SMT干貨 | X射線檢測在SMT貼片組裝中的作用

用于電路板組裝（PCBA）中的X射線檢測技術(shù)通常被稱為自動X射線檢測（AXI）技術(shù)，它是一種將X射線作為其來源的技術(shù)，用于檢測目標(biāo)物體或產(chǎn)品的隱藏特征。如今，X射線檢測被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，同時，X射線檢測技術(shù)也廣泛應(yīng)用于印制電路板檢測，尤其是組裝電路板。X射線檢測技術(shù)現(xiàn)已成為電路板組裝制造商進(jìn)行質(zhì)量控制的重要手段和方式之一。本文將從X射線檢測技術(shù)產(chǎn)生背景、X射線檢測原理、X射線檢測設(shè)備分類以及X射線檢測項(xiàng)目等方面詳細(xì)討論X射線檢測技術(shù)在電路板組裝過程中的重要性。

一、X射線檢測技術(shù)產(chǎn)生背景

近年來，隨著球柵陣列封裝（BGA），方形扁平無引腳封裝（QFN），倒裝芯片（flip chip）和芯片級封裝（CSP）等面陣列封裝廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信等各個領(lǐng)域，使得焊點(diǎn)隱藏在封裝下面，從而，傳統(tǒng)檢測設(shè)備在印制電路板檢測中發(fā)揮的作用受到了極大的挑戰(zhàn)甚至限制。另外，由于表面貼裝技術(shù)（SMT）的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，電子元器件封裝和引線都變得更小，印制電路板具有更高的密度，包含更多的隱藏焊點(diǎn)和埋孔或盲孔，包括光學(xué)、超聲波和熱成像在內(nèi)的傳統(tǒng)檢測方法已經(jīng)無法滿足當(dāng)代電子檢測要求。此外，隨著半導(dǎo)體元件封裝的小型化，元件的小型化趨勢也不容忽視。與其他檢測方法相比，X射線能夠滲入內(nèi)部封裝并檢測焊點(diǎn)質(zhì)量，這就是X射線檢測技術(shù)產(chǎn)生的背景。

二、X射線檢測技術(shù)原理

X射線具有顯著的特點(diǎn)，即材料吸收與其原子重量成比例的X射線量，并且所有材料根據(jù)其密度、原子序數(shù)和厚度不同，吸收不同量的X射線。一般來說，由較重元素制成的材料吸收更多的X射線并且容易成像，而由較輕元素制成的材料對于X射線更加透明。下圖即為X射線檢測樣圖。

 

由上圖可知，深黑色圖像是指由重元素組成的材料，而透明或相對白色的圖像是指由輕元素組成的材料。因此，X射線檢測擅長檢查隱藏的缺陷，包括開路、短路、錯位、電氣元件缺失等。

X射線檢測設(shè)備由以下三個元素組成：

a. X射線管

   X射線管能夠產(chǎn)生X射線。

b. 示例操作平臺

    示例操作平臺能夠與樣品一起移動，以便從不同的角度和放大倍數(shù)調(diào)節(jié)樣品，而且斜角檢查也可完成。

c. 探測器

    探測器能夠通過樣本捕捉X射線并將其轉(zhuǎn)換為用戶可以理解的圖像。

X射線檢測設(shè)備的工作原理都是通過X射線投影顯微鏡。首先，X射線發(fā)射管發(fā)射X射線，并穿過被檢測的電路板。然后，不同的材料根據(jù)材料和原子序數(shù)的不同而吸收不同量的X射線。最后，投影會在探測器上產(chǎn)生，密度越高，陰影越深。陰影程度將很大程度上靠近X射線管，反之亦然。

因此，理想的X射線檢測系統(tǒng)必須能夠產(chǎn)生清晰的X射線圖像，以提供缺陷分析過程中的信息。為了達(dá)到這個目標(biāo)，X射線檢測系統(tǒng)必須具有足夠的放大倍數(shù)來滿足當(dāng)前和未來的需求。此外，為了能夠分析球柵陣列封裝和芯片級封裝焊接質(zhì)量，X射線檢測系統(tǒng)必須能夠提供斜角檢測功能，以便更詳細(xì)地分析焊點(diǎn)在尺寸和厚度方面的信息。如果沒有這一功能，只能從電路板正上方對焊點(diǎn)進(jìn)行檢查，大量的檢測信息便會丟失或忽略。

