wiat艂o zakrzywiane przy wykorzystaniu rozproszonego odbicia w osi obrazowania; (b) lustro odbijaj膮ce promienie w plastikowym uchwycie; (c) pryzmat i lustro; (d) pryzmat zakrzywiaj膮cy promienie i optyczna wi膮zka 艣wiat艂owodowa 漏 PB Technik Rysunek 3 pokazuje schemat uk艂adu BGA ze znajduj膮cym si臋 w bezpo艣rednim s膮siedztwie systemem optycznym. Geometria uk艂adu optycznego jest w tym przypadku spraw膮 najwa偶niejsz膮. G艂臋boko艣膰 odnosi si臋 do teoretycznie minimalnej odleg艂o艣ci pomi臋dzy uk艂adem BGA i innymi elementami SMD. Szeroko艣膰 wyznacza minimaln膮 odleg艂o艣膰 g艂owicy od kraw臋dzi uk艂adu BGA bez jednoczesnej kolizji z pozosta艂ymi uk艂adami SMD. Najbardziej odleg艂e rz臋dy po艂膮cze艅 uk艂adu BGA powinny by膰 tak偶e dost臋pne.
Rysunek 3. Ruchomy system inspekcji uk艂ad贸w BGA (widok z g贸ry).漏 PBTechnik
G艂臋boko艣膰 na poziomie 1,5 mm i szeroko艣膰 na poziomie 5-6 mm s膮 standardem dla g艂owicy analizuj膮cej. G艂臋boko艣膰 i szeroko艣膰 jest ustalana dla wysoko艣ci oko艂o 1 mm, czyli dla wysoko艣ci standardowych element贸w SMD. Ustalenie minimalnych wymiar贸w mechanicznych nie rozwi膮zuje problem贸w zwi膮zanych z optyk膮. Je偶eli u偶ytkownik zamierza analizowa膰 wszystkie po艂膮czenia pod uk艂adem BGA, to uk艂ad optyczny musi zapewnia膰 g艂臋bi臋 ostro艣ci por贸wnywaln膮 z wymiarami element贸w BGA. Rysunek 4 przedstawia dwa systemy optyczne (kolorem ciemnoniebieskim zaznaczono obszary, w kt贸rych nie mo偶na uzyska膰 ostro艣ci obrazu). System optyczny 1 (g贸rny) jest prawid艂owo pozycjonowany wzgl臋dem uk艂adu BGA. Nawet je偶eli by艂oby to mo偶liwe, dalsze zbli偶anie uk艂adu optycznego nie przynosi ju偶 偶adnych korzy艣ci, poniewa偶 system nie dostarczy w takim przypadku w pe艂ni ostrego obrazu po艂膮czenia. Wi臋ksza odleg艂o艣膰 od uk艂adu BGA nie jest problematyczna, nie wp艂ywa na g艂臋bi臋 ostro艣ci i mo偶e nawet ogranicza膰 inne efekty niepo偶膮dane: je偶eli sto偶ek optyczny nie posiada idealnej wysoko艣ci, kt贸ra jest mniejsza ni偶 wysoko艣膰 szczeliny, to g贸rna cz臋艣膰 po艂膮czenia nie jest widoczna, co przedstawiono kolorem czerwonym (rysunek 4, dolny).
