Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Пятница, 19 июля
 
 


Это интересно!

Новости

Россиян перестанут сажать за GPS-трекеры и якобы шпионские фотокамеры


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Автоматическая сборка печатных узлов в условиях единичного производства — теперь реальность

Высокая степень автоматизации сборки опытных образцов, работа с компонентами из россыпи, производство единичных партий в условиях мелкосерийного производства — решение всех этих задач стало возможным после создания автомата PlacePro компании Fritsch.

Мотивация сотрудников. Психологические аспекты (продолжение)

Автор предлагает тему, начатую в предыдущем номере журнала «Производство электроники», — мотивация как движущая сила поведения всех людей в организации, от руководства до рядовых сотрудников.

Проект PCB 2010

Время вывода изделия на рынок сегодня представляет собой критическую величину. Проект PCB 2010 ставил своей целью моделирование всего цикла запуска — от проектирования до испытаний прототипа и преднамеренно носил открытый характер для широкого обсуждения всех аспектов создания современного устройства, включая самые сложные. Помимо базовой модели устройства были испытаны и его альтернативные варианты.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

16 апреля

Визуальный контроль BGA-компонентов. Выбор оптимальных технических параметров

Настольные системы оптической инспекции компонентов в корпусах BGA предназначены для визуального контроля качества оплавления шариковых выводов микросхем. Они позволяют оператору получить четкое и реальное изображение результатов оплавления, а также предлагают базовый набор инструментов для оценки дефектов пайки и внесения корректив в технологический процесс с целью повышения качества монтажа микросхем. В статье рассматриваются наиболее важные технические характеристики, гарантирующие успешную работу такой системы контроля.



В число основных компонентов системы оптической инспекции входят: специальный штатив с подвижным столиком, модуль освещения, оптический модуль, система записи и обработки изображения и видеомонитор (см. рис. 1). Качество всей инспекционной системы относительно обнаружения дефектов, удобства в работе и гибкости настроек, главным образом, зависит от согласованности взаимодействия указанных узлов между собой.

Рис. 1. Основные компоненты системы визуального контроля BGA-компонента: 1) штатив с подвижным столиком; 2) модуль освещения; 3) оптический модуль; 4) система записи и обработки изображения; 5) видеомонитор

Конструкция системы.Важные аспекты

Визуальная система во время работы должна помогать выявлять мельчайшие (30 мкм и меньше) структуры и дефекты, для чего используются весьма высокие увеличения (до 300 крат). Поэтому модуль с оптической насадкой должен базироваться на надежном, механически устойчивом штативе, т.к. даже малейшие вибрации системы могут вызвать большие погрешности при получении и обработке изображений. По этой же причине разного рода операции контроля, выполняемые оператором, что называется, «на весу», просто физически не могут обеспечить высокое качество, повторяемость и надлежащий уровень инспекции. Конструкция самого столика должна позволять оператору работать с печатными узлами (ПУ) достаточно большого размера. При этом одним из требований к столику является обеспечение плавного и удобного перемещения любой области ПУ в зону доступа для оптической насадки.

Процесс визуальной инспекции BGA-компонента, смонтированного на ПУ, представляет собой перемещение компонента при помощи подвижного столика вдоль неподвижной оптической насадки, во время которого происходит передача увеличенного изображения рядов шариковых выводов на монитор. При зазоре порядка 50 мкм между ПП и корпусом компонента движение столика должно быть предельно плавным и прецизионным. С другой стороны, после завершения инспекции одного компонента необходимо, чтобы столик достаточно быстро перемещал другой компонент на ПУ в зону инспекции. Поэтому столик должен иметь как тонкую, так и грубую подстройку перемещения, а оптическая насадка — иметь возможность вертикального подъема, чтобы не задеть другие компоненты, расположенные на ПУ, при движении столика от одного инспектируемого компонента к последующему. В такой комбинации оператор получает универсальное и надежное решение по визуальному контролю качества пайки шариковых выводов.

Стоит заметить, что оценка монтажа компонентов в корпусах BGA является только одним из направлений при визуальном контроле ПУ и было бы неправильно рассматривать подобные системы только для одного типа задач. Как показывает практика, используемость системы тем выше, чем выше ее гибкость при подстройке под определенные задачи визуального контроля.

Контроль паяных соединений (чип-компоненты, QFP-микросхемы и пр.), разъемов, отверстий ПП, менисков пайки и т.д. так же актуален, как и контроль качества монтажа корпусов BGA. Решение этих и многих других задач с помощью одной системы визуального контроля осуществимо, если оптический модуль имеет не только различные насадки (для определенного вида корпусов и способов наблюдения) (см. рис. 2), но и возможность поворота и наклона всей оптической системы.

