高清晰度X光检查用于改善合格率1
高清晰度X光检查用于改善合格率
By Luke C. Kensen 本文介绍，合约电子制造商正转向使用X光检查来改善产品质量与合格率。其挑战存在于将要用于制造合格率的新数据的快速收集与分析。 合约制造商(CM, contract manufacturer)已经成为X光成像系统的一个大市场，在资金数量与销售单位数量两方面都是。这些系统通常是非在线的(off-line)，放在SMT工艺装配线的后面，用于在价值增加之后但刚好通孔(through-hole)工艺之前的检查。可是，在线(on-line)系统正变得越来越普遍，随着X光与自动光学检查(AOI, automated optical inspection)系统的结合。在这个比较新的机器视觉(machine-vision)市场背后的动力是球栅阵列(BGA, ball grid array)与其它区域排列元件的增加使用，以及希望合格率改善和作为对印刷电路板(PCB)制造商的首要利益关注的迅速返工修理。 在测试运作期间，一个典型的PCB制造商所产生的测试数据和巨大的产量大大地激发了在合格率改善中的这个兴趣。随着自动检查仪器的改进，数据量继续增长。改进的缺陷或失效分析工具已经带来改进的数据准确性。迅速确认、收集、分析与返修即是优势也是所希望的，因为每个都减少由于混乱与偏离所引起的响应时间(和成本)。结果，制造工程师与品质控制人员经常被激发去迅速收集和分析任何新的数据，并用它来改进制造合格率。BGA与X光检查 X光检查很快成为PCB与电子合约制造商(CM)使用的主要工具，因为在这里BGA、微型BGA、芯片规模包装(CSP)、倒装芯片(flip chip)和其它隐蔽的连接元件已经成为一个标准的PCB设计元素。 传统的确认方法不再足以分析这些元件。通过使用X光检查，隐蔽的焊接点的特性可以一个简单的、可靠的和成本低廉的方式进行检查。由于X光检查的更高合格率意味着更少的PCB需要诊断、修理和重测。在某些制造运行中，这个合格率的改善已经是如此戏剧性的以至于制造商取消在线测试(ICT)，从而节约劳力、固定资产和工厂空间。 在功能板测试(FBT, functional board test)的情况中，节约可能更具戏剧性。这些节约的产生可通过缩短测试时间、减少要求诊断的失效PCB的数量、减少熟练技术员的使用(和成本)、和实质上消灭导致板报废的“致命”缺陷。 直到BGA结合使用到产品设计中的时候，大多数PCB与电子合约制造商(CM)还没有发现将X光检查使用到其产生过程中的太多需要。传统的方法，诸如人工视觉检查和电气测试，包括制造缺陷分析(MDA, manufacturing defect analysis)、ICT和功能测试，已经足够。可是，这些方法不足以检查隐蔽的焊锡点问题，诸如空洞、冷焊和焊锡附着差。只有X光检查有效地找到这些问题，除了监测过程品质和提供过程控制所要求的即时反馈之外。典型的BGA问题 以下是一些典型的X光与BGA问题。关注的首要地方是一旦BGA安装到PCB上它的无效的或错位的焊锡和锡球。其次是锡桥，经常发生在接触点上过多的焊锡或焊锡不适当使用的时候 - 特别是返修的BGA。第三是不对齐 - BGA锡球没有与PCB焊盘适当对准。第四是焊锡空洞，它是由于在加热期间夹在焊锡中的化学成分膨胀的结果。虽然有空洞的BGA焊接点可以正常工作，但是空洞表示可能导致今后失效的工艺问题。开路与冷焊点是另外的问题。这些发生在焊锡与对应的焊盘不接触或者它们之间的焊锡没有适当流动的时候(图一)。 选择X光系统 选择一个X光系统可能是挑战性的，即使今天有这些系统的能力与价格的范围。在作决定之前，重要的是考虑对系统的所有要求和来自于将系统结合到制造过程中的估计成本节约。要考虑的重要因素包括初始成本、清晰度、放大系数、图象处理特性以及所要求的自动化程度。还有另一个重要的考虑：竞争性的优势。