Rysunek 4. Wysoko艣膰 g艂owicy optycznej a zdolno艣膰 do ca艂o艣ciowej analizy po艂膮czenia.漏 PB Technik
艁atwo sobie wyobrazi膰, 偶e nawet przy wi臋kszej odleg艂o艣ci, system optyczny b臋dzie zmniejsza艂 k膮t w stosunku do obserwowanej kulki i zmniejsza艂 w ten spos贸b powierzchni臋 ograniczonego widzenia. Zwi臋kszenie odleg艂o艣ci poprawia te偶 jako艣膰 obrazu. Poniewa偶 przestrze艅 wok贸艂 uk艂adu BGA jest zazwyczaj ograniczona, to najwy偶szej jako艣ci g艂owice optyczne zapewniaj膮 jednak poprawn膮 projekcj臋 obrazu nawet przy znacznym zbli偶eniu do uk艂adu BGA. Rejestracja obrazu wymaga 艣wiat艂a Do obserwacji i wizualizacji obiektu niezb臋dne jest 艣wiat艂o. To co jest fizycznie mo偶liwe musi zosta膰 u偶yte do osi膮gni臋cia celu inspekcji i otrzymania optymalnych rezultat贸w. Jakkolwiek istniej膮 warunki 鈥瀎izycznie niemo偶liwe鈥: kulka zas艂oni臋ta przez inn膮 kulk臋 nie jest optycznie widoczna, a czym ni偶ej znajduje si臋 kulka pod uk艂adem BGA, tym mniej 艣wiat艂a do niej dociera (rysunek 3). Poza tym, system inspekcyjny musi mie膰 mo偶liwo艣膰 dostarczania informacji o w艂a艣ciwo艣ciach po艂膮czenia, do kt贸rych mo偶na zaliczy膰: struktur臋 powierzchni kulki, po艂膮czenie do pod艂o偶a, kszta艂t po艂膮czenia, zwarcia, obecno艣膰 kulek, pozosta艂o艣ci topnika i inne anomalie. Aby spe艂ni膰 te kryteria najlepiej jak to jest mo偶liwe, idealnym sposobem o艣wietlania element贸w jest zastosowanie o艣wietlenia z dw贸ch kierunk贸w (o艣wietlenie przednie i tylne). O艣wietlenie przednie eksponuje zewn臋trzne kulki i umo偶liwia dok艂adn膮 analiz臋 struktury powierzchni, poprawno艣ci po艂膮cze艅, kszta艂tu po艂膮cze艅 i detekcj臋 pewnych b艂臋d贸w jak mikrop臋kni臋cia. Pochylaj膮c system optyczny pod pewnym k膮tem wzgl臋dem kraw臋dzi uk艂adu BGA mo偶na obserwowa膰 najbli偶sze rz臋dy wewn臋trznych kulek. Pod艣wietlenie tylne eksponuje g艂臋biej po艂o偶one kulki. Kraw臋dzie i kszta艂t kulek zewn臋trznych (oznaczenie 鈥瀉鈥 na rysunku 3) s膮 zdecydowanie wyra藕niejsze, a obraz jest bardziej kontrastowy (rysunek 6). Zalety o艣wietlenia tylnego s膮 szczeg贸lnie widoczne, kiedy g艂owica inspekcyjna s艂u偶y do analizy przestrzeni pomi臋dzy dwoma rz臋dami kulek (rysunek 3). Pod艣wietlenie tylne s艂u偶y do analizy potencjalnych zwar膰 i pozosta艂o艣ci po procesie lutowania.
Rysunek 5. Ogniskowanie obrazu w 艣rodkowej cz臋艣ci pod powierzchni膮 uk艂adu BGA (rysunek posiada funkcj臋 zoom) 漏 ERSA
Je偶eli system optyczny posiada du偶膮 g艂臋bi臋 ostro艣ci, to mo偶liwa jest odr臋bna analiza kolejnych rz臋d贸w i detekcja zarysu wewn臋trznych kulek przy zastosowaniu o艣wietlenia tylnego. Dobrym przyk艂adem jest tor promienia 艣wietlnego w kierunku wewn臋trznej kulki (oznaczonej jako 鈥瀒鈥 na rysunku 3; rysunek 5). W ten spos贸b mo偶na oceni膰 form臋 i kszta艂t po艂膮cze艅 oraz r贸偶nego rodzaju nieprawid艂owo艣ci. W przypadku gdy u偶ytkownik potrzebuje obejrze膰 wszystkie kulki pod uk艂adem BGA, musi przesun膮膰 g艂owic臋 uk艂adu analizuj膮cego. Jak zaprezentowano na rysunku 3 obraz kulek wewn臋trznych jest mo偶liwy do uzyskania po umieszczeniu o艣wietlenia przedniego dok艂adnie naprzeciw o艣wietlenia tylnego. Kulki znajduj膮ce si臋 w 艣rodku uk艂adu BGA blokuj膮 艣wiat艂o biegn膮ce z boku. Kontrolowana metoda pozwalaj膮ca na sta艂e o艣wietlenie na dobrym poziomie pod uk艂adem BGA polega na prowadzeniu o艣wietlenia