三、X射線檢測設(shè)備分類

X射線檢測設(shè)備主要分為二維（2D）系統(tǒng)和三維（3D）系統(tǒng)兩大類。無論是二維還是三維系統(tǒng)，所有X射線檢測設(shè)備均可以脫機(jī)操作，除常規(guī)檢測外，設(shè)備還能夠進(jìn)行拼板檢測和抽樣檢測。離線設(shè)備便于在裝配線的任何階段對電路板進(jìn)行檢測，并且易于再次返回裝配線。有些X射線檢測設(shè)備是在線使用的，此時，大部分設(shè)備都放在回流焊接之后。選擇在線還是離線設(shè)備取決于應(yīng)用和檢查量。一般來說，在線設(shè)備適用于數(shù)量多、復(fù)雜程度高、基于額外成本和安全要素類型更改較少的應(yīng)用。不過，在線X射線檢測設(shè)備基本上是組裝生產(chǎn)線上進(jìn)行最慢的流程，會降低制造線容量。因此，即使在高容量應(yīng)用中，結(jié)合成本考慮，離線檢測設(shè)備也可用于進(jìn)行拼板檢查。

二維X射線檢測系統(tǒng)能夠同時顯示電路板兩面所有組件的2D圖像，這與用于檢查骨折情況的醫(yī)療應(yīng)用相類似。三維X射線檢測系統(tǒng)能夠通過重建一系列2D圖像從而生成截面圖像，這與醫(yī)療應(yīng)用CT一樣。除了橫斷面檢測之外，3D系統(tǒng)還有另一種功能，即層壓成像，通過組合橫截面積的圖像并從其他橫截面消除圖像以重建某個橫截面積的圖像來執(zhí)行檢查過程。2D系統(tǒng)可以在線或離線運(yùn)行，所以可以進(jìn)行X射線層析。但是，在線方法通常會花費(fèi)更多時間。具有CT功能的X射線檢測系統(tǒng)能夠脫機(jī)完成，因?yàn)樾枰S多2D圖像和復(fù)雜的算法，因此需要花費(fèi)幾分鐘的時間?？偨Y(jié)下來，CT型X射線檢查系統(tǒng)僅用于不太重要的專業(yè)研究分析應(yīng)用。其他2D和3D系統(tǒng)必須獲得最少時間和最佳圖像的特權(quán)，以降低檢測成本。

四、X射線管——X射線檢測設(shè)備的核心

作為X射線檢測設(shè)備的核心，X射線管的選擇對于最終檢測起到了至關(guān)重要的作用。目前，X射線管可以分為開放管和封閉管兩類。在選擇X射線管類型時，必須考慮以下因素：

a. 分辨率和使用壽命

    X射線管類型與檢測設(shè)備的分辨率和使用壽命相關(guān)，分辨率越高，用戶就會看到更復(fù)雜細(xì)膩的細(xì)節(jié)。如果目標(biāo)檢測的規(guī)模較大，那么選擇分辨率相對較低的設(shè)備時無關(guān)緊要。不過，就BGA和CSP而言，需要2μm或更小的分辨率。

b. 檢測目標(biāo)類型

    檢測目標(biāo)類型在影響樣品與X射線管焦點(diǎn)之間的距離方面發(fā)揮作用，最終將影響檢測設(shè)備的放大時間。檢測目標(biāo)類型主要有：穿透型和反射型。

c. X射線電壓和功率

    X射線管的穿透能力與電壓成正比。當(dāng)電壓較大時，可以檢查密度和厚度較高的物體。當(dāng)檢測目標(biāo)是單面板時，可以選擇低電壓設(shè)備。但是，當(dāng)檢測目標(biāo)是多層板時，需要高電壓。對于一定的電壓，圖像清晰度與X射線管功率成正比。

總而言之，X射線檢測技術(shù)為表面貼裝技術(shù)檢測方法帶來了新的革命，它被PCBA制造商視為進(jìn)一步提高組裝制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的最佳選擇。