Pașii principali în procesul de producție a unui PCB (Printed Circuit Board) sunt următorii: [306478]

Introducere

De-a [anonimizat] a [anonimizat], comunicațiile, medicina, informatica, [anonimizat]. Toate dispozitivele și echipamentele construite au adus nenumărate beneficii omenirii. Dezvoltarea accelerată a industriei electronice a impus o [anonimizat].

În această lucrare îmi propun să împărtășesc informații descoperite în etapa de specializare în domeniul vast al electronicii și telecomunicațiilor. Titlul lucrării este “Studiul comparativ al capabilității metodei de inspecție AOI vs. AXI”. [anonimizat], de asemenea, o problemă de mare interes în producerea subansamblelor electronice. S-a [anonimizat] s-a găsit nici strategia de test desăvârșită. Două dintre filozofiile de orientare pentru implementarea tehnologiilor de testare și inspecție sunt prevenirea și detecția defectelor. Defectele apar mai ales în procesul de producție a [anonimizat] 1 al lucrării.[anonimizat], evitându-se folosirea inspecției manuale care implică decizia umană.

Capitolul 2 prezintă metodele de inspecție automată și echipamentele de inspecție utilizate în industria subansamblelor electronice.

Următorul capitol este conceput ca un răspuns la întrebarea “Când este indicată utilizarea AOI (Automated Optical Inspection), când să folosim AXI (Automated X-Ray Inspection) și când este nevoie de ambele metode de inspecție?”.Metodele de inspecție și de testare au scopul de a [anonimizat]-se un nivel înalt al calității.

Capitolul 1. Procesul de realizare al subansamblelor electronice

Înainte de a descrie modalitățile de inspecție a [anonimizat] a acestora, pentru familiarizarea cu tipurile de defecte și problemele care pot apărea de-a lungul procesului.

Pașii principali în procesul de producție a unui PCB (Printed Circuit Board) sunt următorii:

1.         [anonimizat] (Computer-Aided Design);

2.         Este fabricată placa goală (bareboard);

3.         Procesul de printare;

4.         Plasarea componentelor pe placă și lipirea acestora;

5.         Procesul de curățare a plăcilor;

6.         Inspecția/ Testarea plăcilor.

Fig. 1 Linia de producție

1. [anonimizat]-ul CAD joacă un rol foarte important în proiectarea subasamblelor electronice având în vedere creșterea complexității produselor de la o zi la altă. [anonimizat] a aduna toate informațiile necesare: [anonimizat], lista componentelor și orice alte informații utile. [anonimizat]-[anonimizat].

[anonimizat]ărei cerințe. Aceasta este o primă abordare a produsului care prezintă avantajul de a evita o realizare fizică a circuitului imprimat de mai multe ori, economisindu-se astfel timp și bani.

Odată ce designul e proiectat, soft-ul CAD creează o schemă a circuitului reprezentând dimensiunile și locațiile rețelei inclusiv aranjamentul conductorilor și căilor neconductive (mărimea, tipul, locațiile vias-urilor, etc). Acest soft creează de asemenea și o bază de date care conține numele fiecărei componente, numărul ei, orientarea, locația exactă pe placă, și alte informații.

Pregătirea procesului de fabricare a PCB-ului

Echipa de manufacturing folosește design-ul CAD pentru a construi și asambla PCB-urile. Pentru a realiza acest lucru este nevoie de o documentație clară și completă, incluzând următoarele: lista de materiale, detalii legate de fabricare și asamblare, Gerber data, instrucțiuni speciale de asamblare.

2. Fabricarea bareboard-ului (placa goală)

Fig.2 Fabricarea bareboard-ului

Bareboard-ul nu conține nicio componentă, ea având găurile din placă și traseele electrice de care va fi nevoie mai târziu pentru a monta și conecta componentele.

3. Procesul de printare

În prima etapă din procesul de producție se aplică pasta de lipire cu ajutorul unei matrițe (stencil) cu design special pentru produsul ce urmează a fi realizat. Pasta de lipit este compusă dintr-o pudră de cositor și un flux. Amestecul acestor două materiale se realizează conform unei proceduri bine definite.

Procesul de printare decurge astfel:

– placa goală este ținută cu ajutorul unei pompe de vid sau prin mijloace mecanice;

– matrița este plasată pe placă și aliniată astfel încât deschiderile matriței să se suprapună peste pad-uri;

– pasta de sudură este împinsă prin matriță cu ajutorul unei lamele;

– se verifică dacă pasta de sudură a pătruns în toate canalele.

Defecte care pot să apară în timpul procesului de printare: zgârieturi, bășicare, delaminare, curbare, răsucire, printare neuniformă, printare insuficientă, printare excesivă,printare  nealiniată, pad-uri neacoperite, etc.

Fig.3 Curbarea plăcii

Fig. 4 Printarea nealiniată

4. Plasarea componentelor pe placă și lipirea lor

PCB-urile pot să conțină componente SMD (surface mount devices) sau PTH (pin through-hole). Astfel procesul de fabricație se scindează ușor, depinzând de tipul de componente folosite.

Componentele SMD sunt așezate pe pad-urile circuitului imprimat, fapt care diferă de tehnologia TH unde terminalele componentelor sunt inserate prin placă. Componentele SMD se plasează cu mașini speciale, automate sau semiautomate, care preiau componentele de pe role și le așează pe PCB cu ajutorul unor capete de plantare.

Tipuri de defecte care pot să apară în timpul procesului de plasare a componentelor: plasare incorectă, lipsa componentei, componente suprapuse, deteriorarea componentei, terminale ridicate sau îndoite.

Fig. 5 Plasarea incorectă

Fig.6 Terminale ridicate

Fig. 7 Extra-component

Lipirea componentelor se face în majoritatea cazurilor prin tehnologia Reflow (lipire prin retopire). Pasta mai înainte printată pe pad-urile plăcii este încălzită în cuptoare speciale unde se pot controla procesele termice: preîncălzirea, încălzirea și răcirea. În trecerea plăcii prin cuptoare, pasta suferă transformări care duc la lipirea componentelor.

Defecte care pot să apară: lipituri fisurate, lipituri reci, scurt circuit, defectarea componentelor, lipire insuficientă, tombstone, etc.

