1 1 Automatyczna inspekcja optyczna i rentgenowska Autorzy: Michał Maksymiuk Krzysztof Olejarczyk

2 2 Wstęp  Plan prezentacji: Automatyczna inspekcja optyczna (AOI)  Opis technologii  Wady i zalety  Przykładowe urządzenia Automatyczna inspekcja rentgenowska (AXI)  Opis technologii  Wady i zalety  Przykładowe urządzenia Porównanie technologii Pokaz wideo

3 3 AOI Automatyczna Inspekcja Optyczna

4 4 AOI – podstawowe pojęcia Defekt: Rozpatrywana na poziomie fizycznym niedoskonałość układu lub urządzenia. Uszkodzenie: Nie spełnienie, określonych w specyfikacji, wymogów przez urządzenie.

5 5 AOI - wstęp  Zasada działania: Automatyczna Inspekcja Optyczna (AOI) pozwala analizować PCB pod kątem wystąpienia defektów, używając metod analizy obrazu. Nie opisuje uszkodzeń, jedynie defekty.

6 6 AOI – powody wprowadzenia  Ręczna analiza wykorzystująca mikroskop stereoskopowy jest nieefektywna i wymaga dużego doświadczenia.

7 7 AOI – powody wprowadzenia  Wraz ze wzrostem upakowania elementów na PCB, klasyczny dostęp ICT staje się coraz trudniejszy.

8 8 AOI – rozmiary komponentów

9 9 AOI - zalety  Zalety AOI: ◦ Niski koszt ◦ Łatwość wprowadzenia do linii produkcyjnej ◦ Możliwość określenia jakości montażu elementów ◦ Analiza bezkontaktowa

10 10 Porównanie AOI, AXI i ICT

11 11 Ograniczenia AOI  Brak możliwości analizy układów BGA i flip-chip  Brak pełnej analizy elementów rozmiaru 0201  Analiza jedynie „palca” połączenia lutowanego

12 12 AOI – oświetlenie  Poprawne oświetlenie – jeden z kluczowych elementów systemu AOI.  Dobór poprawnego oświetlenia ułatwia (czasem umożliwia) znajdowanie defektów i przyspiesza analizę.  Poprawnie dobrane oświetlenie nie powinno rzucać cienia na badane elementy.

13 13 AOI – źródła światła  Lampa fluorescencyjna: – Szeroko rozpowszechniona – Tania – Degradacja parametrów z upływem czasu  LED: – Droższe – Stabilniejsze niż lampa – Możliwość sterowania natężeniem oświetlenia. – Spadek natężenia światła z upływem czasu  Podczerwień/UV: – Ułatwia bądź umożliwia wykrywanie specyficznych defektów

14 14 AOI – źródła światła

15 15 AOI – źródła światła  Przykładowy system oświetlenia – Diffused on Axis Lightning (DOAL) firmy Marantz (źródłem światła jest obiektyw kamery)

16 16 AOI - źródła światła Przykład zastosowania różnych barw światła (czerwonej, zielonej, niebieskiej) w celu uzyskania poprawnego obrazu elementu. Używany przy kamerach monochromatycznych.

17 17 AOI – akwizytacja obrazu  Sposób akwizytacji obrazu w głównej mierze determinuje złożoność/cenę urządzenia i stosowane w nim algorytmy przetwarzania.  Szeroki wachlarz stosowanych rozwiązań – od jednej nieruchomej kamery, po system wielu ruchomych kamer.  Bardziej złożone systemy umożliwiają analizę 3D.

18 18 AOI – przechwytywanie obrazu Strumień wideo - ze strumienia wideo wybierane są ramki poddane przetwarzaniu -Bardzo szybka -Metoda mało dokładana Nieruchome zdjęcie – kamera przemieszcza się blisko PCB i wykonuje zdjęcia żądanych miejsc -Dokładniejsze -Wolniejsze -Wysokie wymagania co do oświetlenia

19 19 AOI – metody analizy  Dokonując analizy, system AOI wyszukuje charakterystyczne cechy i obiekty: – Rozmieszczenie komponentów – Rozmiar komponentów – Połączenia lutownicze – Etykiety (np. kody kreskowe) – Kolor laminatu – Odbicia światła

20 20 AOI – metody analizy  Przed rozpoczęciem procesu analizy należy systemowi AOI zapewnić żądany wzorzec poprawnej płytki. Można to uzyskać na dwa sposoby: – Użycie wzorcowego PCB System analizuje wzorcową płytkę i tworzy bazę danych poprawnych elementów. – Generowanie wzorca z programu CAD Do systemu wprowadzana jest mozaika PCB. Za pomocą odpowiednich algorytmów i wbudowanej bazy danych elementów tworzony jest wzorzec.

