Grundlagen und Spielarten der Röntgeninspektion

Transkript

1 Grundlagen und Spielarten der Röntgeninspektion Die Elektronikindustrie hat nach wie vor steigende Qualitätsanforderungen zu bewältigen. Dies sieht man insbesondere in der Automobilindustrie und in der Medizintechnik zwei Branchen, deren Bedeutung in Zukunft noch zunehmen dürfte. Bei der Meisterung der Qualitätsanforderungen spielt die Prüfung nicht sichtbarer Bereiche eine große Rolle. In erster Linie sind es Röntgeninspektionssysteme, welche für die geforderte hohe Produktsicherheit sorgen. Rückrufaktionen und Kundenreklamationen schädigen in nicht zu unterschätzendem Maße das Firmenimage. Die Kontrolle bestückter Leiterplatten ist hier das probate Gegenmittel. Die Röntgeninspektion verwendet im Gegensatz zur einfachen optischen Inspektion Röntgenstrahlung und erweitert dadurch den Prüfhorizont erheblich. Sie kennt heute eine Reihe verschiedener Spielarten, über die sich der Fachmann im klaren sein sollte. Denn seien es Kundenanforderungen für die Prüfung oder das künftige Einsatzgebiet der zu inspizierenden Baugruppen oder aber der Aufbau der Fertigungslinie all das sind Faktoren, nach denen das Konzept der Röntgenprüfung sorgfältig auszuwählen ist. Was kann die Röntgeninspektion? In jedem Falle handelt es sich um eine zerstörungsfreie Inspektion. Die Röntgeninspektion hat eine hohe Bedeutung für das Packaging und die Elektronikfertigung. Durch Nutzung der Röntgenstrahlung lassen sich innere Strukturen, wie Kontakte, Versatz, Lotbrücken, Lotabfluss, fehlerhafte Lötstellen oder fehlerhaftes Aufschmelzen des Lotes, nachweisen. Hier werden auch innere Bauteilstrukturen sichtbar. Das macht immer dann Sinn, wenn die Verbindungen zur Leiterplatte optisch nicht vollständig erfassbar sind, wie bei einigen Chipgehäusen. Typischerweise ist man, wie etwa bei der Firma Kuttig [1], mithilfe der Röntgeninspektion in der Lage, Kurzschlüsse am BGAs, CSPs, QFN und Flip Chips zu orten, Voids in Lötstellen (BGA, CSP, QFN, QFP und Flip Chip) nachzuweisen, einen Versatz von Bauteilen festzustellen, Halbleiter zu prüfen (Wire Bonds, Die Alignment), Schalter, Relais und Kontakte zu prüfen, Steck-, Crimp- und Kabelverbindungen zu prüfen (Automotive), eine Erstmusterkontrolle durchzuführen, um kostspielige Serienfehler zu vermeiden, Prozessparameter zu optimieren und Stichprobenanalysen durchzuführen. Wie wirksam ist die Röntgeninspektion? Testverfahren lassen sich hinsichtlich ihrer Fehlerabdeckung beurteilen. Keine Testmethode ist in der Lage, eine hundertprozentige oder auch nur an 100% heranreichende Fehlerabdeckung zu leisten. Nach [2] bietet die automatische optische Inspektion (Automated Optical Inspection, AOI) mit 69% die höchste Fehlerabdeckung, während die Röntgeninspektion mit nur 56% die geringste Rate aufweist. Ihre Stärke liegt demnach bei der Prüfung digitaler BGAs. Nicht ganz von ungefähr sieht man die Röntgeninspektion als eine Variante der optischen Inspektion an. Röntgen ist eine Durchstrahltechnik. Letztendlich gibt es keine Garantie, dass ein so als gut geprüftes Bauteil auch tatsächlich funktioniert. In [3] heißt es: Die Detektierung möglicher Fehler in der Kontaktierung zwischen Leiterplatte und Bauelement (sogenannter Second Level Interconnect) mit optischen Geräten und