tylnego w kierunku g艂owicy inspekcyjnej. Sprz臋偶enie o艣wietlenia przedniego i tylnego w jednym systemie daje najlepsze rezultaty w tym przypadku. Jako艣膰 obrazu i w艂a艣ciwo艣ci systemu Jako艣膰 obrazu jest zdeterminowana przez indywidualne w艂a艣ciwo艣ci poszczeg贸lnych element贸w systemu. Do element贸w tych mo偶na zaliczy膰: g艂owic臋 inspekcyjn膮, konstrukcj臋 systemu optycznego do zapewnienia g艂臋bi ostro艣ci w 艣rodkowej cz臋艣ci badanego elementu, szczeg贸艂y obrazu i rozdzielczo艣膰 oraz odpowiedni膮 i przestrzennie zoptymalizowan膮 intensywno艣膰 o艣wietlenia. Tak偶e system adaptacyjny kamery, sama kamera z sensorem obrazowym, rozdzielczo艣膰 monitora video lub urz膮dzenia do przechwytywania obrazu i monitora VGA decyduj膮 o jako艣ci obrazu. Innymi s艂owy, najwa偶niejsz膮 cech膮 ca艂ego systemu z punktu widzenia u偶ytkownika jest rozdzielczo艣膰. Z punktu widzenia obrazowania wa偶ne jest, jak du偶a musi by膰 najmniejsza struktura na obiekcie, aby mog艂a by膰 widoczna. Sama rozdzielczo艣膰 kamery nie jest najistotniejszym parametrem systemu. Najs艂abszy element ca艂ego systemu obrazowania decyduje tak naprawd臋 o jako艣ci wy艣wietlanego obrazu. Dlatego s艂abe parametry niskiej jako艣ci system贸w optycznych nie mog膮 by膰 kompensowane przez doskona艂e parametry kamery. Najprostszym testem wyznaczaj膮cym jako艣膰 ca艂ego systemu jest inspekcja struktury i podgl膮d jej obrazu. Najlepsz膮 struktur膮 testow膮 jest wzorcowa p艂ytka siatkowa i ilo艣膰 par linii, kt贸re mog膮 by膰 zaobserwowane na monitorze. Warto w tym miejscu zwr贸ci膰 uwag臋, 偶e liczba rozr贸偶nialnych linii zmniejsza si臋 wraz z pogorszeniem warunk贸w o艣wietleniowych. Warto przyjrze膰 si臋 tak偶e uwa偶nie szczeg贸艂om obrazu. Przyk艂adowo, je偶eli dwie kulki s膮 widoczne w przypadku uk艂adu BGA o rastrze 1,27 mm, to mo偶na za艂o偶y膰, 偶e pole obrazowania wynosi oko艂o 2,54 mm. Je偶eli maksymalna rozdzielczo艣膰 wynosi 288 par linii, to struktury s膮 ci膮gle widoczne w kierunku pionowym na przestrzeni 2,54 mm podzielonej przez 288, co daje odleg艂o艣膰 oko艂o 9 mikrometr贸w. Je偶eli inny uk艂ad optyczny daje podgl膮d pojedynczej kulki w obszarze 1,27 mm i rozdzielczo艣膰 na poziomie 200 par linii, to mo偶liwa jest obserwacja struktur wyra藕nie mniejszych, na poziomie 6 mikrometr贸w. Oczywi艣cie w takim przypadku u偶ytkownik b臋dzie widzia艂 znacznie wi臋cej szczeg贸艂贸w obrazu. Szczeg贸艂y s膮 艂atwe do zaobserwowania, je偶eli analizowany obiekt jest dobrze widoczny. W przypadku uk艂ad贸w BGA powinna by膰 widoczna dolna i g贸rna cz臋艣膰 po艂膮czenia lutowanego (rysunek 4 / system optyczny 1, rysunek 6). Dopasowanie do cyklu produkcyjnego Inspekcja wizualna uk艂ad贸w BGA powinna by膰 zawsze kompatybilna z wymaganiami ESD (szczeg贸lnie w przypadku u偶ycia uk艂ad贸w typu CMOS). Modu艂y wykonywane na p艂ytkach drukowanych wielowarstwowych mog膮 by膰 por贸wnywalne cen膮 z warto艣ci膮 urz膮dzenia do inspekcji wizualnej. Ochrona obwod贸w drukowanych tego typu powinna by膰 w zak艂adzie produkcyjnym spraw膮 priorytetow膮. Z drugiej strony obs艂uga urz膮dzenia musi by膰 prosta, niezawodna i 艂atwa do zrozumienia. Dopasowanie g艂owicy inspekcyjnej do pracy w 艣rodowisku produkcyjnym zale偶y od przewidywanych nara偶e艅. Pewne systemy inspekcji wymagaj膮 bezpo艣redniego kontaktu