Fig. 8 Tombstone

Fig. 9 Scurt circuit

Fig.10 Lipitura fisurată

Lipirea prin tehnologia Wave se face trecând placa peste un val continuu de pastă de lipit, trecerea aceasta făcându-se suficient timp cât conductoarele componentelor să se încălzească si să formeze legături stabile.

Defecte care pot să apară: lipitură insuficientă, exces de pastă, scurt circuit, lipsa unor componente, componente cu orientare greșită, defectarea componentelor.

5. Procesul de curățare

Un proces de curățare este necesar pentru a elimina fluxul și alte eventuale contaminări înainte de testare și inspecție. Unele companii utilizează pasta și flux fără curățare, în care reziduurile rămase sunt inerte. Uneori, aceste tipuri de flux creează probleme de testare, deoarece reziduul rămas poate încapsula și izola punctele de testare.

6. Inspecția/ Testarea plăcilor

PCB-ul este întotdeauna inspectat într-o oarecare măsură în timpul procesului de asamblare. De exemplu, după ce componentele sunt lipite, inspectorul va verifica vizual calitatea lipiturilor.

Dar nu toate defectele se pot detecta printr-o simplă inspecție vizuală.

De asemenea, inspecțiile vizuale nu sunt practice pentru colectarea și evaluarea unor cantități mari de date privind defectele distribuite în timpul procesului de fabricație. Sistemele automate de testare și inspecție sunt mai potrivite pentru această sarcină.

Testarea și inspecția au rolul de a separa produsele bune de cele defecte și pot fi utilizate la monitorizarea proceselor și identificarea defectelor și atunci datele ce provin de la aceste echipamente pot fi folosite în analize statistice complexe (SPC – Statistic Process Control), care au ca scop anticiparea și prevenirea anumitor defecte, țelul final urmărit fiind acela de a crește la un nivel cât mai înalt calitatea produselor livrate la client și în același timp obținerea unor procese cât mai eficiente și cu cât mai puține rebuturi sau reparații.

Odată cu creșterea densității componentelor și reducerea dimensiunilor componentelor, a apărut nevoia unui proces de inspecție rapid și eficient. Numărul producătorilor subansamblelor electronice care au integrat Inspecția Automată Optică (AOI) și X-ray în procesele de inspecție a crescut considerabil. Aceste două tehnologii de inspecție oferă avantaje majore comparativ cu inspecția manuală. Soluția ideală pentru problema inspecției produselor este utilizarea ambelor tehnologii, combinându-le obținând cel mai înalt nivel de capabilitate și cel mai bun randament.

Fig. 11 Sisteme automate de testare și inspecție in linia de producție (AOI, X-ray)

Capitolul 2. Metode de inspecție automată a subansamblelor electronice

Primele echipamente de inspecție apar în anul 1980. Versiunile inițiale erau foarte costisitoare, cu o capabilitate limitată, dificil de programat iar crearea și mentenanța programelor de inspecție necesita multe ore, chiar zile. Datorită evoluției rapide a tehnologiilor hardware și software, cea mai recentă generație de sisteme AOI și AXI a depășit majoritatea acestor limitări. Sistemele AOI și AXI de astăzi oferă soluții de inspecție puternice, cu o gamă largă de caracteristici.

Producătorii de ansamble avansate de PCB știu că producerea cost-competitivă a subansamblelor electronice și satisfacerea așteptărilor de calitate ale clienților în același timp este vitală pentru succesul acestora. Conduși de complexitatea avansată a produselor și de dorința de a îmbunătăți randamentul prin utilizarea eficientă a informațiilor în timp real, producătorii implementează tehnologiile automate de testare și inspecție.

2.1 Inspecția Optică Automată (AOI)

Atunci când se compară viteza, eficiența și flexibilitatea altor metode de testare și inspecție, beneficiile AOI sunt clare. O linie tipică de fabricație, de exemplu, poate utiliza între doi sau patru inspectori pentru a identifica vizual și pentru a repara defectele de componente și de lipit. În schimb, un sistem AOI cere unui singur operator să detecteze și să repare defectele, precum și să colecteze toate datele necesare pentru îmbunătățirea randamentului. Acest lucru poate reduce necesarul de schimb pentru muncă sau permite realocarea resurselor într-o altă parte a procesului de fabricație, reducând în cele din urmă costurile. Cele mai avansate soluții AOI oferă diferite caracteristici cheie, ideale pentru a răspunde cerințelor actuale de inspecție:

Utilizare accesibilă: un factor important, dar adesea trecut cu vederea, atunci când se implementează AOI, este accesibilitatea. Există câteva sisteme care sunt mai potrivite pentru linii de producție dedicate unor volume mai mari. Aceste sisteme sunt adesea programate intensiv și nu se pretează la schimbarea liniei. Alte tipuri de sisteme sunt concepute astfel încât să asigure flexibilitatea necesară pentru a se adapta la producția pe configurație de linie multiplă. Sistemul de inspecție trebuie să fie suficient de flexibil pentru a fi utilizat oriunde în linie, în funcție de obiectivele de inspecție dorite. Programarea se poate schimba într-o anumită măsură în funcție de locul în care este folosit aparatul, dar cu un sistem flexibil, hardware-ul fiind, de obicei, același. Portabilitatea programului poate fi de asemenea un factor critic și trebuie luată în considerare la evaluarea unui sistem AOI.

Calitatea imaginilor: numărul de pixeli (megapixeli), mărirea optică și digitală (zoom) sunt criterii importante care pot determina adesea capabilitățile finale ale unui sistem de inspecție. Pentru a inspecta cu exactitate dispozitive mici, cum ar fi 01005, este important ca mărirea optică și digitală combinată să fie suficientă pentru a furniza cantitatea necesară de rezoluție și informații algoritmilor de inspecție software AOI. Cu toate acestea, apropierea duce la un câmp vizual mai mic (FOV) și, prin urmare, timpi de achiziție mai lungi a imaginilor, creând mai multe date pentru procesare. Prin urmare, deoarece timpii de ciclu se scurtează, sistemul AOI trebuie să ofere un echilibru între mărire și viteza de achiziție a imaginii.

Optică: pentru o mai mare acuratețe și repetabilitate, utilizarea opticii geometrice a devenit din ce în ce mai populară în echipamentele AOI. Lentilele tradiționale prezintă o mărire variată pentru obiectele aflate la distanțe diferite de lentilă și pot arăta forma aparentă a obiectelor care variază cu distanța de la centrul câmpului vizual. Lentilele telecentrice au aceeași mărire la toate distanțele. O lentilă telecentrică obiect-spațiu creează imagini de aceeași dimensiune pentru obiecte la orice distanță și are un unghi de vizualizare constant în întregul câmp vizual.

