应用X射线检测PCB板

　　大多数测试工程师都了解X射线检查系统可以检查隐藏在元件下面的焊点，或检查其它技术难以检测出来的微小焊点。但是，他们可能不了解X射线成像技术有不同的检查方式，2D发射设备会显示X射线路径上的一切物体，而3D系统可以消除来自双面电路板上元件的视觉干扰。尽管2D X射线系统目前还在应用，但3D系统却是高密度双面电路板检查的主流检查设备。

　　两家著名的PCB测试设备制造商为电子行业生产3D X射线检查系统，即安捷伦和泰瑞达。目前，安捷伦科技的5DX系列在市场上占据优势，而泰瑞达的ClearVue系统却是步步紧逼。


图1  通过连续提高5DX系列的成像和软件能力，安捷伦科技已经占据3D X射线检查市场主导地位多年　　来源：安捷伦科技公司

图2  受控X射线和旋转的检测器需要对PCB上的感兴趣区域进行若干次成像。软件将成像合成，仅在PCB的一面显示焊点

　　安捷伦的5DX系列(图1)是其第四代产品，且一直在改进可重复性和吞吐量。系统的X射线分层摄影法技术依赖于与旋转的图像检测器保持同步运动的可旋转X射线束(图2)。X射线分层摄影法使系统能够对3mil（0.75mm）厚的PCB进行成像，从而让测试工程师可以清楚地在PCB任意一面观察焊点。

　　5DX系统首先利用X射线束检测PCB的特征，以便对准PCB的X和Y轴。第二步，它利用激光测距仪来制成电路板表面的拓扑图(PCB可能存在一定的表面变形，例如扭曲)。第三步，系统精确地上下移动电路板(Z轴)以便X射线束聚焦在观测区域，自动成像。但是，它需要再一次扫描电路板。
　　5DX系统可以处理0201 SMT元件并能够分辨间隔8mil(0.2mm)的焊点。当它遇到焊球或焊点内的空泡时，5DX系统也可以将它们检测出来，将从成像中提取的信息与测试工程师预先设定的特征比较，来判定焊点否合格。软件的改进已经极大地缩短了编程的时间，从而使5DX便于使用。

　　除了检查微小的和隐藏的焊点，X射线检查设备还提供分析和诊断工具。随着PCB制造商向无铅焊转移，用户必须了解无铅焊对生产工艺的影响，在向无铅焊转移期间你会看到可能出现的许多缺陷。

　　当你对主要工艺作出改变时，有些事情会朝着预期的方向变化；但是，也会发生一些无法预料的事情。5DX系统可以帮助工程师控制生产工艺并回归到变化之前的品质。随着制造商向无铅焊的转移，X射线系统有助于帮助制造商减少不合格率。

　　ClearVue技术

　　尽管安捷伦科技在3D X射线检查设备市场占据领先地位，但是，一直向电子行业提供2D X射线检查设备的泰瑞达公司现在已经进入3D市场。他们认为X射线分层摄影技术机械上太复杂，它包括一个旋转检测器、一个旋转X射线源、一块在X射线焦平面(Z轴)移动的电路板以及一台激光拓扑图扫描仪。与之形成鲜明对比的是，泰瑞达拥有专利的离心层析X射线照相组合技术(称为ClearVue)重构了3D成像切片，而X射线源、检测器和PCB都保持静止。这种3D X射线成像方法自然地简化了检查设备(PCB在成像采集之间移动)。


图3  宽角射线束使ClearVue X射线技术能够对PCB的一部分进行离轴(off-axis)成像


图4  泰瑞达XStation MX检查设备提供构建在ClearVue技术上的X射线检查能力　来源：泰瑞达公司



图5  在X射线摄像机下的PCB方块G，系统采集红色和紫色方块的离轴成像。在X射线摄像机下的PCB方块H，系统采集蓝色和不同的紫色方块的离轴成像

　　ClearVue技术在PCB的一面放置了宽角X射线源，而在PCB的另一面放置了大型检测器(图3)。X射线束透过电路板到达检测器，但是，不像2D发射系统那样直接观察穿过PCB的X射线，也不像X射线分层摄影系统那样采用小角度X射线束，ClearVue X射线束的角度可以扩展到40°。泰瑞达已经开始交付使用基于ClearVue技术的XStation MX在线自动检查系统(图4)。

　　为了理解ClearVue技术的工作原理，图5将PCB成像为一个正方形矩阵或区域。假设X射线系统定位PCB使方块G位于X射线和检测器之间。然后系统可以离轴或离角采集其周围的方块A、B、C、F、H、K、L和M。当系统把方块H移动到X射线束中时，它就离轴采集方块B、C、D、G、I、L、M和N。注意，系统对方块 B、C、L和M成像两次，但是，成像的角度不同。重新定位PCB就可以让X射线系统为每一个方块创建8个离轴成像矩阵(图6)。然后，计算机通过数学运算将离轴拓扑图信息组合起来，在选定的平面上构造仅限于元件的成像。


图6  PCB方块的8个离轴X射线成像包括一个方块的所有信息。算法将信息组合以便工程师有选择地观察元件、焊点和其它特征(增加色彩起到强调作用)

　　因为X射线束穿过PCB，所以，PCB方块8个离轴成像的每一个集合都包含了PCB两面的元件信息。因此，ClearVue算法可以生成PCB两面的焊点成像。此外，成像可以描绘PCB任意一面的焊点、焊盘等等的成像切片。

　　一幅成像的扫描面积可以到达2.2x2.2 平方英寸(56x56 平方毫米)，对于该大小扫描场的观测，泰瑞达的设备可以每秒6平方英寸(每秒31平方厘米)的速度检查，该速度与大多数光学检查系统的速率相同。ClearVue技术还可以计算Z轴信息，所以，它的3D X射线设备不需要独立且耗费时间的激光扫描来对PCB表面成像。XStation MX系统不依赖于大量的机械运动，而ClearVue技术并不对成像取平均，因此，每百万被查焊点的虚假焊点缺陷率小于500个焊点。

　　在每秒6平方英寸扫描率下，X射线检测器可以分辨1mil(0.25mm)的像素，从而使XStation MX系统足以观察0201 SMT元件上的焊点。因为系统可以调节X射线束的角度，改变观测区域以便检查诸如倒装芯片和BGA这样的封装。

　　测试工程师肯定会用好各种X射线检查设备。目前，生产线上下来的焊点中大约35%到40%采用BGA封装连接到电路板，泰瑞达的专家援引研究报告称，到2007年诸如BGA这样的面阵列封装将大约占所生产焊点的50%，但是，实际上许多公司现在就已经超过了那个百分比。