Nanomex - więcej niż liczenie czarnych kropek

Odwiedzając krajowe firmy z branży elektronicznej, można odnieść wrażenie, że jesteśmy w zapewnianiu wysokiej jakości produkcji elektroniki światowym potentatem. Częsty slogan "100% kontroli i zero zwrotów" - brzmi prawie jak reklama banku oferującego duże pieniądze z małą ratą. W obu przypadkach czar pryska podczas konfrontacji zapewnień z rzeczywistymi działaniami, gdyż większość procedur kontroli urządzeń w produkcji opiera się na wykorzystaniu automatycznej inspekcji optycznej (AOI) bądź, rzadziej, elektrycznej.

O wadach tej pierwszej nie trzeba specjalnie pisać, ponieważ sama specyfika weryfikacji wizualnej powierzchni jest obarczona dużymi ograniczeniami w zakresie efektywnego testowania. Testy elektryczne i funkcjonalne powszechnie są uznawane za kompletną kontrolę układów elektronicznych, aczkolwiek wnioskowanie jest tutaj oparte jedynie na obserwacji urządzenia przez krótki czas. Po półgodzinnym badaniu produktu, ten ostatni otrzymuje gwarancję na dwa lata, pomimo że istnieć może w nim ukryta wada.

Najprostszym przykładem wad ukrytych mogą być zimne luty w układach typu BGA, które sprawiają, że połączenie ma słabe właściwości mechaniczne oraz niską odporność na korozję. Takie połączenie często nie wytrzymuje naprężeń, drgań, zmian temperatur powstających podczas normalnej pracy urządzenia.

Aby mieć pełny obraz naszej bezsilności w stosunku do wad ukrytych, warto wymienić również nierzadkie wady konstrukcyjne komponentów, rozwarstwienia i inne defekty płytek drukowanych czy też częściowe nieprzetopienie pasty lutowniczej. Co gorsza, w przypadku odebrania wadliwego urządzenia z komponentem BGA, serwis jest zmuszony wylutować ten układ do oceny, czy wymaga on naprawy. Jest to niełatwe, czasochłonne i ryzykowne. Stąd w takiej sytuacji wielu producentów zastanawia się nad technologiami pozwalającymi zajrzeć pod układ BGA przed przystąpieniem do jakichkolwiek działań.

Jakie możliwości testowania proponuje firma GE?

Rys. 1. Połączenia lutowane typu BGA przy pochyleniu 60 stopni

Odpowiedzią firmy General Electric na takie problemy są urządzenia dostosowane do różnych potrzeb odbiorców - od małego o nazwie Xaminer, przez przytoczony w tytule Nanomex, aż po Vtomex L zawierający lampę zasilaną napięciem 450 kV, pozwalającą na niemal dowolne wizualizacje wnętrza układów za pomocą techniki CT (tomografia komputerowa).

GE znajduje się w czołówce światowych firm produkujących urządzenia do testowania za pomocą promieniowania X i jest jedną z najbardziej rozpoznawalnych marek - powodem jest jej innowacyjność. Produkty tej firmy nigdy nie były kopią czyjegoś pomysłu, większość elementów konstrukcyjnych jest tworzona w ramach firmy i sygnowana własnym logo. Firma ma doświadczenie i renomę w takich kluczowych branżach jak lotnicza, motoryzacyjna, R&D, gazownicza i elektroniczna.

Wnętrze jest najważniejsze

Rys. 2. Połączenia lutowane typu BGA przy pochyleniu detektora 45 stopni

Platforma testująca Nanomex bazuje na autorskiej konstrukcji GE z lampą typu open tube. Oznacza to, że jej żywotność jest nieograniczona, gdyż każdy z elementów składowych można wymieniać samodzielnie po odpowiednim przeszkoleniu. Taka budowa gwarantuje ponadto lepszą rozdzielczość oraz większe powiększenie w porównaniu z typową budową lampy typu close tube.

Nanomex wykorzystujący lampę typu nanofocus zapewnia rozpoznanie obiektów o wielkości przekraczającej 0,2 µm, dając przy tym powiększenie rzędu 24 tys. razy! Aby uzyskać tak wyśrubowane parametry, urządzenie zawiera próżniową pompę turbomolekularną, utrzymującą wewnątrz lampy ciśnienie rzędu pojedynczych nanobarów.