Iluminatul programabil: în orice aplicație machine vision, iluminarea este critică pentru obținerea rezultatelor dorite. Încercarea de a găsi o sursă de lumină care să permită detectarea tuturor condițiilor de defect este aproape imposibilă, având în vedere mediul în continuă schimbare al producției de electronice. Pentru a asigura cea mai largă acoperire a defectelor pentru configurațiile componentelor și PCB-urilor, o sursă de lumină dinamică este crucială. Cu reducerea costului diodelor emițătoare de lumină (LED), producătorii de echipamente AOI sunt în măsură să configureze rețele de iluminat care pot fi personalizate în cadrul software-ului de inspecție. Cu multiple culori, la diferite unghiuri, utilizatorii AOI au flexibilitatea de a spori contrastul imaginii pentru a identifica cu ușurință o multitudine de condiții de defect. Chiar și într-un anumit tip de componente, posibilitățile sunt nesfârșite. Există multe variații ale proprietăților de culoare și ale suprafeței, împreună cu variațiile compoziției de pastă, dimensiunea și materialul plăcuței, precum și culoarea și textura PCB-ului. Iluminatul programabil este un instrument neprețuit pentru a asigura cea mai largă gamă de detectare a defectelor.

Precizia poziționării: cu mărimea componentei, precizia pozițională a echipamentelor de producție și de inspecție devine din ce în ce mai critică. De regulă, sistemul AOI ar trebui să aibă o precizie sub pixel. Acest lucru va asigura că sistemul este suficient de precis pentru a detecta abateri mici în poziție care pot duce la un defect 01005.

Software cu capacitate de integrare în rețea: O funcție importantă a oricărui sistem AOI este colectarea și recuperarea datelor. Datele pot fi sub forma unui text output, a unei baze de date, a unei colecții de imagini sau a unei combinații de mai multe formate. Colectarea datelor este o funcție de bază a majorității sistemelor AOI, cu toate acestea, recuperarea informațiilor este adesea mai complexă și depinde de configurația liniei de producție. Într-un mediu de rețea, AOI poate inspecta simultan un PCBA în timp ce transmite rezultatele dintr-un ansamblu anterior într-o stație de revizuire / reconversie "în aval". Stația din aval nu comunică doar cu sistemul AOI ci și stochează rezultatele inspecțiilor și analizează operațiile într-o bază de date SPC (Statistic Process Control). Rezultatele inspecției pot fi vizualizate în timp real sau arhivate pentru o examinare ulterioară.

Inspecția optică automată este o metodă standard unanim acceptată pentru controlul calității procesului de producție, a liniilor SMT (Surface Mount Technology). Pentru corectarea erorilor de proces, o soluție viabilă este controlul calității utilizând în diverse faze ale procesului inspecția optică automată.

Aparatura de inspecție optică automată post-reflow se poate conecta în-line (în cazul liniilor automate) sau offline atunci când inspecția vizuală se realizează prin sampling sau când se produc o varietate mare de plăci electronice. 70% din mașinile de inspecție optică sunt conectate post-reflow.

Inspecția optică automată este metoda preferată de inspecție a PCB-urilor (Printed Circuit Boards). Ea utilizează un sistem optic care ia o imagine a unui PCBA și o compară cu o poză a unui PCB în stare foarte bună în scopul detectării oricărui defect.

Echipamentele de Inspecție Optică Automată (AOI) folosesc:

– una sau mai multe camere de rezoluție înaltă pentru achiziționarea imaginilor (fig.14);

– un sistem de iluminare format dintr-o matrice cu LED-uri; (fig. 12)

– conveior pentru deplasarea și fixarea plăcilor în poziția de inspecție; (vezi fig.13)

Fig. 12 Fig. 13 Fig.14

Sursa de lumină AOI

Iluminatul este un element cheie al sistemului AOI. Prin alegerea sursei de iluminare corecte, este posibilă evidențierea mai ușoară a diferitelor tipuri de defecte. Odată cu progresele realizate în tehnologia de iluminare, acest lucru a permis iluminarea pentru a îmbunătăți imaginile disponibile și, la rândul său, acest lucru permite evidențierea defectelor mai ușor, cu o reducere a timpului procesării și o creștere a vitezei și preciziei.

Cele mai multe sisteme AOI au un set de iluminat definit. Acest lucru va depinde de operațiunea necesară și de tipurile de produse care urmează să fie testate. Acestea au fost, de obicei, optimizate pentru condițiile anticipate. Cu toate acestea, uneori pot fi necesare anumite particularizări, iar înțelegerea iluminării este întotdeauna folositoare.

O varietate de tipuri de iluminat este disponibilă:

• Iluminarea fluorescentă:

Iluminatul fluorescent este utilizat pe scară largă pentru aplicațiile de inspecție optică automată AOI, deoarece oferă o formă eficientă de iluminare pentru vizualizarea defectelor pe PCB-uri. Principala problemă cu iluminarea fluorescentă pentru aplicațiile AOI este că lămpile se degradează cu timpul. Acest lucru înseamnă că sistemul de inspecție optică automată va fi supus schimbărilor calității luminii.

• Iluminarea cu LED-uri:

Dezvoltarea iluminatului cu LED-uri a însemnat că sistemele automate de inspecție optică AOI sunt capabile să adopte o formă mult mai stabilă de iluminare. Deși lumina LED-urilor suferă o reducere a intensității luminilor de-a lungul timpului, aceasta poate fi compensată prin creșterea curentului. Folosind iluminatul cu LED-uri, nivelul de iluminare poate fi de asemenea controlat. LED-urile sunt, prin urmare, o formă mult mai satisfăcătoare de iluminare decât luminile fluorescente sau incandescente care au fost folosite cu ani în urmă.

• Infraroșu sau ultraviolet:

În unele cazuri, poate fi necesară iluminarea în infraroșu sau ultraviolet pentru a vizualiza anumite defecte sau pentru a permite inspecției optice automate să detecteze doar anumite tipuri de defecte.