niezabezpieczonej g艂owicy optycznej lub szklanego lustra z p艂ytk膮 drukowan膮. System optyczny wyposa偶ony w delikatne pryzmaty i lustra mo偶e zosta膰 w takim przypadku stosunkowo 艂atwo uszkodzony, co prowadzi do utraty obrazu i kosztownej naprawy. Problem nie jest rozwi膮zany tak偶e przez zastosowanie pozornie 艂atwych w demonta偶u g艂owic wymiennych. Optymalnym rozwi膮zaniem staje si臋 w takim przypadku raczej zastosowanie g艂owic ze zintegrowanym, odpornym na uszkodzenia pryzmatem. Wersja przedstawiona na rysunku 2d mo偶e by膰 zdecydowanie 艂atwiej zabezpieczona przed uszkodzeniami mechanicznymi ni偶 wersja zaproponowana na rysunku 2c, poniewa偶 powierzchnia kontaktu w przypadku przedstawionym na rysunku 2c jest zdecydowanie wi臋ksza, a do艂膮czenie mechanizmu chroni膮cego g艂owic臋 by艂oby zdecydowanie trudniejsze i zajmowa艂oby wi臋ksz膮 przestrze艅. Rysunek 6. Zewn臋trzna kulka uk艂adu BGA z widocznym dolnym i g贸rnym po艂膮czeniem. 漏 ERSA Zalet膮 dobrze zabezpieczonych g艂owic optycznych jest prawdopodobie艅stwo zniszczenia bliskie zeru, bez ryzyka zniszczenia przy prawid艂owym u偶ytkowaniu. Ma艂e ryzyko uszkodzenia daje dodatkow膮 mo偶liwo艣膰 g艂臋bszego opuszczenia g艂owicy wizyjnej. W efekcie uzyskuje si臋 mo偶liwo艣膰 dok艂adnej analizy p艂askich kolumn w obudowach typu CSP lub przyrz膮d贸w montowanych w technologii flip-chip. Koszty kontra korzy艣ci Inwestycja w system kontroli optycznej jest kompensowana przez mo偶liwe korzy艣ci wynikaj膮ce z korzystania z takiego systemu jak dok艂adna detekcja b艂臋d贸w monta偶owych i zwi膮zane z tym oszcz臋dno艣ci, kt贸re w sumie sprawiaj膮, 偶e inwestycja szybko si臋 zwraca wraz z kosztami eksploatacji urz膮dzenia i serwisu. Zakup systemu kontroli wizyjnej jest rzeczywi艣cie op艂acalny, je偶eli urz膮dzenie skutecznie wykrywa typowe dla monta偶u uszkodzenia i nieprawid艂owo艣ci. Je偶eli system jest oferowany ze wspomagaj膮cym u偶ytkownika odpowiednim oprogramowaniem do analizy i przetwarzania obrazu, to reakcja na b艂臋dy pojawiaj膮ce si臋 w trakcie monta偶u mo偶e by膰 znacznie szybsza i wydajniejsza. Analiza koszt贸w zakupu powinna z pewno艣ci膮 uwzgl臋dnia膰 koszty odpad贸w produkcyjnych i warto艣膰 dodan膮 wiedzy zwi膮zanej z zastosowaniem systemu w badaniach i rozwoju produkt贸w. Amortyzacja koszt贸w mo偶e zosta膰 zoptymalizowana, je偶eli system jest wystarczaj膮co elastyczny i mo偶e by膰 u偶ywany do r贸偶nych zada艅, np. do inspekcji od g贸ry. Szacowanie koszt贸w posiadania urz膮dzenia powinno uwzgl臋dnia膰 koszt g艂owic optycznych, kt贸re s膮 jednak nara偶one na uszkodzenia nawet w przypadku niezwykle odpornych konstrukcji. Inwestycja w system ze s艂abo chronionymi g艂owicami mo偶e by膰 niezwykle kosztowna. Reasumuj膮c, skuteczna kontrola uk艂ad贸w BGA w celu poprawy procesu wymaga bez w膮tpienia u偶ycia wydajnych system贸w inspekcji. Szczeg贸艂owa wiedza dotycz膮ca poszczeg贸lnych element贸w sk艂adowych systemu inspekcji wraz z rzeteln膮 demonstracj膮 mo偶liwo艣ci systemu na konkretnych obiektach, daje tak naprawd臋 dopiero dobr膮 podstaw臋 do podejmowania decyzji o inwestycjach w system inspekcji wizualnej. Artyku艂 zosta艂 opublikowany dzi臋ki uprzejmo艣ci firmy PB Technik
reklama
reklama
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
February 22 2019 14:26 V12.2.6-2