Кроме того, гибкость важна не только с точки зрения механики конструкции, но и с точки зрения обработки изображения камерой и программным обеспечением (ПО). Возможность замены одной камеры ПЗС на другую, более новую, или на тринокулярный микроскоп, оснащение дополнительными светофильтрами, возможность обновления ПО для работы с более совершенным преобразователем данных также существенно повышает гибкость работы системы.

Рис. 2. Различные виды насадок (Flip-Chip, BGA, прямого наблюдения)

Оптический модуль — основа визуальной системы контроля

Концепция построения работы современных визуальных систем контроля основана на способности данного оборудования работать с зазорами между корпусами и ПП порядка 50 мкм или менее (разумеется, если мы говорим о наблюдении под корпусом).

Для выполнения контроля при таких величинах оптическому модулю необходимо освещение, которое могло бы «огибать» вывод компонента. Этого можно добиться, если расположить зеркало, оптическую призму или дополнительный модуль освещения напротив насадки с другой стороны корпуса компонента. Сама же насадка должна иметь минимально возможные размеры, т.к. корпуса многих микросхем становятся все меньше, а выводы под корпусом располагаются очень плотно друг относительно друга.

На рисунке 3 схематично показан процесс инспекции BGA-компонента. При этом размер корпуса насадки подбирается, исходя из минимального расстояния между корпусом компонента и другими элементами на ПП. Ширина насадки должна быть такой, чтобы при прохождении вдоль корпуса компонента насадка не «задевала» соседние компоненты. Как правило, стандартные насадки проектируются из расчета: глубина ≈1,5 мм и ширина ≈5…6 мм. При этом высота насадки (для большинства ПМИ компонентов) задается ≈1 мм.

Рис. 3. Инспекция компонента в корпусе BGA

В любом случае, если с минимальными размерами насадок все более-менее понятно, то с точки зрения работы оптики и ее параметров все отнюдь не так просто. Если оператор хочет при инспекции шариковых выводов под BGA-компонентом получить четкое изображение всех шариков с первого до последнего ряда, оптический модуль системы должен обеспечивать качественную фокусировку по всей глубине компонента.

На рисунке 4 изображены две оптические системы. Голубым цветом показана область, которая при работе системы не попадает в фокус. Оптическая система №1 расположена предпочтительнее, чем №2, т.к. находится на минимальном оптически допустимом расстоянии. Даже если механически расположить насадку ближе, оптический модуль не сможет четко воспроизвести изображение оплавленных шариковых выводов. В то же время, расположение насадки на более далеком расстоянии не является трудной задачей, по крайней мере, пока это позволяет получать сфокусированное изображение. К тому же, более дальнее расположение насадки позволяет решить другую задачу: если центр «оптического конуса» насадки расположен выше корпуса компонента над платой, шарик оплавления будет виден не полностью (см. рис. 4-2). Отодвигая насадку дальше от компонента, мы уменьшаем т.н. «слепую» область, показанную красным цветом. Поэтому увеличение дистанции дает более качественное изображение. Однако ввиду того, что вокруг BGA-компонентов часто очень мало свободного места, хорошая насадка должна позволять получить качественное изображение, даже располагаясь практически вплотную к компоненту.

Рис. 4. Варианты расположения оптической насадки

Освещение для работы с изображением

Для визуализации объектов требуется дополнительный свет (подсветка). Он помогает сделать физически возможной инспекцию выводов и получить оптимальные результаты. «Физически невозможно» означает, что один ряд шариковых выводов закрыт другим, и самый дальний шариковый вывод не может получить достаточное освещение от оптической насадки (см. рис. 3).

Несмотря на эту проблему, современная система должна предоставлять полную информацию для оценки качества пайки, включая:

– поверхностную структуру шарикового вывода;

– его монтаж на контактной площадке;

– форму мениска;

– перемычки;

– наличие шариков припоя;

– остатки флюса и прочие дефекты.

Идеальным вариантом можно считать сочетание фронтального освещения насадки и задней подсветки. Фронтальная подсветка освещает ближайший ряд шариковых выводов и позволяет отлично оценить их поверхностную структуру, перемычки, мениски, а также такие наружные дефекты, как, например, микротрещины. Если же расположить оптический модуль с насадкой под небольшим углом к компоненту, то можно получить такие же хорошие результаты для расположенных следом шариковых выводов (ближе к центру).