În afară de forma de iluminare, poziționarea iluminatului pentru un sistem automat de inspecție optică, AOI, este la fel de importantă. Sursele de lumină necesită poziționarea nu numai pentru a se asigura că toate zonele sunt bine luminate, ceea ce este deosebit de important atunci când anumite componente pot arunca umbre, dar și pentru a evidenția defectele.

Fig. 2 Calitățile reflexive ale obiectelor din câmpul vizual

– lumina verde este aplicată suprafețelor plate sau cu cantitate limitată de aliaj. Aceasta poate reprezenta, de exemplu, un pad sau partea metalică a componentelor tip chip;

– lumina albă evidențiază zonele intermediare (trecerea de la un unghi de 45° la zone aflate într-un unghi mai mare);

– lumina roșie cade asupra suprafețelor cu lipitură formată într-un unghi mic, de obicei capătul lipiturii;

– lumina albastră evidențiază o zonă a lipiturii sau a componentelor aflate într-un unghi mai mare care tinde către vertical. (vezi fig. 3)

Fig. 15 Evidențierea lipiturii cu ajutorul luminilor AOI

Fig. 16 Poza luată de camera AOI (componentă chip)

2.2 Echipamente AOI MVP (Machine Vision Products) Ultra IV si Supra E

Fig. 17

Imaginea următoare ilustrează caracteristicile găsite pe partea exterioară a echipamentelor Ultra IV si Supra E: (fig. 18)

Fig. 18 Echipamente AOI

Camera și suportul ei sunt situate în mijlocul mașinii AOI. Accesul la cameră se face deschizând ușa din partea frontală.

Fig. 19 Camera și suportul acesteia

Aceasta este partea utilizată pentru achiziția snap-urilor care alcătuiesc imaginile folosite în inspecția optică. Sub cameră este situat stroboscopul, dispozitiv folosit pentru a produce lumină pulsatorie.

Fig.8 Stroboscopul

Luminile stroboscopului sunt aprinse pentru a obține snap-uri la intervale fixe.

Există 4 lumini folosite: verde, alb, roșu, albastră care sunt setate la 4 niveluri diferite – de high, medium și 45ș, lumina albastră având un modul separat. Sistemul cu LED-uri albastre este un modul atașat la baza carcasei de iluminare principală. Este acționat pneumatic când se pulsează lumina, apoi se ridică după finalizare. (fig. 20)

Fig. 20 Modulul cu lumina albastră

Machine Vision Products, Inc. (MVP) utilizează o tehnică de inspecție automată optică, care implică analiza nivelelor de gri ale elementelor de imagine (pixeli) într-o zonă specificată a unei imagini color. Conceptul din spatele acestei abordări va fi descris împreună cu metodologia din spatele acestei abordări, obținerea unei imagini adecvate pentru analiza bazată pe nivelurile de reflexie de pe componentele aflate sub stroboscop.

2.2.1 Scala nivelurilor de gri

Camera măsoară nivele de gri în intervalul de la 0 la 255, dar pentru stabilitate scala reală a nivelurilor de gri utilizate pentru algoritmii MVP este între 0 și 63. Acestea sunt cele 255 de niveluri de tonuri de gri originale care sunt împărțite în grupuri de patru. La calibrarea camerelor, nivelul de gri pentru un alb opac este setat la 180. Această valoare împărțită la patru este 45. Această scalare este utilă pentru a determina nivelul de gri la care se așteaptă să fie găsite anumite caracteristici.

Fig. 21 Scala nivelurilor de gri

2.2.2 Privire de ansamblu asupra algoritmilor

Un algoritm este un set de reguli care este urmat când se rezolvă o ecuație matematică. Prin utilizarea de algoritmi, lumina reflectată de o componentă a camerelor poate fi analizată pentru a determina dacă o componentă este defectă sau conformă. Există două niveluri de algoritmi pe care MVP AutoInspector le folosește pentru inspecția componentelor.

Nivelul 1 de algoritmi (Nivel Item/Element) este utilizat pentru a inspecta elemente ale componentelor (lipituri, prezența/absenta, polaritate, etc.) din pozele luate de camera foto.

Algoritmii de nivel 2 (Nivel Part, adică ansamblul elementelor) evaluează rezultatele de nivel 1 pentru a stabili dacă componenta îndeplinește criteriile specificate, cum ar fi precizia plasării, rotația, elemente de geometrie, etc. De exemplu, atunci când este examinat un QFP (Quad Flat Package) cu 64 de pini, fiecare lipitură (element) este inspectată folosind un algoritm de nivel 1 pentru a determina dacă este în parametrii specificați pentru fiecare element. Prin urmare, vor exista 66 (plus polaritate și test de prezența) inspecții de nivelul 1 privind acest QFP. O componentă va avea doar un algoritm de nivel 2. Rezultatele inspecției de nivel 1 sunt colectate. Ulterior, algoritmul de nivel 2 determină dacă componenta îndeplinește criteriile stabilite.

2.2.3 Procesarea imaginilor 2D

Procesul de obținere a imaginilor pentru efectuarea analizelor pe diferite tipuri de componente este ilustrat mai jos. În principiu, orice suprafață plană reflectorizantă va reflecta lumina înapoi spre camerele foto, iar în cazul suprafațelor întunecate, nereflectorizante sau înclinate nu se va întâmpla același lucru. Acest principiu va contribui la determinarea dacă există lipitură între componentă și placă, terminale ridicate sau scurt circuit. Figura de mai jos (fig. 22) ilustrează modul în care modulele camerei Ultra IV și Supra E detectează un obiect.

Fig. 22 Procesarea imaginilor 2D

2.3 Inspectia X-Ray Automată (AXI)

Inspecția X-Ray automată devine din ce în ce mai populară deoarece la fel ca AOI, este o soluție de inspecție neinvazivă care oferă date de proces în timp real și poate fi utilizată eficient pentru detectarea defectelor și îmbunătățirea randamentului. Imaginile cu raze X ale lipiturilor pot fi analizate automat pentru a detecta defectele structurale, cum ar fi lipirea insuficientă, scurt-circuitele, terminale nelipite și alte defecte care pot reprezenta peste 90% din defectele totale ale unei plăci complicate. Dar, spre deosebire de AOI, imagistica cu raze X nu este obstrucționată de lipituri ascunse, de shield-urile componentelor și de plăcile cu densitate mare pe ambele părți.