mittels Röntgentechnik sind Standard. Aber das Auffinden von Fehlern innerhalb der aktiven Bauelemente gestaltet sich sehr schwierig. Bei Danfoss ging man infolge der hohen Anforderungen im Automotive-Bereich einen besonderen Weg: Sämtliche Bonddraht-Verbindungen seiner Power-Module kontrolliert das Unternehmen mit kombinierten AOI/AXI-Prüfsystemen (Automated X-Ray Inspection) von Viscom. Überzeugt hat die Lösung damit, beide Prüftechnologien mit nur einem Inspektionssystem abzudecken [4]. Bild 1 ist eine Impression von der Röntgeninspektion mit der X8011 PCB von Viscom. Fazit: Die Röntgeninspektion muss auf jeden Fall mit anderen Prüfmethoden kombiniert werden. Sie wird immer nur Teil eines komplexeren Prüfkonzepts sein. Manuelle Röntgeninspektion Die manuelle Röntgeninspektion (Manual X-Ray Inspection, MXI) wird in aller Regel zur Stichprobenanalyse und Sonderprüfung einzelner Komponenten eingesetzt. Soweit seitens des Kunden keine besonderen Anforderungen vorliegen, reicht eine stichprobenartige Röntgenprüfung mit einem 3D-MXI häufig aus. Insbesondere dann, wenn durch 3D-SPI (Lotpasteninspektion, Soldering Paste Inspection) und eine ent 112 2/2018

2 sprechende Qualität der Bestückung das Löten der BGA erfahrungsgemäß kein Problem darstellt. Der Nachweis erfolgt dann durch ebendiese stichprobenartige Kontrolle. [5] Automatische Röntgeninspektion Die automatische Röntgeninspektion (Automated X-Ray Inspection, AXI) wird zur Kontrolle bestückter Leiterplatten eingesetzt. Auch Röntgenbilder lassen sich automatisch auswerten. Die automatische Röntgeninspektion wird vor allem bei der Suche nach nicht sichtbaren Lötfehlern angewendet. Hierzu gehören Kurzschlüsse wie auch Unterbrechungen, die sich mit der AXI weitgehend problemlos aufdecken lassen. Dabei hält sich auch der Aufwand an Prüftechnik in Grenzen. Problematisch wird es bei den diversen anderen Prüfungen. Hier ist nämlich eine sehr aufwendige und somit teure AXI-Maschine mit schwenkbaren Achsen nötig. Vorteile der AXI: Schichtdickenmessung möglich Bewertung verdeckter Lötstellen möglich exakte Defekt-Lokalisierung geringe Prüfzeit möglich taugt zur Prozessanalyse undoptimierung Nachteile der AXI: hohe Pseudofehlerrate hohe Kosten beträchtlicher Einarbeitungsaufwand Prüfzeit stark abhängig vom Modus 2D-Röntgeninspektion 2/2018 Bild 1: Röntgeninspektion mit der X8011 PCB von Viscom: Mittels eines fünfachsigen Manipulator sind beliebige Durchstrahlwinkel problemlos möglich (Viscom, [4]) Bei der 2D-Röntgeninspektion verzichtet man auf die Information über die Höhenausdehnung. Über lagerte Bauteile (z.b. bei doppelseitiger Bestückung) sind daher nicht prüfbar. Voraussetzungen: Die betrachtete Lötstelle darf nicht nicht abgeschattet sein. Die jeweils relevanten Fehler arten müssen im Bild der Durchstrahlung erkennbar sein. Die Vorteile des 2D-Ansatzes sind eine relativ hohe Geschwindigkeit (je Szene nur eine Bildaufnahme nötig) und der geringe technische Aufwand. Natürlich bleiben Flexibilität und Prüftiefe entsprechend limitiert. Hinzu kommen weitere Einschränkungen. Dennoch machen solche Systeme Sinn. Etwa mit dem X Line 2D von Göpel Electronic (Bild 2) prüfen Anwender einseitig bestückte Baugruppen in hoher Geschwindigkeit. Die intelligente 2D-Technologie ist dabei vollkommen frei von typischen Verzerrungen. Auf diese Weise ist eine einheitliche Bauteilprüfung an jeder Stelle des Bildfeldes möglich. Und durch Kombination der Röntgeninspektion (AXI) mit einem AOI-Modul können auch Inspektionsaufgaben durchgeführt werden, die mit Röntgen allein nicht möglich sind (AXOI). Das X Line 2D lässt sich auf Wunsch jederzeit auf ein 3D-System für doppelseitig bestückte Baugruppen aufrüsten. 