Задняя подсветка во время инспекции освещает тыльную сторону шарика. В результате края и сама форма шарика «а» (см. рис. 3) видны четко и хорошо распознаваемы для оценки, изображение вывода на экране также выглядит более контрастным (см. рис. 5). Преимущества задней подсветки станут еще более очевидными, если поместить насадку между двух рядов шариковых выводов (см. рис. 6). Тогда задняя подсветка позволит проверить целый ряд выводов на наличие перемычек и отсутствие каких-либо остатков флюса. Если оптический модуль имеет широкий диапазон фокусировки, оператор рассматривает каждый из горизонтальных рядов, а с помощью задней подсветки — дальние выводы, расположенные за центральными (пример: световой луч на центральный шарик i, см. рис. 3, 5). Таким же образом можно оценить форму, мениски и прочие характеристики или дефекты.

Рис. 5. Шариковый вывод BGA-компонента с хорошо различимыми границами пайки

Рис. 6. Фокусировка на шариковых выводах под центром корпуса BGA

При необходимости проинспектировать последовательно все ряды выводов оператору следует плавно перемещать столик с ПП вдоль оптического модуля с насадкой (см. рис. 3). Как видно из рисунка, отраженный свет от задней подсветки позволит инспектировать шариковые выводы у центра компонента, в то время как проникающий снаружи свет будет блокироваться рядом расположенными шариками.

Качество изображения

Качество изображения, анализируемое оператором при работе с инспекционной системой, зависит от многих переменных. При этом важны не только значения этих переменных, но и их сочетание. Работа оптической насадки, алгоритм построения изображения при фокусировке на объекте, его детализация, разрешение, интенсивность дополнительной подсветки — все эти факторы в равной степени важны.

Кроме того, качество изображения зависит от работы системы обработки видеоизображений. Такие параметры как адаптация оптики под камеру, разрешение ее матрицы, работа карты видеозахвата, наконец, разрешение монитора просмотра изображения, вносят, безусловно, весомую лепту в создание качественного изображения.

Другими словами, пользователю необходимо найти подходящее сочетание параметров, позволяющее проводить качественную инспекцию, при которой можно было бы получить высокий уровень распознавания даже для мельчайших структур.

К примеру, очень важно сочетание рабочих параметров оптики и ПЗС-камеры. Как правило, при построении работы этих двух модулей в паре почти всегда больше всего внимания уделяется модулю ПЗС-камеры, в то время как требования к оптике закладываются не столь высокие. На практике же именно по оптике определяется качество изображения на экране, и работа камеры никоим образом не сможет компенсировать этот недостаток.

Точно так же ПЗС-камера с низким разрешением и высоким уровнем шума матрицы не сможет сформировать на экране качественное изображение объекта, даже если оптика в данном тандеме сделала свою работу превосходно.

Одним из самых простых тестов по определению качества формирования изображения является просмотр тестовой пластины с нанесенными линиями. Критерий оценки — количество надежно распознаваемых на экране линий. Такой тест хорошо иллюстрирует, что кроме параметров настройки оптики и ПЗС-камеры очень важно подобрать освещение, т.к. количество видимых линий уменьшается в геометрической прогрессии с уменьшением освещенности.

Помимо этого, не стоит забывать, что объект должен быть не только хорошо распознаваемым, но и полностью виден на экране. Если оператору требуется, например, проинспектировать два шариковых вывода BGA диаметром 1,27 мм, то поле обзора системы должно быть не менее 2,54 мм. В данном примере разрешение в 288 линий означает следующее: в горизонтальной плоскости длиной 2,54 мм умещаются 288 хорошо распознаваемых линий, и можно инспектировать структуры порядка 8,8 мкм. Если для тех же шариковых выводов диаметром 1,27 мм применить другую оптическую систему с разрешением в 200 линий, оператор сможет рассмотреть структуры только лишь порядка 12,7 мкм и более. Разумеется, детализация объекта во втором случае будет существенно ниже, но вопрос использования той или иной оптики (с соответствующей разрешающей способностью) решается в зависимости от величины инспектируемых объектов: как правило, чем больше окно, тем меньше разрешение. Единым условием для приведенных выше примеров является то, что объект (в данном случае, шариковый вывод) должен быть полностью виден на экране (с верхним и нижним паяными соединениями) (см. рис. 7 (1-я система), 8 или 9).

Рис. 7. Положение оптической насадки

Рис. 8. Оценка плохой смачиваемости на выводах

Рис. 9. Оценка дефекта вследствие недостаточного нагрева

Использование на производстве

Когда мы говорим о применении систем визуального контроля BGA-компонентов на производстве, необходимо учитывать ряд крайне важных аспектов, от которых зависит безопасность как системы контроля, так и печатного узла (изделия), в частности.