21 21 AOI – metody analizy  Dokonując analizy, należy pamięć o możliwości istnienia różnić pomiędzy dwoma poprawnymi płytkami. Niektóre możliwe różnice: – Nieznaczne zmiany rozmiaru komponentu pomiędzy seriami – Różnica w odcieniu elementów – Różnica w nadruku (grubość, zastosowany tusz) – Różnica w odbiciu światła (np. różna faktura)

22 22 AOI – metody analizy Przykład tego samego elementu pochodzącego z różnych linii produkcyjnych:

23 23 AOI – metody porównywania Metody porównania badanej płytki ze wzorcem: – Bezpośrednie porównanie z wzorcem – Porównanie z wzorcem poprawnym i niepoprawnym – Porównanie statystyczne  Zbierane są informacje z poprzednich analiz tworząc bazę wzorców poprawnych i niepoprawnych. Dzięki niej system potrafi rozpoznać nieznaczne różnice, nie zaburzające pracę układu, bez oznaczania ich jako błędy

24 24 AOI – syntetyzacja obrazu Syntetyzacja obrazu: – Obrazy są konwertowane do postaci obrazu syntetycznego (za pomocą zdefiniowanych filtrów graficznych) i porównywane ze wzorcem. – Tekst i etykiety poddawane są przetwarzaniu OCR Zastosowanie obróbki syntetycznej nie wymaga zapamiętywania wielu wzorców w celu skompensowania drobnych różnic między poszczególnymi elementami.

25 25 AOI pasty lutowniczej Proces nadruku pasty lutowniczej jest najbardziej krytyczną operacją. Odpowiada za 60-70% wad połączeń lutowanych. Analiza odbywa się poprzez ocenę stosunku pola na jakim znajduje się pasta, do powierzchni teoretycznej. Proces kontroli odbywa się w trakcie procesu pozycjonowania elementów.

26 26 AOI pasty lutowniczej

27 27 AOI – analiza 3D  Kontrola 2D nie dostarcza pełnej informacji na temat „cegiełki” pasty – kształtu i objętości.  Jedynie analiza 3D pozwala w pełni określić parametry „cegiełki”.

28 28 AOI – analiza 3D  Analiza 3D jest złożona i czasochłonna.  Wykonywana jest tylko dla prototypowych serii, na początku produkcji, lub wyrywkowo podczas produkcji.

29 29 Orpro Vision Vantage S22

30 30 Opron Symbion P36 Plus

31 AXI 31

32 32 Wykorzystanie zjawiska promieniowania rentgenowskiego Połączenie lutowane napromieniowane z lampy rentgenowskiej, następnie rejestracja na detektorze promieniowania po przejściu przez badany obiekt Lampy o napięciu max. około 200kV i mocy do około 40W Wysokoczuły detektor (powiększenie rzędu 25 tys. razy, szczegóły < 0,3um) Analiza sygnału z detektora za pomocą specjalistycznego oprogramowania (moduły do testowania QFP, BGA)

33 33  Wirujący detektor pozwala na lepszą inspekcję  stosowane też inne techniki (ruchomy obiekt, nieruchomy detektor)

34 34  Zmiana kąta położenia detektora znacznie zwiększa możliwości analizy

35 35  Im mniejszy rozmiar ogniskowej tym większa ostrość  Wielkość plamki ogniskowej poniżej 1um pozwala na przetwarzanie obrazu ok. 200nm

36 K: żarzona katoda A: anoda Win i Wout: wlot i wylot cieczy (C) chłodzącej anodę 36

37 Źródło promieniowania rentgenowskiego HAMAMATSU L8321-01 Max. nap. 162kV Rozdzielczość < 1um Chłodzenie powietrzem 37

38 HAMAMATSU C7336-04 Wzmacniacz z kamerą CCD Okno wejściowe 4 calowe wykonane z aluminium dla najlepszej transmisji promieniowania X na wyjściu fosforowy ekran 38  Stosuje się wzmacniacze obrazu rentgenowskiego w celu zwiększenia kontrastu  Detektor jako kamera CCD (12bit) lub cyfrowe detektory obrazu płaskiego wysokiej rozdzielczości (16bit)  Kamera o rozdzielczości efektywnej 1344 x 1024  12-bitowe wyjście kamery  12 frames/s