2,5D-Röntgeninspektion Besser als 2D hat sich die 2,5D-Röntgeninspektion als konventionelle Technologie etabliert. Überlagerte Lötstellen (z.b. auf Ober- und Unterseite der Baugruppe) werden hier durch eine Schrägdurchstrahlung in den Projektionen optisch getrennt. Von Nachteil sind der sehr hohe Programmieraufwand bei doppelseitig bestückten Baugruppen und die lange Prüfzeit. Aber bei diesem Ansatz lassen sich Abschattungen besser umgehen, und in der Regel sind Fehler in der Schrägdurchstrahlung besser erkennbar. Der technische Aufwand ist nicht unerheblich, denn zur Erzeugung der Schrägansichten braucht man mehrere oder einen beweglichen Bildwandler. Im Bild 3 ist das 2,5D-Röntgenbild einer beidseitig bestückten Leiterplatte mit Überlagerung von Lötstellen der Leiterplatten-Oberseite und -Unterseite dargestellt. Es entstand mit einem neuen Detektor für eine flexible automatische Röntgeninspektion, dem StingRay Detector von Göpel. Das dahinter stehende neue Bildaufnahmekonzept zur vollautomatischen Röntgeninspektion einseitig und beidseitig bestückter Baugruppen ermöglicht eine selektive 2D-, 2,5D- und 3D-Röntgenprüfung in hoher Bildqualität und Geschwindigkeit. Das Konzept besteht aus einer Highspeed-X/Y-Achse und einem digitalen Flatpanel-Detektor. Damit erhält der Anwender eine Balance zwischen Bildqualität und Taktzeit. Es gelingt eine verlässliche Inspektion anspruchsvoller Lötstellen, wie sie beispielsweise an BGAs, QFNs und LGAs anzutreffen sind. Durch eine skalierbare Anzahl aufgenommener Projektionen wird eine hohe Qualität der Schichttrennung erreicht. Entsprechend der Prüfaufgabe lässt sich der StingRay Detector konfigurieren. So stehen insgesamt drei Detektorgrößen mit einer Auflösung von 1,3 bis 6 Megapixel zur Verfügung. Neben der stufenlosen Höhenverstellung der Röntgenquelle kann zudem der Detektorabstand zur Baugruppe in drei Stufen variiert werden. So ergeben sich je nach Anforderung verschiedene Bildfeldgrößen und Auflösungen. 3D-Röntgeninspektion Bei der 3D-Inspektion wird die Baugruppe aus verschiedenen Winkeln durchstrahlt. So ist die Rekonstruktion einzelner Schichten möglich. Das erschließt vielfältige Anwendungsgebiete (s. Kasten). Die sichere Prüfung doppelseitig bestückter Baugruppen ist nun ebenso möglich wie die Rekonstruktion beliebiger Schichten. Und durch Nutzung einer einheitlichen Bibliothek gelingt eine schnelle und komfortable Prüfprogrammerstellung. Es verwundert nicht, dass die 3D-Röntgeninspektion sich immer mehr durchsetzt; hier ihre wichtigsten Einsatzmöglichkeiten: 113

3 Bild 2: Das Röntgeninspektionsgerät X Line 2D von Göpel Inline-Fertigung doppelseitig bestückte Baugruppen qualitative Inspektion aller Lötstellen Prüfung auf Bauteilanwesenheit, Versatz, Kurzschlüsse Vermessung von Lufteinschlüssen in unterschiedlichen Schichten Prüfung komplexer Baugruppen mit überlagerten Lötebenen und Kühlkörpern Bestimmung des Zinndurchstiegs in THT-Lötstellen Der 3D-Ansatz erlaubt oft einen optimalen Umgang mit Abschattungen. Allerdings ist die Fehlererkennung nicht prinzipiell besser als bei 2D und 2,5D, weil durch die Verrechnung der Ansichten und die damit verbundenen Artefakte auch Informationsverluste eintreten können. Jedoch werden im Gegensatz zu 2D oder 2,5D bestimmte Fehler überhaupt erst erkennbar, beispielsweise auf doppelseitig dicht bestückten Baugruppen, wo 2D möglicherweise völlig versagt und 2,5D auf alle Fälle einen sehr hohen Einrichte- und Programmieraufwand erfordert. Mit dem 3D-Ansatz ist der vergleichsweise höchste technologische Aufwand verbunden. Das lässt sich beispielsweise exemplarisch zeigen, indem man den erwähnten StingRay Detector mit dem MultiAngle Detector für die Göpel-Systemfamilie X Line 3D vergleicht, der mit einer scannenden Bildaufnahme eine vollflächige Röntgeninspektion aller Lötstellen auf der gesamten Platine realisiert. 3D bedeutet eben die Möglichkeit der Erzeugung von Schnittbzw. Schichtbildern. Bei doppelseitig bestückten Leiterplatten oder Package-on-Package (PoP) bietet dies die Möglichkeit, eine bestimmte Ebene herauszuarbeiten und die anderen, störenden Ebenen zu eliminieren. Wesentliche Vorteile sind die erleichterte Prüfbarkeit, ein verringerter Programmieraufwand, da weniger manuelle Anpassungen nötig sind, und schließlich erhält der Operator mehr Informationen am Verifikationsplatz, wodurch sich der Humanschlupf minimiert. [5] Bild 4 zeigt das von Viscom völlig neu entwickelt Röntgeninspektionssystem X7058. Es ist ein reines 3D-System und erfasst die gesamte Baugruppe gleichzeitig aus mehreren Ansichten, sodass eine komplette 3D-Rückrechnung möglich ist. Dies ist optimal für hochintegrierte und doppelseitig bestückte Baugruppen, weil Programmierarbeit zur Behandlung der Abschattungsfälle entfällt. Ein weiteres Highlight der Anlage ist das einzigartige Handling-Konzept. Es erlaubt das sichere Zu- und Abführen von Baugruppen während des Strahlbetriebs ohne Unterbrechung der Bilddatenerfassung, sodass quasi keine Handling-Zeit zum Wechsel der Baugruppe anfällt. 3D-Prüfung näher betrachtet Die Qualität der 3D-Rückrechnung und damit des Gesamtergebnisses hängt von einigen Einflussfaktoren ab: Anzahl der verschiedenen Schrägdurchstrahlungen Winkelabweichung aus der Senkrechten gewählte Vergrößerung bzw. effektive Pixelauflösung auf dem Bildwandler Art des Bildwandlers Anzahl und Größe der Bildwandler Typ des Rückrechnungsverfahrens Checkt man diese Faktoren mal etwas näher, so wird klar, dass der Preis für eine hohe Qualität des Gesamtergebnisses (d.h. viele Ansichten in hoher Auflösung) ein geringe Prüfgeschwindigkeit ist. Ist der hier zu treffende Kompromiss nicht befriedigend, so stellt den einzigen Ausweg die Steigerung des technischen Aufwands dar. Späte Bild 3: Das 2,5D-Röntgenbild einer beidseitig bestückten Leiterplatte mit Überlagerung von Lötstellen der Leiterplatten-Oberseite und -Unterseite (Göpel Electronic) 114 2/2018