Acest avantaj cheie al inspecției lipiturilor ascunse face AXI alegerea logică pentru inspectarea plăcilor complicate, în special a celor cu BGA (Ball Grid Array), CGA (Column Grid Array), CSP (Chip Scale Package) sau componente care sunt sub shield-uri RF. Acesta este un avantaj al AXI, având în vedere că un număr semnificativ de plăci intră în această categorie cu popularitatea în creștere a package-urilor circuitelor integrate. În plus, multe telefoane mobile și produse de comunicații fără fir plasează shield-uri RF peste componentele de la stațiile pick-and-place, folosind procesul de reflow pentru a le lipi pe placă.

Inspecția X-Ray automată poate fi utilă în multe etape ale procesului de asamblare, dar constrângerile legate de timp și resurse limitează de obicei majoritatea produselor la o singură inspecție cu raze X. Din acest motiv, ar trebui implementat acolo unde va oferi un beneficiu maxim pentru proces.

Fig. 23 Transmisia X-Ray

2.3.1 Tehnologii X-Ray

Inspecția manuală X-Ray

Deși mai costisitor decât MVI (Manual Visual Inspection) convențional, inspecția manuală cu raze X este aproape similară: folosește ochii și creierul operatorului ca procesor de imagine și factor de decizie. Acest lucru este lent și plictisitor în producție ducând la rezultate incoerente și este mai potrivit pentru un mediu de analiză a eșecurilor. Operatorul care efectuează analiza defectelor are de obicei experiență considerabilă în interpretarea imaginilor X-Ray, și în mod normal există un număr limitat de defecte de analizat. Majoritatea sistemelor X-Ray sunt sisteme de transmisie.

Inspecția X-Ray 2D

X-Ray "2D" (bidimensional) este un alt nume pentru tehnologia convențională de transmisie cu raze X. Razele X sunt generate de o sursă fixă, trec prin PCBA, și formează o imagine pe un detector. Radiografiile medicale, dentare sunt bazate pe sisteme de transmisie și utilizarea filmului fotografic ca detector. În industrie, detectorul creează imaginea, o transformă în imagine digitală și o transferă pe un computer unde are loc analiza imaginii. La fel ca pe o radiografie medicală, totul între sursă și detector stă în focalizare. Acest lucru funcționează bine dacă te uiți la un os rupt sau la o placă cu o singură față, care are doar un singur strat. Pe plăcile double-sided cu o densitatea mare a lipiturilor pe ambele părți, imaginea devine neclară, confuză, după cum se arată în figura următoare.

Fig. 24 Transmisie 2D

Lipiturile de pe partea de sus se suprapun peste cele de pe partea de jos a plăcii, apar multe umbre, analiza devenind aproape imposibilă. Inspecția X-Ray 2D este cea mai potrivită pentru plăcile cu componente pe o singură față.

Inspecția X-Ray 3D (tomosynthesis)

Inginerii proiectează de obicei PCB-uri double-sided datorită performanțelor sau cerințelor de spațiu ale produselor finale. Aceste cerințe de multe ori duc la un acces scăzut la testele electrice datorită densității ridicate. Tehnologia X-Ray este o sabie cu două tăișuri: permite vizualizarea caracteristicilor ascunse, dar include în imagine, de asemenea, totul între sursa de raze X și detector. Este clar că informațiile legate de fiecare parte a plăcii double-sided trebuie separate pentru a putea fi utilizate în mod eficient. Așadar inspecție "3D" înseamnă imagini clare ale straturilor plăcii generate și folosite pentru testare.

Inspecția X-Ray 3D se bazează pe reconstituirea transmisiei multiple, a imaginilor preluate din diferite unghiuri, creând o pseudo-imagine 3D. Integrarea unui număr infinit de imagini ar da cele mai clare imagini ale unei felii din placă. Din păcate, suma de calcul crește foarte mult direct proporțional cu creșterea numărului de imagini folosite în reconstrucție. Practic, numărul de imagini utilizate în fiecare reconstrucție este limitat datorită nevoilor de tranzit ale unui sistem de producție. Costul reducerii numărului de imagini utilizate are ca rezultat formarea de caracteristici fantomă sau "artefacte" în imaginea feliei care sunt o sursă de eroare în analiză. Implementarea inspecției X-Ray 3D este în continuare foarte limitată în mediile de producție, dar începe să fie o tehnologie promițătoare, computerele devenind mai rapide și mai puțin costisitoare.

Fig. 25 Tomosinteza

Combinând inspecția 2D și 3D se oferă o abordare nouă care combină viteza de transmisie 2D cu capabilitatea inspecției 3D de a vizualiza fiecare parte a plăcii. Aceasta ar părea o abordare bună, aplicând punctele forte ale fiecărei tehnologii. Atât imaginile 2D cât și imaginile 3D se fac într-un singur pas, în același sistem.

Datorită dimensiunii și costului detectoarelor X-Ray, limitărilor în ceea ce privește rezoluția sistemului și cantității mari de informații prezente în fiecare imagine, toate sistemele automatizate X-Ray împart placa testată în părți mai mici pentru analiză. În majoritatea sistemelor, mărimea acestor "câmpuri de vizualizare" variază de la aproximativ 7.62 mm până la 25,4 mm. Teoria din spatele sistemelor combinate 2D / 3D este că un procent mare de lipituri sunt neumbrite și, prin urmare, pot fi inspectate în modul 2D. Cu toate acestea, deoarece placa trebuie să fie împărțită în câmpuri de vizualizare, prezența oricărei umbre într-un câmp de vizualizare necesită inspecția întregului câmp în modul 3D. Acest lucru crește foarte mult procentajul zonelor care trebuie inspectate în modul 3D care este mai lent. Cu cât este mai mare densitatea lipiturilor pe placă, cu atât este mai mare probabilitatea ca orice vizualizare să necesite inspecție 3D datorată umbrelor.