Прежде всего, следует решить вопрос антистатической защиты (см. рис. 10). Антистатическое исполнение является для такого оборудования почти обязательным. В крайнем случае, система должна позволять работать с ней с использованием приборов личной антистатической защиты. Достаточно часто BGA-компоненты применяются на печатных узлах, суммарная стоимость которых почти соизмерима со стоимостью системы. Нерешенный вопрос антистатической защиты может привести к существенным затратам, если придется проводить трудоемкий ремонт с заменой дорогостоящих компонентов.

Рис. 10. Инспекция микросхем в корпусах BGA, CSP и пр. требует наличие антистатической защиты

Но не только печатному узлу необходима защита. Оптическая насадка и вспомогательная оптика также должны быть защищены от случайных повреждений. На рисунке 11 представлены варианты зеркал и зеркальных призм, которые применяют разные производители при создании систем визуального контроля. Как правило, почти все бюджетные версии систем контроля BGA-компонентов используют призмы и зеркала, показанные на рисунках 11a, б и в. На рисунке видно, что для таких решений применяются стандартные и самые простые (и как правило, недорогие) призмы и зеркала. Однако из этих схем также видно, что данные решения имеют свои ограничения в работе (из-за размеров зеркал и призм) и могут быть легко повреждены при случайном контакте с печатным узлом. Особенно высока вероятность повреждения при контроле CSP и Flip-Chip-компонентов. При повреждении таких элементов как призмы или зеркала ремонт всегда проводится методом замены неисправной детали.

Рис. 11. Варианты хода излучения в оптической насадке (голубой — изображение; желтый — подсветка)

Некоторые производители в своем желании сэкономить идут еще дальше и применяют не стекло, а пластик — так дешевле. Кроме того, при этом вероятность сколов и повреждений ниже, чем у оптического стекла. Увы, последствия от применения такого рода оптики конечный пользователь сможет ощутить только лишь спустя некоторое время после приобретения.

Пожалуй, самое оптимальное решение для работы призмы и вспомогательного освещения показано на рисунке 11г. В таком исполнении призма имеет небольшие размеры и может быть достаточно эффективно защищена от механических повреждений благодаря своей форме. Дополнительное освещение обеспечивается не зеркалами, а гибкими «световыми кистями». Конечно, тот же вариант можно оснастить дополнительной защитой призмы. Но, во-первых, это сложно реализовать технически из-за возможной нехватки дополнительного освещения; во-вторых, в случае применения дополнительной защиты такие насадки будут иметь большие ограничения на платах с плотным монтажом и при проверке таких компонентов как CSP-микросхемы. В то же самое время, вариант «г» позволяет не только легко управлять направленностью и интенсивностью вспомогательного освещения, но и опускать оптический модуль максимально низко, что дает особые удобства при работе с компонентами Flip-Chip и CSP.

Стоимость системы

Оборудование для визуального контроля, как и почти любое другое, выбирается и комплектуется исходя из решений задач на конкретном производственном участке. При этом выбрать техническое решение без запаса по возможностям, что называется, «впритык», также является существенной ошибкой. Особенно это важно для предприятий с высокой номенклатурой из-
делий.

Исходя из сказанного, желательно комплектовать производство системой, рассчитанной на решение насущных задач и имеющей некоторый запас по техническим характеристикам и возможностям на перспективу. Это в равной степени касается как оптики и ПЗС-камеры, так и программного обеспечения (возможности его обновления и дооснащения).

Какова может быть стоимость такой системы визуального контроля? Ответить однозначно на этот вопрос сложно. В отличие от визуального контроля традиционных чип-компонентов, контроль BGA имеет немало технических особенностей. Некоторые из них ощутимо влияют на конечную стоимость оборудования, однако стоимость диагностики и локализации технологических дефектов, а также выпуск несоответствующей продукции может обойтись гораздо дороже. Давно известно, что чем на более ранней стадии техпроцесса обнаружился дефект, тем дешевле стоимость его устранения.

В России огромное количество предприятий имеет потребителей своей продукции не только по всей стране, но и в странах СНГ. Любой производитель может «сэкономить» при выборе оборудования для визуального контроля BGA, но затраты на устранение дефектов в гарантийный срок (с учетом командировок специалистов, трудоемкости проведения ремонтов или замены изделий на новые) могут существенно превысить стоимость первоклассного оборудования контроля.

Стоит ли так рисковать? Ответ на этот вопрос каждый руководитель должен дать сам.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Андрей Яковлев, lines@ostec-smt.ru



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты