Продукция!
 

    BGA под прицелом ЭРСАСКОПа

    зримые плоды новаторства ERSA


    Revolutionary

    В конкурентном мире производителей электронной техники возможность видеть , использовать визуальную информацию для контроля качества является стратегическим преимуществом. Именно поэтому знаковым этапом развития фирмы ERSA, крупнейшего поставщика паяльного оборудования, стала не очередная паяльная машина (хотя разработаны и таковые), но принципиально новая оптическая система контроля качества пайки BGA с легко запоминающимся названием ERSASCOPE. Ниже кратко изложена идейная основа подхода к визуальной инспекции качества с помощью программно-оптической ERSASCOPE. Интерактивную демо-версию программной оболочки с базой знаний ImageDoc вместе с примерами уникальных снимков из-под BGA, получение которых впервые стало реальностью с помощью ERSASCOPE, можно видеть на CD ROM "ERSA Inspection and Rework Solutions". На том же компакт-диске размещен первый в истории видеосюжет процесса пайки BGA (съемки в реальном времени, непосредственно из-под корпуса BGA). Этот же клип можно видеть и на русскоязычном CD ROM "Инструмент сегодня".

    На BGA сошелся клином белый свет

    Глобальная тенденция перехода к BGA — поверхностно-монтируемым корпусам с матричным расположением плавких выводов, — ощущается повсеместно. В России первыми с BGA столкнулись сервисные центры по ремонту зарубежной связной и компьютерной техники, а также разработчики, использующие передовую элементную базу. Между тем, узким местом на пути массового использования BGA остается выходной контроль качества пайки, ибо выводы BGA расположены в недоступной для визуального наблюдения зоне, и сделать заключение о качестве пайки не так-то просто.

    Контроль качества пайки BGA

    Прежде рентгеновский контроль был единственным методом неразрушающего контроля качества пайки BGA. Анализ рентгеновских снимков, производимых в проекции корпуса BGA на печатную плату, позволяет выявлять широкий спектр типовых дефектов, могущих образоваться в ходе пайки, как то: межвыводные перемычки, смещения, пустоты. Вместе с тем, рентген неэффективен для обнаружения «холодных паек», микротрещин между выводами BGA и контактными площадками, избыточных остатков флюса под корпусом BGA. И еще: поскольку силами поверхностного натяжения уже на начальной фазе пайки сферические выводы PBGA (или CSP) самоцентрируются по контактным площадкам, то вериткальная рентгеновская проекция «холодной пайки» может выглядеть безукоризненно. При всех достоинствах рентгеновского оборудования (в том числе новейшего, с угловым обзором) оно слишком дорого, чтобы стать "всенародным" инструментом контроля качества пайки BGA.

    К методам неразрушающего контроля изделий с BGA традиционно относится и функциональное тестирование. К сожалению, функциональный тест «холодной пайки» может выполняться с тем же успешным результатом, что и для надежного паяного соединения: ведь электрический контакт выводов BGA с проводниками на печатной плате имеет место в обоих случаях, хотя в первом случае он и недолговечен. Таким образом, основываясь на результатах даже двух типов неразрушающих тестов — функционального и рентгеновского, — сложно сделать вывод о качестве пайки в смысле ее надежности (долговременной прочности).

    В классе методов разрушающего контроля применяются два: исследование внутренней структуры выводов BGA после пайки (в срезе) под электронным микроскопом, и механический тест на растяжение (отрыв). Структурный анализ имеет целью идентифицировать результат физико-химических процессов пайки в диффузионных слоях контактирующих металлов: ведь именно этими слоями определяется долговременная прочность паяного соединения. При «холодной пайке» тепла не хватает для образования достаточно глубоких диффузионных слоев, при избыточной же температуре пайки они становятся слишком глубокими и «рыхлыми». В обоих случаях неправильный температурный профиль пайки влечет резкое уменьшение прочности паяного соединения. Тест на растяжение позволяет оценить прочность пайки как интегрального показателя качества. Если технология пайки была соблюдена безупречно, то паяное соединение между выводом BGA и контактной площадкой оказывается прочнее соединения контактной площадки с платой и, как следствие, при выполнении теста происходит обрыв контактной площадки, а не вывода BGA. Очевидно, методы разрушающего контроля используются лишь на ограниченной выборке изделий и имеют экономически обусловленный предел.

    Вывод: необходимым и эффективным дополнением методов неразрушающего контроля пайки BGA является визуальная (оптическая) инспекция. Этот принципиальный тезис побудил фирму ERSA к разработке в 1999 году первой в мире системы контроля, обеспечивающей возможность визуальной инспекции паяных выводов под корпусом компонента. Система ERSASCOPE значительно дешевле рентгеновских средств контроля, безопасна, компактна и проста в использовании. Применение ERSASCOPE может помочь там, где рентгеновский контроль неээфективен, а систематическое применение разрушающих методов невозможно по экономическим соображениям.

    На чем базируется возможность визуального контроля качества пайки BGA?

    Идейная основа ERSASCOPE

    При корректном соблюдении технологии пайки все выводы BGA трансформируются в следующем порядке.


    Состояние A. Перед началом процесса пайки сферические выводы BGA (Sn63Pb37) позиционированы по контактным площадкам печатной платы. Нижняя плоскость корпуса BGA параллельна плате (в конкретном примере на рис. 1 она отстоит от платы на высоту 1,0 мм; для разных корпусов высота, очевидно, различна). Форма выводов BGA — правильная сферическая, поверхность гладкая, слегка матовая.

    Рис. 1. Фаза А процесса пайки и состояние выводов BGA

    Состояние B. Процесс оплавления выводов начинается при температуре 183°C. Под действием сил гравитации происходит первичное «оседание» BGA (рис. 2): расстояние между корпусом и платой сокращается до 0,8 мм, форма выводов становится бочкообразной, а поверхность выводов тускнеет, оставаясь гладкой.

    Рис. 2. Фаза В процесса пайки и состояние выводов BGA

    Состояние C. По достижении пиковой температуры пайки происходит полное оплавление выводов и смачивание контактных площадок платы припоем. Происходит вторичное «оседание» BGA (рис. 3): высота выводов еще раз уменьшается (в примере до 0,5 мм), результирующая форма выводов, поддерживаемая силами поверхностного натяжения, — сплющенная эллиптическая. Поверхность выводов — гладкая блестящая.

    Рис. 3. Фаза С процесса пайки и состояние выводов BGA

    Важнейшими признаками при оценке качества паяного соединения являются:

    • количество припоя в зоне паяного соединения;
    • форма галтели/мениска (соответствие технологическим стандартам);
    • состояние поверхности выводов (текстура, однородность, гладкость, цвет, блеск);
    • аномалии (например, остатки флюса).

    Все признаки важны для контроля качества пайки, но именно состояние поверхности выводов дает наибольшую информацию о механической прочности соединения, ибо помогает сделать заключение об условиях формирования интерметаллического диффузионного слоя в процессе пайки. Визуально различимы:

    • неоднородная или пористая поверхность выводов, царапины;
    • деформация формы (асимметричность, впадины и выпуклости, искривления);
    • микротрещины;
    • изменения цвета;
    • микрокапли и брызги припоя;
    • остатки флюса;
    • посторонние включения (шлак/окалина).

    Идея ERSASCOPE проста: заглянув под корпус BGA, проконтролировать правильность формы выводов, копланарность и отсутствие перемычек. У выводов, ближайших к граням корпуса BGA, следует рассмотреть поверхность. Удается проанализировать и мениски, если при пайке была использована паяльная паста (это касается прежде всего керамических BGA). На данной идее с мощным техническим воплощением и базируется система ERSASCOPE.

    Как устроен ERSASCOPE

    Системы ERSASCOPE 2500 и 2000 включают оптическую часть на штативе (рис. 4) и компьютерную часть с программным обеспечением ImageDoc (соответственно версии 1.2.1 или EXP) с базой данных для классификации дефектов пайки. Изделие (печатную плату) располагают на микрометрическом столике так, что перемещаемые элементы оптической системы с высоким разрешением «охватывают» корпус BGA (рис. 5). С одной стороны корпуса располагается мощный (150 Вт) миниатюрный источник света с волоконной оптикой, с противоположной стороны - головка оптического приемника с мощной подсветкой и регулируемым фокусным расстоянием (0–55 мм).

    Рис. 4. Штатив с оптикой ERSASCOPE-2500 (-3000)

    Минимальный зазор между корпусом BGA и печатной платой, при котором система работает устойчиво, составляет всего 0,05 мм. Максимальные линейные размеры корпуса BGA, для которых мощность подсветки достаточна - 50 мм. Изображение с приемной оптической головки передается в компьютер для обработки (с увеличением до 314 на 19-дюймовом мониторе) для измерений, анализа, документирования, и архивирования. В комплект поставки программного обеспечения входит также эмпирическая экспертная база знаний (на английском языке) с изображениями типовых дефектов пайки и подсказками - указаниями возможных изъянов технологического процесса.
    .

    Оптика ERSASCOPE в системах 3000, 2500, 2000


    Расстояние


    Мин. увеличение


    Макс. увеличение


    Глубина резкости

    50 мм 14 x 25 x + 15 мм
    25 мм 25 x 46 x + 5 мм
    3 мм 170 x 314 x + 0,5 мм


    Рис. 5. Рабочее положение оптических элементов вокруг BGA

    Следует отметить, что оптическая инспекция качества пайки может быть применена не только в отношении корпусов BGA и им подобных, но также для корпусов PLCC с J-образными выводами и QFP с внутренней (!) стороны через просвет между корпусом и линейкой выводов.