Fig. 26 Tomosinteza digitală

Fig. 27 Reconstrucția imaginilor

Laminografia 3D

În laminografia 3D, sursa de raze X și detectorul se mișcă într-un model circular, sincronizat dar defazat cu 180 de grade. În imagine, sunt incluse doar caracteristicile dintr-un plan al tabloului plăcii. Îmbinările și orice altceva care nu este în planul de focalizare sunt suficient de estompate în imagine pentru a permite analiza independentă în planul de focalizare. Prin mișcarea precisă a plăcii în sus și jos (pe axa Z), imagini cu lipiturile de pe fiecare parte a plăcii pot fi independent generate pentru test. Laminografia este mult mai rapidă decât inspecția 3D. Într-un sistem bazat pe laminografie, capacitatea de a se concentra pe o singură față a plăcii solicită de asemenea sistemului să știe unde este situată felia inspectată pe axa Z. Sistemele bazate pe laminografie trebuie să măsoare precis poziția plăcii pe axa Z. De obicei, acest lucru se face pe fiecare placă de la începutul ciclului de testare cu un laser sau un sistem optic care este o parte integrantă a echipamentului de inspecție.

Fig.28 Laminografia

Fig. 29 Imagine 3D obținută prin laminografie

Comparând imaginile 2D si 3D (fig. 30) :

-imaginea de sus este 2D;

-imaginile de jos sunt 3D;

-imaginile sunt luate în aceeași regiune a aceluiași PCB.

Fig. 30 Comparatie imagini 2D-3D

Observații:

-imaginea 2D conține informații de pe ambele părți ale plăcii;

-o imagine 3D conține informații de pe o singură față;

-marginile, contururile în imaginea 2D sunt bine definite, în timp ce în cazul imaginilor 3D sunt destul de confuze;

-dacă există void-uri în bilele de cositor, acestea pot fi detectate în imaginile 3D.

2.4 Echipamente AXI

2.4.1 Microscopul X-Ray – Dage XD7800NT

Fig. 31 Microscopul X-Ray – Dage XD7800NT

Acest echipament oferă caracteristici care merită să fie luate în considerare de producătorii de PCBA-uri:

• rezoluție optimă pentru inspecția și analiza PCB-urilor și dispozitivelor;

• vizibilitate la unghiuri de 70°;

• utilizare accesibilă;

• controale joystick simplu de utilizat;

• operare point-and-click intuitiv;

• inspecție digitală X-Ray în timp real;

• procesare imagini de 16bit cu imagini live la 25 frames per second;

• măsurători automate pentru BGA-uri și void-uri;

• strângere complexă a datelor și facilități de raportare.

Tubul X-Ray, sursa de înaltă tensiune, controller-ul tubului, intensificatorul de imagine, suportul principal al tubului X-Ray, al intensificatorului imaginii și al tăvii de manipulare, sunt doar câteva din elemntele principale ale echipamentului.

Fig. 32 Suportul principal al tubului X-Ray (1)

(2. montat pe 4 rotițe de plastic; 3. suporți pneumatici anti-vibrație)

Imaginea X-Ray folosită este “fotografia” pe nivele de gri, realizată de sistemul X-Ray Dage. În general, aceste imagini sunt capturate în timp real, pe măsură ce operatorul scanează produsul. Imaginile X-Ray arată locațiile în care sunt blocate razele X. Zonele întunecate ale imaginii indică faptul că mai multe raze X sunt blocate (prezența lipiturii), în timp ce zonele luminoase indică faptul că razele X nu sunt blocate.

Dezavantajul acestui echipament este că puterea de decizie a operatorului devine foarte importantă în inspecție, aceasta fiind manuală.

Fig. 33 Produse așezate pe tava de manipulare

Fig. 34 Imaginea X-Ray după scanarea tăvii de manipulare (corespunzătoare fig.33)

2.4.2 ViTrox V810 S2 EX System

Fig. 35 Echipamentul ViTrox V810 S2EX

Acest echipament folosește tehnologia reconstrucției imaginilor X-Ray prin tomosinteza digitală. Sistemul ViTrox V810 S2 EX de testare a proceselor structurale face posibilă această analiză prin generarea în timp real a unor imagini transversale ale lipiturilor. Imaginile X-Ray (care au la bază tomosinteză digitală) obținute de către sistemul V810 S2 EX sunt analizate automat în raport cu datele de proiectare a plăcii pentru a oferi în timp real informații cu privire la structura fiecărei lipituri. Modelul V810 S2 EX permite evaluarea cuprinzătoare a tuturor tipurilor de lipituri: through-hole, module multi-chip (Multi-Chip Modules, MCM), tehnologii surface mount (SMT), BGA si altele. Datele pe care le măsoară sistemul V810 S2 EX oferă date extinse privind controlul proceselor. Spre deosebire de laminografie, în cazul tomosintezei subansamblul inspectat se mișcă în timp ce detectorul și camerele rămân în aceeași poziție. Pentru a obține imagini din mai multe unghiuri, mai multe camere TDI sunt instalate la un unghi diferit față de obiect.

Fig. 36 Dispunerea camerelor, a detectorului si a tubului X-Ray în echipamentul prezentat

Capitolul 3. Studiul comparativ al capabilității metodei de inspecție AOI vs. X-Ray

Tehnologia de astăzi adoptă folosirea componentelor de dimensiuni tot mai reduse, componente chip, pachete de componente cu lipituri ascunse și numeroase componente pe ambele părți ale plăcilor electronice (PCBA) iar inspecția vizuală manuală este evitată, fiind depășită de aceste noi provocări. AOI (Inspecția Optică Automată) și/sau AXI (Inspecția X-Ray Automată) încep să fie utilizate la o scară mai largă.

Întrebarea cheie care se pune în acest context este:

• Când este indicată utilizarea AOI, când să folosim AXI și când este nevoie de ambele metode de inspecție?

Inginerii de test au mult mai multe provocări acum decât cu câțiva ani în urmă. Complexitatea plăcilor crește, acestea având mai multe componente, mai multe lipituri, densitate mai mare, tehnologii noi de pachete, cum ar fi componente de tip matrice (BGA), pachete de chip 0402 și 0201. Cu cât crește numărul componentelor și implicit al lipiturilor, se creează mai multe oportunități de defecte care conduc la un randament mai mic. În același timp, există mai multe alternative de testare și de inspecție astăzi, cu tehnologii noi, cum ar fi Solder Paste Inspection (SPI), inspecție automată X-Ray (AXI) și inspecția optică automată (AOI). Aceste tehnologii de inspecție sunt bine stabilite și oferă mai multe opțiuni. Tehnologia de test Boundary-Scan a apărut, de asemenea, ca o tehnică electrică populară pentru a completa testarea in circuit (ICT) și testul funcțional (FT). În timp ce aceste instrumente noi oferă mai multe opțiuni, ele ridică, de asemenea, o nouă dilemă. Care este strategia corectă de testare / inspecție? Care este combinația cea mai eficientă a acestor opțiuni?

