Výrobce DPS využívá rentgenovou inspekci v zařízení příští generace

Výrobci desek plošných spojů používají obvykle řadu různých nástrojů pro kontrolu kvality. Patří k nim testery typu „flying probe“, automatizovaná optická kontrola kamerou nebo rentgenová zařízení atd. Jen velmi málo výrobců ve Velké Británii se však může pochlubit tak sofistikovanými možnostmi rentgenové inspekce, jaké má společnost Newbury Electronics, která si počátkem roku 2014 zakoupila zařízení Nikon Metrology XT V 160.

Pouzdra BGA a plochá pouzdra QFN patří ke dvěma prvkům na DPS, jež vyžadují pečlivou inspekci. Při kontrole moderních pouzder BGA spočívá hlavní problém především v tom, že jsou stále rozsáhlejší, mají menší rozteče a menší průměr kuliček. Bývají osazena tak těsně k povrchu desky, že je mezi nimi příliš malá mezera, než aby bylo možné provádět vizuální kontrolu.

Firma Newbury Electronics používala dříve pro přístup ke kontrolovaným místům desky endoskop, což bylo u malých, základních zařízení sice účinné, ale časově náročné. Tato technika byla bohužel čím dál méně praktická, neboť bylo stále obtížnější umístit endoskop na desce tak, aby nebyl blokován součástkami, které pouzdro BGA vždy obklopují. Navíc kvůli menší velikosti desky nebylo někdy vůbec možné kontrolní zařízení použít. Dokonce i v případě, že zařízení bylo možné správně umístit, bylo také stále obtížnější dohlédnout dost daleko mezi řadami kuliček. Když zákazníci vrátili vadné desky, musela je Newbury Electronics zaslat jinam na rentgenovou analýzu. Ta stála zhruba 100 liber a obvykle trvalo tři dny, než deska podstoupila rentgenovou kontrolu, chyba byla napravena a další rentgenová analýza potvrdila, že deska byla zcela opravena.

V Newbury Electronics jsou vyráběny hlavně prototypové desky a velmi malé série, nedávno ale společnost získala zakázky, které se týkaly mnohem větších objemů. Například firma Bare Conductive, která vyvinula elektricky vodivé barvy, zadala společnosti Newbury Electronics výrobu 15 tisíc desek pro své kity. Firma Senceive, která vyrábí rádiově propojené senzory detekující pohyb v terénu a v budovách, potřebuje ročně také tisíce desek.

Rentgenový stroj byl pro kontrolu kvality těchto větších objemů desek jediným reálným řešením, přičemž pan King, ředitel společnosti, prováděl několik let průzkum trhu. Když došlo na výrobu zvláště problematické desky plošných spojů s pouzdry BGA, bylo po návštěvě nedaleké továrny rozhodnuto o investici do stroje XT V 160 od společnosti Nikon Metrology. Tento rentgenový stroj poskytuje velkorysý skenovací prostor o velikosti 400 × 400 mm, který je dostatečně velký pro většinu desek, a jeho komplexní specifikace zahrnuje kontrolní a analytický software.

Pan King k tomu uvedl: „Rentgenová zařízení nejnižší kategorie jsou sice levná, ale poskytují natolik špatný obraz, že jsou prakticky nepoužitelná, zejména s ohledem na čím dál větší miniaturizaci pouzder BGA. Věděli jsme, že v dohledné době budeme kupovat pouze jeden rentgenový stroj, a tak jsme se rozhodli vybrat velmi výkonný model od společnosti Nikon s proměnným zvětšením, detektorem s naklápěcím plochým panelem a výkonným rentgenovým zdrojem 160 kV / 20 W, který se běžně používá pro kontrolu DPS u vyšších tříd.“

Zařízení musí běžet s nejvyšším výkonem pouze na nejhustších vícevrstvých DPS, aby mohlo vygenerovat využitelný obraz. Příkladem je deska, kterou firma Newbury Electronics vyrábí pro řízení vodíkových palivových článků v elektrických motorkách. Vzhledem k tomu, že tyto desky obsahují 2 500 komponentů a jsou zvláště citlivé na kvalitu, jsou 100% kontrolovány pomocí systému Nikon Metrology.

Ačkoli má stroj vysoký poměr mezi výkonem a cenou, nebyl to jediný faktor, který bylo potřeba vzít v úvahu před jeho zakoupením. Také rentgenový výstup musel být neobyčejně stabilní, jinak by šum zhoršoval obraz. Jedním z důvodů, proč bylo vybráno zařízení XT V 160, byl jeho nanofokální rentgenový bodový zdroj a pokročilé funkce pro zpracování obrazu. Zaměření elektronového paprsku je udržováno počítačově řízenou elektromagnetickou čočkou, která zajišťuje, že nedochází k přehřátí cíle při současném zachování velikosti bodů, a to ani při použití vysokých hodnot napětí. Tyto funkce jsou nezbytné, pokud mají být identifikovány potenciální vady, a to zejména v propojeních a pouzdrech součástek příští generace.