39 39  Konfiguracja połączeń dla układu C7336-04

40 40  Wyraźnie lepszą jakość obrazu uzyskamy stosując kamerę cyfrową zamiast analogowej

41 a)prawidłowo polutowane b)przesunięte c)skręcone 41

42 42  Zwarcia bardzo łatwo wykryć i zlokalizować  Inspekcja rentgenowska pozwala zbadać bardzo dokładnie wyprowadzenia układów QFP

43 Do oceny połączeń lutowanych elementów biernych 0201 (0,6mm x 0,3mm) konieczna jest zarówno inspekcja optyczna (AOI) jak i rentgenowska (AXI), chyba, że dysponujemy bardzo dużą rozdzielczością 43

44 44 a)Widok z odległości b)W powiększeniu  Inspekcja rentgenowska pozwala badać wyprowadzenia układów także w obudowach BGA  „niewidoczne” dla AOI wyprowadzenia takich układów można łatwo i szybko badać za pomocą AXI

45 45  Puste przestrzenie wewnątrz złącza sferycznego, powstające podczas lutowania  Wpływa na niezawodność, zależnie od częstości występowania, wielkości i położenia  przyczyny: odgazowane substancje „uwięzione” wewnątrz złącza

46 46

47 47  Nierównomierne ogrzewanie  „popcorning”

48 48  Wilgoć wnika w strukturę układu scalonego  W wysokiej temperaturze parująca woda powoduje eksplozję  Powstają mikropęknięcia, nieodwracalne uszkodzenia

49 49  Inspekcja rentgenowska pozwala ocenić jakość lutu elementów przewlekanych  Na przykładzie widoczny brak lutu a)Widok z góry b)Widok pod kątem

50 Laminografia rentgenowska umożliwia warstwową analizę obiektów, co jest szczególnie przydatne w inspekcji dwustronnych POD 50

51 51  Tomografia komputerowa pozwala na nieosiągalną innymi metodami analizę struktury wewnętrznej  Daje nowe możliwości poruszania się w całej strukturze badanej próbki i rozbieranie jej „kawałek po kawałku” w sposób nieniszczący

52 52

53 53  Możliwość w pełni 3D inspekcji rentgenowskiej  Bardzo wysoka rozdzielczość umożliwiająca inspekcję dla obudów 0201 oraz CSP  Opatentowane technologie ClearVue oraz TraX

54 54

55 55  Możliwość rozbudowy do poziomu tomografii komputerowej  Szybka i łatwa kontrola kątowa z dobrą jakością obrazu dzięki opcjonalnym detektorom płaskim  Ręczna, półautomatyczna i w pełni automatyczna kontrola

56 56

57 57  Jest to kompaktowy system laboratoryjny do analizy małych próbek, charakteryzujący się wyjątkową rozdzielczością poniżej 500nm  pierwszy na świecie system tomografii komputerowej (CT), oferujący analizę wysokiej rozdzielczości dla mikromechaniki, elektroniki i badań materiałowych.  Nanotom łączy w sobie moc połączonych w klastry serwerów z potężną lampą i wysokorozdzielczym detektorem.

58 58

59 59  AXI dostarcza najwyższy poziom detekcji uszkodzeń, włącznie z możliwością analizy zakrytych elementów oraz oceny jakościowej lutowania  AXI jest jedyną metodą pozwalającą zbadać strukturę wewnętrzną  Wszystkie metody uzupełniają się na linii produkcyjnej

60 60  AOI jest bardziej opłacalne w przypadku prostszych układów, bez elementów w obudowach BGA  Testowanie wewnątrzobwodowe jest jedyną metodą pozwalającą zbadać funkcjonalność obwodu  AXI przeznaczone jest do ulepszonej i dokładnej analizy, nie koniecznie bardzo szybkiej

61 61  AXI stosowane jest w szeroko pojętej diagnostyce i kontroli jakości, na liniach produkcyjnych różnych produktów, od spożywczych po elementy samochodu  AXI można także wykorzystać w systemach bezpieczeństwa

62 62

63 63 „Elektronika” 3/2008 „Elektronik” 9/2009 Materiały firm TERADYNE, VISCOM, PHOENIX, HAMAMATSU www.hamamatsu.co.uk www.dry-storage.com pl.wikipedia.org www.wemif.pwr.wroc.pl www.visionxinc.com www.radio-electronics.com