Alegerea unei strategii de testare este influențată de mai mulți factori, cum ar fi bugetul alocat de către client, complexitatea produsului, destinația finală a acestuia, durata de viață pentru care se așteaptă să funcționeze ansamblul respectiv, experiența și pregătirea personalului, ș.a.m.d.

Asigurarea calității produselor ar trebui să reprezinte punctul forte al companiilor iar elementele principale ale unui sistem de calitate în producția PCBA-urilor sunt: inspecția vizuală manuală sau automată, testul electric în circuit, testul funcțional și testul final de calitate.

Inspecția vizuală manuală implică angajarea operatorilor calificați și utilizarea microscoapelor pentru a detecta erorile de pe placa electronică. Această metodă prezintă un dezavantaj major prin faptul că decizia este luată de operator în urma analizei vizuale, defectele fiind găsite într-o proporție de 50-80%.

În cazul volumelor de producție medii și mari este nevoie de aparatură de inspecție automată cum sunt inspecția optică automată (AOI) și inspecția X-Ray automată (AXI).

Metodele de inspecție automată au fost prezentate în capitolul 2 al acestei lucrări, urmând să fie analizate beneficiile aduse de fiecare tip de inspecție în parte și diferențele dintre acestea.

Inspecția optică automată are ca scop verificarea caracteristicilor procesului de placement și de reflow: prezență/absență componente, localizare nepotrivită, marcajul (OCV, OCR), pini ridicați, insuficiențe lipituri, scurt circuit.

Inspecția X-Ray este destinată în primul rând zonelor ascunse, cu vizibilitate redusă, pentru a putea depista erorile care nu pot fi găsite la inspecția optică automată. În această discuție intră conectorii, circuitele integrate de tip BGA, PLCC, ș.a. Este utilă, de asemenea, și pentru inspecția zonelor vizibile. Echipamentele din această categorie pot detecta: prezența/absența componentelor, integritatea acestora, localizare, calitatea lipiturilor, scurt circuit, ș.a.

Testarea în circuit (ICT) este etapa în care se verifică corectitudinea parametrilor electrici ai componentelor și conexiunile dintre ele. Testarea electrică se face spre finalul procesului de producție.

O comparație între aceste tipuri de inspecție/ testare este ilustrată în figura următoare (fig.1).

Fig. 37

În urma analizei posibilităților de inspecție automată se poate observa complementaritatea acestora.

3.1 Complexitatea produsului

Acesta este un factor important care influențează alegerea strategiei de testare. Nivelul complexității unui produs era o chestiune subiectivă până în anul 1999 când s-a calculat un indice al complexității. Indicele complexității se calculă ținându-se cont de numărul componentelor, numărul lipiturilor, numărul fețelor plăcii și volumul ridicat sau redus al lotului de producție.

Formula de mai jos exprimă calculul indicelui complexității:

= indicele de complexitate;

C = numărul componentelor;

J = numărul lipiturilor;

S = numărul fețelor populate ale placii (1 sau 2);

M = gradul de mixare al produselor pe o linie de producție (1 sau );

D = densitatea de lipituri care se calculează astfel:

sau

Dacă rezulatatul asociat indicelui de complexitate este sub 50, complexitatea plăcii va fi redusă. Un indice situat între 50 și 125 arată o complexitate medie, iar o valoare de 125 sau mai mare de 125 indică o complexitate ridicată.

Acest indice este privit din punctul de vedere al echipei de manufacturing, nu din perspectiva celor care se ocupă de testare. În producție, cu cât crește complexitatea este tot mai dificil să se atingă un randament ridicat fără inspecție sau testare.

Atunci când se discută despre alegerea strategiei de testare implicând complexitatea produselor, este indicat să privim și la volumul producției.

3.2 Volumul producției

În general, inspecția AOI este aplicată unui volum mai mare de produse, în timp ce AXI 3D are o eficiență mai ridicată. Eficiența devine un factor important când complexitatea produselor crește. În figura următoare (fig.2) este ilustrată decizia asupra strategiei de inspecție în funcție de volum și complexitate. Dacă volumul și complexitatea sunt la un nivel scăzut, inspecția vizuală manuală rămâne încă o alternative bună. Dacă acești doi factori încep să crească, inspecția AOI este recomandată. Când complexitatea produselor este mai ridicată, ar trebui luat în considerare un sistem AXI. În partea dreaptă a graficului, unde și complexitatea și volumul ating nivele ridicate, soluția mai bună va fi includerea ambelor tipuri de inspecție.

Fig.38 Alegerea AOI și/sau AXI în funcție de volum și complexitate

3.3 Monitorizarea defectelor

Pentru a putea îmbunătăți procesul de producție și a evita astfel înmulțirea defectelor este recomandată monitorizarea acestora. Unul din indicatorii folosiți pentru a observa eficiența procesului global de producție este PPM/DPMO:

DPMO = numărul de defecte per un milion de oportunități – depinde de numărul și tipul componentelor folosite;

PPM = parți per million;

Alt indicator mai simplu de folosit, exprimat în procente, este FPY (First Pass Yield). Acesta este important când vine vorba de eficiența unei linii de producție și este calculat raportând numărul de unități bune la numărul de unități testate în total.

Capabilitatea unui proces este dată de alți doi indici: și . Primul indice definește gradul în care se încadrează valorile măsurate între limitele de control date, iar cel de-al doilea indice se referă la gradul de centrare a valorilor măsurate raporat la valoarea de referință. Aceștia se calculează astfel:

Un proces este considerat stabil dacă este mai mare decât 1,33.

3.4 Studiu de caz

În cele ce urmează voi face referire la un produs care se inspectează folosind atât AOI, cât și AXI. În fig. 3 este prezentată o placă cu fața A în fig. 39 și fața B în fig. 40.

Fig. 39 Side A

Fig. 40 Side B

Tabelul următor prezintă numărul componentelor de pe fiecare față a plăcii și numărul lipiturilor.

Tab. 1

Calculând indicele de complexitate al plăcii se constată că trece de pragul 125, rezultând o complexitate ridicată.