4 stens hier nun zeigt sich die Bedeutung der Bildwandler. Bildwandler im Blickpunkt Es gibt schließlich mehrere Grundkonzepte für Bildwandler. Aktuell populär sind folgende: analoge Bildverstärker (BV) Diese haben ein Eingangsfenster, in dem die Röntgenstrahlung nach der Durchstrahlung der Baugruppe auftritt. Auf dem Ausgangsfenster erscheint nach der Bildwandlung das Röntgenbild. Von dort muss es durch eine Kamera dem Analyserechner zugeführt werden. Diese Bildwandler haben sich u.a. deswegen bei 3D-Röntgensystemen nicht bewährt. Flatpanel-Detektoren (FPD) Diese glänzen durch eine sehr hohe Bildqualität und liefern selbst bereits ein digitales Bildsignal. Sie sind in verschiedenen Größen (Pixelzahl) erhältlich, mit der Pixelzahl steigt allerdings der Preis. Ein paralleler Einsatz zur Erzeugung der verschiedenen Ansichten ist technologisch eher schwierig. Stattdessen ist eine flexible Auslenkung des FPD aus der Senkrechten sinnvoll. Je nach Größe der Auslenkung ist es möglich, auch größere Schrägwinkel zu realisieren. Durch eine höhere Anzahl der verwendeten Auslenkungen/Positionen des FPD lässt sich die Qualität der 3D-Rückrechnung deutlich steigern, allerdings um den Preis eines höheren Zeitbedarfs für die Bildaufnahme (Bild 5). TDI-Röntgenzeilenkameras TDI steht für Time Delay Integration. Dieses Prinzip liefert eine verbesserte Bildqualität bei einer sehr hohen Datenrate. Es ermöglicht eine kompakte Bauweise, sodass sich leicht mehrerer TDI-Röntgenzeilenkameras parallel betreiben lassen. So gelingt es besonders leicht, größere Flächen in kurzer Zeit für eine 3D-Rückrechnung zu erfassen. Beispielhaftes Röntgensystem- Portfolio Um für jeden Anwendungsfall eine passende Lösung für die Röntgenprüfung anbieten zu können, erscheint nach [5] folgendes Portfolio optimal: MXI Flexibles Offline-System zur Prüfung von Stichproben und kleinen 2/2018 Bild 4: Das 3D-Röntgeninspektionssystem X7058 von Viscom bis mittleren Aufträgen mit 3D-Funktionalität 3D-AOI/AXI-Kombisystem Inline-System zur kombinierten, ausbalancierten AOI- und flexiblen 3D-AXI-Prüfung 3D AXI Vollfläche 3D-Inspektion beidseitig bestückter Baugruppen 3D-Röntgeninspektion im Linientakt Prinzipbedingt benötigt man für die 3D-Rekonstruktion einer Leiterplatte viele Schrägdurchstrahlungen. Dies beschränkt die Inspektionsgeschwindigkeit kategorisch. Nicht so beim Röntgeninspektions system OptiCon X-Line 3D von Göpel Electronic (Bild 5). Hier ermöglicht die neuartige GigaPixel-Technologie eine vollständige 3D-Röntgeninspektion auf der gesamten Baugruppe mit bis zu 40 cm 2 /s. Was steckt dahinter? Kernstück dieser Technologie ist ein schnelles und hochsensitives Detektormodul, welches eine simultane Erfassung von Bildaufnahmen aus verschiedenen Richtungen ermöglicht. Ein Röntgenbildverstärker ermöglicht die Bilderfassung aus neun Richtungen bei einer Datenrate von bis zu 40 Gigapixeln pro Sekunde. Das Rekonstruktionsverfahren liefert bis zu 48 Megapixel pro Sekunde. So gelingt es, durch Parallelisierung und neuste Hardwaretechnologien, die Datenflut zu bändigen. 3D & CT Mithilfe der dreidimensionalen Darstellung von Röntgenbildern mittels Computertomographie (CT) lassen sich neben der räumlichen Zuordnung von Fehlern auch einzelne Schichten und Schnittbilder für die tiefer gehende Analyse sichtbar machen. Dabei ist es möglich, die unterschiedlichen Materialien farblich hervorzuheben und damit besser zu analysieren. Omron, als einer der AOI-Pioniere bestimmt von Anfang an auch den neuen 3D-AOI-Markt und kann bereits auf eine große weltweite Installationsbasis