Inspekce pouzder BGA usnadněná pohybem zafixované části desky

Při pohledu na pájené spoje pouzder BGA musí mít obsluha volný výhled na kuličkový spoj, který kontroluje. Toho je obvykle dosaženo současným nakláněním a otáčením při skenování v řádcích, kuličku po kuličce. Stroj XT V 160 umožňuje použít tuto funkci pomocí ovládání jedné osy místo obvyklého způsobu, kdy je nutné manipulovat se třemi osami. Obsluha se tak může lépe soustředit na inspekční proces, než aby se věnovala vedení stroje. Skutečné soustředné zobrazování usnadňuje otáčení obrazu o 360 stupňů kolem daného místa, na které je inteligentně zafixováno. Poté, co je určitá oblast DPS identifikována a umístěna do středu obrazovky, zůstává pevně na svém místě bez ohledu na to, jaký je aplikován náklon, natočení nebo zvětšení. To je při kontrole kuliček pouzder BGA obrovská výhoda a nevyžaduje to žádné speciální dovednosti ani školení.

Vynikající rozlišení a zvětšení přináší skvělé výsledky při identifikaci závad. Rentgenový zdroj je určen pro sestavy DPS, které mají být umístěny do vzdálenosti 250 mikrometrů od ohniska, což umožňuje až 2 400násobné zvětšení. Desku lze prohlížet v ostrých úhlech až 75°, což umožňuje čisté zobrazení spojů a průchozích otvorů při zachování dostatečné rentgenové energie. Dále jsou k dispozici speciální analytické funkce pro kontrolu dutin v pouzdrech polovodičů, bondování a kontaktovacích kuliček pouzder BGA.

Nízké provozní náklady

Jakmile byla stanovena úroveň schopností, které firma Newbury Electronics požadovala, zúžilo se hledání jen na několik potenciálních dodavatelů rentgenových strojů. Důležitým rysem zařízení Nikon Metrology, který nakonec rozhodl o výběru stroje XT V 160, bylo, že i když se jedná o vysoce výkonný stroj, je koncipován jako otevřená trubice. Díky tomu může být vlákno produkující elektronový paprsek vyměněno každých šest až devět měsíců za méně než 10 liber. U modelů s uzavřenou trubicí je vždy po několika letech nutné pozvat výrobce, aby trubici obnovil, což představuje náklady až 15 tisíc liber. To by bylo vzhledem k době životnosti stroje nepřijatelné. Výměna vlákna v závodu snižuje prostoje na několik minut místo několika dní.

Nižší náklady mají nejen výrobci DPS, ale také jejich zákazníci. Díky schopnosti společnosti Newbury Electronics osazovat složitá zařízení s jistotou, že rentgenové testy odhalí případné chyby, snížily se režijní náklady podniku a výdaje za tyto desky až o 70 %. Podle ředitele společnosti to dokazuje také jejich on-line kalkulačka nákladů na výrobu DPS (www.PCBtrain.co.uk).

Počítačová tomografie rozšiřuje univerzálnost

Plochý panel rentgenového stroje XT V 160 byl dodán včetně volitelné možnosti inspekce pomocí počítačové tomografie (CT). CT vytvoří 3D obraz z několika 2D rentgenových paprsků pořízených z řízeného úhlového rotačního skenování, pomocí něhož může obsluha 3D obraz v podstatě otáčet a rozřezat. Další funkce dokládají vhodnost investice i pro budoucnost v případě, že bude vyžadováno úplné grafické 3D zobrazení, nebo pokud desky začnou být natolik složité, že standardní 2D obraz na obrazovce nebude dostačující pro účely kontroly kvality.

Bezchybné dodávky sestav DPS

Od začátku využívání zařízení XT V 160 neměl výrobce ani jednu reklamaci desky s osazenými pouzdry BGA. Podle pracovníků je systém stejně dobrý i při hledání chyb a zkratů v pájených spojích pouzder QFN, které se obtížně kontrolují, protože jsou spoje skryté pod součástkami. Technici byli zpočátku skeptičtí, ale velmi rychle změnili názor, protože mohli vidět výsledky během několika sekund místo toho, aby několik dní čekali na výsledky z pobočky.

Kromě inspekce elektroniky je zařízení vhodné i pro rentgenovou a CT kontrolu různých drobných komponent, jako jsou mikro-elektro-mechanické systémy používané ve spotřební elektronice, včetně chytrých telefonů, jakož i měřičů zrychlení, snímačů tlaku nebo gyroskopů. Kontrola malých kabelů, svazků, plastových dílů, LED světel, přepínačů a lékařských součástí je také jednoduchá.