Analizând tipurile de componente din BOM observăm diversitatea acestora: componente de tip chip (rezistori, condensatori, bobine), circuite integrate de tip SOIC (Small Outline Integrated Circuit), QFN (Quad-Flat No-Leads), QFP (Quad Flat Package), tranzistori SOT (Small-Outline Transistor), oscilatoare (XTAL), condensatori tantalum, electrolitici, LED-uri (Light-Emitting Diode), rețele de rezistori, BGA-uri (Ball Grid Array), etc.

La generarea programelor de inspecție se ține cont de tipurile de componenete plasate pe placă, fiecare tip având testele necesare. De exemplu, inspecția AOI a unei componente de tip chip presupune: inspecție lipituri, prezența/absentă și pasul OCV (Optical Character Verification), un algoritm folosit pentru a verifica marcajul componentei. Algortimul OCV este foarte util în detectarea componentelor greșite sau a polarităților greșite.

Fig. 4 Utilizarea algoritmului OCV pentru verificarea marcajelor componentelor

Pentru componentele mai complexe (QFP, SOIC) care au lipituri vizibile, se setează un pas de bridging care presupune verificarea spațiilor dintre lipituri pentru a detecta scurt-circuitul. Inspecția AOI se face 100%, adică se verifică toate componentele de pe placă.

Spre deosebire de AOI care verifică și marcajele componentelor , inspecția X-Ray se axează pe verificarea lipiturilor, având un alt atu, și anume, vizualizarea lipiturilor ascunse.

Exemplu în figura următoare – lipituri BGA – acestea nu pot fi verificate la AOI, fiind ascunse

sub componetă.

Fig. 41 Offset BGA

La generarea programului de inspecție X-Ray se setează teste de verificare a lipiturilor (measurement, short, voiding, open, misalignment, slice setup).

Fig. 41 Setarea algoritmilor de verificare la X-Ray

Echipamentul X-Ray este folosit ca o completare a inspecției, așadar nu se mai inspectează toate componentele.

În cazul plăcii alese pentru studiul de caz, se testează doar o parte din componentele plăcii. În tabelul următor este precizată rata de acoperire a componentelor testate.

Tab. 2 Coverage AXI

La generarea programului de inspecție X-Ray se setează teste de verificare a lipiturilor (measurement, short, voiding, open, misalignment, slice setup).

Echipamentul X-Ray este folosit ca o completare a inspecției, așadar nu se mai inspectează toate componentele.

În cazul plăcii alese pentru studiul de caz, se testează doar o parte din componentele plăcii. În tabelul următor este precizată rata de acoperire a componentelor testate.

Acest produs nu are și componente PTH, dar în cazul produselor care trec prin Wave, se face o nouă inspecție X-Ray post-wave. Detectarea defectelor după Wave se poate face doar prin inspecția X-Ray, toate lipiturile fiind ascunse.

Privind la defectele reale găsite în urma inspecțiilor AOI și AXI în 6 luni, am observat că inspecția optică automată detectează probleme ale componentelor chip (R215, C89, R735, etc) în marea majoritate a cazurilor (nu e exclusă detectarea defectelor altor componente), iar defectele găsite la X-Ray sunt legate de componentele ale căror lipituri nu sunt vizibile (U127, U1.AB, U1.A5, U125_1, etc). Acest lucru se poate observa și în tabelele 3 și 4 care conțin fragmente din listele cu referințele componentelor cu defecte reale. În această bază de date, defectele găsite la AOI se înregistrează la nivel de part, în timp ce la AXI sunt înregistrate la nivel de pin, rezultând o mare diferență între numărul defectelor detectate de echipamentele AOI și X-Ray. Numărul defectelor reale găsite la AOI în această perioadă de 6 luni este 184, în timp ce numărul lipiturilor defecte găsite la X-Ray este 2,145. La o primă vedere, am spune că echipamentul X-Ray este mult mai eficient decât echipâmnetul AOI, însă trebuie ținut cont de faptul că lipiturile circuitelor integrate sunt mult mai multe decât numărul de componente.

Tab. 3 Lista defectelor reale găsite la AOI Tab. 4 Lista defectelor reale găsite la AXI

Concluzii

În această lucrare am dorit să expun o comparație între două moduri diferite de inspecție optică cu scopul de a evidenția faptul că la alegerea unei strategii de inspecție/testare se ține cont de mai mulți factori, cum ar fi complexitatea și volumul produselor.

În primul capitol sunt prezentate etapele producției subansamblelor electronice și defectele care pot să apară de-a lungul acestui proces.

Următorul capitol este compus din descrierea a două tipuri diferite de inspecție optică, cu exemple de chipamente utilizate.

Ultimul capitol prezintă câțiva factori de care se ține cont în alegrea unei strategii de inspecție/testare, cum monitorizăm defectele care apar în timpul procesului de producție, și nu în ultimul rând, un studiu de caz care evidențiază complementaritatea metodelor de inspecție alese.

În cadrul acestui studiu de caz am ales un produs cu o complexitate ridicată, am descris modul de abordare al fiecărei metode de inspecție, ajungând la concluzia că excluzând una din cele două metode (AOI și AXI) procentajul escape-urilor va crește, altfel spus o mulțime de plăci electronice trec mai departe în procesul de producție cu o mulțime de defecte nedescoperite.

O strategie de test eficiență implică detectarea tuturor defecțiunilor cât mai devreme posibil.

În concluzie, am prezentat un răspuns pentru întrebarea lansată la începutul capitolului 3: “Când este indicată utilizarea AOI, când să folosim AXI și când este nevoie de ambele metode de inspecție?”

Bibliografie

Focus on In-Circuit Testing (Fourth Edition) ©GenRad, Inc. 1997. All rights reserved. Westford, Massachusetts, U.S.A. 01886-0033. November, 1997.

http://www.nordson.com/en/divisions/yestech/about-nordson-yestech/articles/aoi-and-x-ray-inspection-systems-combined-provide-valuable-yield-enhancement-solution , consultat la data de 15.03.2018

https://www.evaluationengineering.com/exploring-aoi-and-x-ray, consultat la data de 22.05.2018

https://www.electronics-notes.com/articles/test-methods/automatic-automated-test-ate/design-for-aoi-test.php , consultat la data de 22.05.2018

https://www.evaluationengineering.com/exploring-aoi-and-x-ray, consultat la data de 29.05.2018

Documentație Plexus Corp.