zurückgreifen. Bereits 2009 begann Omron, den Markt auch mit einem CT-fähigen 3D-Inline-AXI-Gerät zu versorgen. Ohne Frage ist die CT-Technologie, bekannt aus dem Medizinbereich, ein Garant für bestes Bildmaterial und auf Grund der verwendeten Technologie auch die allumfassende und höchstauflösende Testtechnologie. [6] Mit der im Aufmacherfoto gezeigten Anlage AXI VT-X750 wird ein komplett neuer Ansatz einer Inline-3D-Röntgeninspektion angeboten. Das System produziert nämlich nicht nur mehr Einzelbilder im CT-Verfahren, sondern arbeitet in einem filmähnlichen On-the-Fly- Verfahren, sodass in kürzester Zeit weit über 400 Schichten einer Leiterplatte und seiner Bestückung zur Auswertung bereitstehen. Dabei bieten 6 bis 30 µm programmierbare Auflösung Möglichkeiten bis in den Bondwire-Bereich. Eine vollautoma 115

5 Objektes schwächer ausgeprägt, da sie durch die Rotation auf verschiedenen Bereichen des Detektors aufgenommen wurden. Auf diese Art und Weise erhält man in einem Prüfdurchgang die Ansicht genau einer ebene des Objektes, der sogenannten Fokusebene. [8] Dies bedeutet, dass für jede auszunehmende Schicht ein vollständiger Durchgang für die Bildausnahme erforderlich ist. FS Quellen Bild 5: Das OptiCon X-Line 3D von Göpel ermöglicht eine vollständige 3D-Röntgeninspektion tische Programmierung, wie man sie von AOI-Systemen kennt, hilft bei der einfachen Erstellung von bibliothekbasierenden Programmen. Damit geht es nun dem letzten Nachteil der bisherigen CT-Technologie an den Kragen: der Inspektionsgeschwindigkeit. Eine neue Methode bahnt sich nunmehr ihren Weg: das planare oder oblique CT-Verfahren. Hier verfahren Leiterplatte und Detektor in kreisenden Bewegungen gegeneinander in der V-förmigen Bestrahlung aus der Röhre. Zusätzliche Z-Achsen ermöglichen eine Programmierung der Auslösung je nach Bauteilgröße und entsprechend benötigter Vergrößerung. [7] Etwa das in Bild 6 gezeigte phoenix microme x DXR-HD von GE bewältigt nicht nur mit seiner 180-kV/20-W-Mikrofokusröhre bei bis zu 0,5 µm Detailgenauigkeit eine hervorragende automatische X-Ray-Inspektion in 3D, sondern kann auch noch optional planare Computertomographie-Scans innerhalb von 10 s leisten. Last but not least: Laminographie Bei der rotatorischen Laminographie rotieren der Detektor und die Bild 6: Das phoenix microme x DXR-HD von GE ist mit einer fortgeschrittenen Planar-CT-Option erhältlich Röntgenquelle gegenläufig oberhalb und unterhalb des zu prüfenden Objektes in dazu parallelen Ebenen, das Objekt selbst bleibt fix. Die Intensitäten der kontinuierlich aufgenommenen Durchstrahlungsansichten aus einer Runde werden im Sensorchip des Detektors aufaddiert. Durch die Schrägdurchstrahlung sind in der Ergebnisaufnahme die nicht im Strahlungsfokus liegenden Abbildungen des [1] Fa. Kuttig, [2] Holger Göpel: Finde jeden Fehler, 5/2011 [3] Dr. Martin Oppermann, Tobias Neubrand: Mehr sehen heißt mehr wissen, productronica 4/2016 [4] Martina Engelhardt: So gut wie keine Pseudofehlerraten, productronic 10/2014 [5] Peter Krippner: Richtig Röntgen: 3D-Prüfkonzepte für MXI und AXI, [6] CT-fähiges 3D-Inline-AXI Gerät, ct-faehiges-3d-inline-axi-geraeta / [7] Olaf Römer: Variantenreich durchleuchtet, productronic 4/2015 [8] Rebekka Malten: Optimales und schnelles 3D-Röntgen, EPP 11/ /2018