    Аналогичная система в комплектации MAGNISCOPE представляет собой подвижную оптическую головку с подсветкой и позволяет наблюдать на мониторе изображения миниатюрных объектов сверху или под углом с максимальным увеличением около 330 на 19-дюймовом мониторе. Измерение, архивирование, документирование и другие прелести компьютерной обработки обеспечиваются программным пакетом ImageDoc.
    .

    Оптика MAGNISCOPE в системах 3000 и 4D_SCOPE


    Расстояние


    Мин. увеличение


    Макс. увеличение


    Глубина резкости

    25 мм 32 x 50 x + 4 мм
    12,5 мм 65 x 120 x + 2 мм
    5 мм 180 x 330 x + 0,5 мм


    Примеры областей применения ERSASCOPE / MAGNISCOPE и объектов анализа:

    • точность установки компонентов перед пайкой;
    • качество пайки BGA и других SMD-компонентов;
    • качество (доза и форма) нанесения паяльной пасты;
    • качество трафарета;
    • качество металлизации отверстий на печатной плате;
    • целостность защитного покрытия платы;
    • качество микросварки;
    • применения в других отраслях (например, техническая эндоскопия металлоизделий).

    Перспективы программно-оптических систем грандиозны: в отличие от обычных микроскопов и "ручных" процедур анализа, основанных на изменчивом уровне визуального восприятия оператора в каждый конкретный момент, компьютерная технология позволяет документировать и хранить увиденное, сравнивать изображения с образцами при классификации дефектов как немедленно, так и позже, при углубленном анализе их причин. Файлы изображений легко переслать и удаленным экспертам по электронной почте. Высококачественная компьютерная визуализация не так губительна для зрения оператора и, по сравнению с микроскопом, меньше напрягает психику оператора грузом ответственности за ошибку. Цена ERSASCOPE не только для западных производств, но и для передовых российских учреждений является вполне разумной с учетом открывающихся возможностей контроля.


    Оптика MACROZOOM в системах ERSACAM и опционно к ERSASCOPE


    Фокусное
    расстояние


    Макс. зона обзора
    на расстоянии 138 мм


    Макс. зона обзора
    на расстоянии 450 мм


    Подсветка

    138 - 450 мм от 33 x 25 мм
    до 3,2 x 2,5 мм
    от 143 x 107 мм
    до 14 x 11 мм
    как опция


    Программные средства любой версии ERSASCOPE работают только при наличии в компьютере специализированной платы фреймграббера (ввода изображений), в ПЗУ которой фабрично зашит код доступа. Требования к компьютеру несложны: шина PCI (PCI 2.1 specification); оптимально - процессор Pentium от 500МГц и память от 128Мб; Windows '95 или '98 или '2000 или NT; любая видеокарта с поддержкой DirectDraw драйвера и объемом памяти не менее 8Мб (например, ATI 3D RAGE PRO, ATI XPERT@WORK, ATI RAGE128, ATI FURY128); цветной монитор с разрешением 1024x768 и входом S-video.

    Международные эксперты исключительно высоко оценили ERSASCOPE сразу после его появления на рынке. Чего стоит хотя бы такой факт: наряду с известным кинематографическим призом в США присуждается и "технологический Оскар" за выдающиеся достижения в производстве оборудования для электронной промышленности. Дословно он называется Annual Grand Award for Excellence in Electronics Packaging and Production. Приз вручается в ходе крупнейшей на континенте технологической выставки NEPCON West (Анахайм, штат Калифорния). Церемония вручения приза не обделена вниманием легендарных личностей, имена которых олицетворяют этапы мирового технического прогресса. Так, в 2000 году приз вручал астронавт Олдрин, который в ходе миссии Apollo-11 вместе с Нейлом Армстронгом протаптывал первую тропинку на Луне. К финальной стадии голосования в конкурсе 2000 года были допущены 17 претендентов на награду. А затем произошло неординарное: самый престижный американский приз был присужден европейской компании. Уникальность события определяется тем, что в отличие от кинo-Оскара, технологические достижения оценивались без учета государственных границ - то есть не было номинации "лучший зарубежный продукт": речь шла просто о "лучшем в 2000 году". Диплом из рук астронавта получил Марк Кэннон, президент ERSA Soldering Tools and Inspection Systems, за систему оптической инспекции ERSASCOPE, автором и идейным вдохновителем которой он является. Данный приз венчает коллекцию престижных наград ERSASCOPE, которую в 2000 году пополнил еще Annual SMT Vision Award 2000 , присужденный на международной выставке-конференции APEX (США, Калифорния). Системой ERSASCOPE пользуются сотни предприятий на всех континентах (в том числе и в России), и число потребителей неуклонно растет. Этим подтверждается факт острой необходимости средств контроля качества пайки BGA/CSP/FlipChip в условиях широкомасштабной поставки новейших микросхем именно в таких корпусах.

    Предоставляется полное русскоязычное руководство по установке и эксплуатации ЭРСАСКОПа.



    Обогащение модельного ряда ЭРСАСКОП-ов в 2002 году