Jest to istotne, gdyż każde zderzenie przyśpieszonego elektronu z atomem powietrza powoduje utratę mocy oraz powoduje rozpraszanie się wiązki promieniowania X. Każda osoba próbująca swoich sił w fotografii wie, że w trudnych warunkach oświetleniowych zdjęcia wychodzą nie najlepsze, gdy robimy je słabej jakości aparatem. Matryca przechwytująca promieniowanie X nie różni się znacząco swoją budową od tradycyjnej matrycy światłoczułej aparatu fotograficznego.

Rys. 3. Połaczenia bondowane

Różnica polega na dodaniu do tradycyjnej matrycy wydajnego pokrycia z materiały scyntylacyjnego, zapewniającego konwersję promieniowania X na zakres widzialny. Matryca DXR stosowana w omawianym urządzeniu wraz ze standardową matrycą CCD gwarantuje wysoki współczynnik sygnału do szumu, co uzyskano dzięki specjalnej konstrukcji każdego pojedynczego piksela matrycy, w której zapewniono, że aż 80% powierzchni sensora zajmuje warstwa światłoczuła. Dodatkowo wydajne przetwarzanie obrazu zapewnia możliwość rejestracji 30 klatek/sekundę. W żadnym tradycyjnym aparacie fotograficznym nie zastosowano równie zaawansowanej technologicznie matrycy światłoczułej. Zresztą efekty można ocenić samemu na załączonych zdjęciach.

Aby zapewnić prawidłowe zobrazowanie nie tylko komponentów BGA, ale i w obudowach QFP, QFN czy podzespołów wersji do montażu THT, których inspekcja w osi prostopadłej do płytki nie ma sensu, firma GE zapewnia dodatkowe możliwości analizy.

4D? 5D?

Rys. 4. Różnica pomiędzy obrazem z i bez funkcji Flash!Filter

Czy powyższe zdjęcia nie zachwycają ilością informacji prezentowanych w jednym ujęciu? Czwartym wymiarem jest nic innego jak pochylenie (ang. tilt), a piątym obrót. Dzięki tym funkcjom możliwa jest dokładna kontrola wypełnienia wnętrza komponentów THT, sprawdzenie lutowia w obudowach QFN czy kontrola mikropołączeń.

Automatyka

Nanomex jest maszyną półautomatyczną, gdyż zakres obowiązków użytkownika ogranicza się praktycznie tylko do czynności konserwacyjnych, włożenia płytki PCB oraz napisania prawidłowego programu. W tym obszarze z pomocą programiście przychodzą udostępniane przez producenta moduły automatycznej inspekcji:

• bga module - analiza układów BGA,
• qfp module - analiza układów QFP,
• mlf module - analiza mikropołączeń,
• pth module - analiza połączeń przewlekanych,
• vc module - analiza połączeń lutowanych,
• ws module - analiza układów scalonych,
• CAD-IN - możliwość importu pliku CAD.

Zobaczyć więcej to zrozumieć więcej

Rys. 5. "Zobacz więcej" na przykładzie układu BGA

Każdy z nas z pewnością widział różnicę pomiędzy zdjęciami przed i po obróbce graficznej. Niby prezentują one to samo, a jednak odbiór zdjęcia po dwóch godzinach obróbki na komputerze jest zdecydowanie lepszy. A gdyby tak wspomóc ludzkie oko i uprzyjemnić obraz otrzymany z Nanomexa? Flash!

Filter to oprogramowanie, które pozwala nałożyć filtr wyostrzający na obraz przy podglądzie na żywo! Nie traci się przy tym żadnych informacji i proces ten nie spowalnia pracy całego systemu. Dzięki Flash! Filter operator jest w stanie dostrzec więcej szczegółów, co przełoży się na lepsze wyniki automatycznej inspekcji. Różnice można ocenić samemu.

Podsumowanie

Wyposażenie linii produkcyjnej w urządzenie X-ray daje ogromne możliwości inspekcji i jednocześnie duże oszczędności czasu, materiałów i reklamacji. Jednocześnie omawiane urządzenia to zaawansowane maszyny, o dopracowanym oprogramowaniu i dające niemal nieograniczone możliwości inspekcji tego, czego nie można zobaczyć przy inspekcji wizyjnej. Jest to zdecydowanie więcej niż liczenie czarnych kropek.

Jakub Karpowicz
PB Technik Sp. z. o.o.
www.pbtechnik.com.pl