在大宗的合约上，PCB装配是致命的重要，X光系统可能是在取得一个合约中的决定因素。 现在，考虑价格。系统可分的范围从基本的手动单元，价格大约$50,000开始，到全自动的在线系统，价格超过$500,000。有一个公司*已经发现一个非在线的、高清晰度的、X光检查系统对甚至最大的PCB应用都是最佳的选择。虽然还要求一个操作员作主观的决定，但基于机器视觉的X光检查本质上更加可靠，并且提供比手工检查更高的输出。 手动系统 手动系统一般为那些不要求完全检查的X光检查提供最灵活和最经济的解决方案。通常，这些系统用于制造过程的各个阶段，包括元件来料检查、过程监测、品质控制和失效分析。使用手工系统，操作员在视觉上分析X光影像和决定什么代表缺陷，可是，由于任何决定只是基于操作员的判断，结果将随操作员水平、工作时间、产量要求和个人因素而变化，个人因素诸如操作员注意力持续时间和特别的日子(检查在星期五下午比星期一上午更缺乏效率)。不管怎样，这些系统提供最大的检查灵活性和最快的实施时间，不需要高深的操作员培训或系统编程。半自动与自动系统 半自动X光系统通过使用机器视觉与可编程设备定位台提供较高的检查技巧。这些系统基于预设的灰度参数分析元件的贴装与焊锡的完整性。 全自动X光系统最常用于高产量/低混合的制造应用或者在产品的可靠性问题一定要求100%锡点检查的情况中。这些系统的特点是通过式传送带，并以生产线的速度运行。一些自动系统也提供额外的能力，进行双面板的截面或三维焊接点检查。这些系统要求大量的编程和运作支持，通常最适合于高产量/低混合的应用。 增加工艺过程合格率 X光检查系统是一个被证实的、检查隐藏的焊锡点、帮助建立与控制制造过程、分析原型(prototype)、和确认过程缺陷的工具。它们效率高、成本低廉，并且与MDA、ICT和AOI系统不一样，它们可以迅速确认短路、开路、空洞和BGA及其它区域排列包装在板上的锡球不对准。 记住，提高产品质量即提高过程合格率，保证维持长期运行成本的关键因素之一停留在低水平。不断的改进过程合格率是满足成本压力的可靠方法。这分成两类：(1)保证过程品质持续地高，即避免合格率损失或偏离，(2)持续改进长期的过程合格率。 结论 长期的工艺改进要求从尽可能多的资源得到输入。自动收集、维护和监测缺陷数据的X光检查，是改进产品质量与合格率两个方面的一个理想的开始点。一个管理良好的合格率改进系统是达到与维持在合约制造商(CM)的PCB生产中高合格率的费用低廉的方法。
By Luke C. Kensen 本文介绍，合约电子制造商正转向使用X光检查来改善产品质量与合格率。其挑战存在于将要用于制造合格率的新数据的快速收集与分析。 合约制造商(CM, contract manufacturer)已经成为X光成像系统的一个大市场，在资金数量与销售单位数量两方面都是。这些系统通常是非在线的(off-line)，放在SMT工艺装配线的后面，用于在价值增加之后但刚好通孔(through-hole)工艺之前的检查。可是，在线(on-line)系统正变得越来越普遍，随着X光与自动光学检查(AOI, automated optical inspection)系统的结合。在这个比较新的机器视觉(machine-vision)市场背后的动力是球栅阵列(BGA, ball grid array)与其它区域排列元件的增加使用，以及希望合格率改善和作为对印刷电路板(PCB)制造商的首要利益关注的迅速返工修理。 在测试运作期间，一个典型的PCB制造商所产生的测试数据和巨大的产量大大地激发了在合格率改善中的这个兴趣。随着自动检查仪器的改进，数据量继续增长。改进的缺陷或失效分析工具已经带来改进的数据准确性。迅速确认、收集、分析与返修即是优势也是所希望的，因为每个都减少由于混乱与偏离所引起的响应时间(和成本)。结果，制造工程师与品质控制人员经常被激发去迅速收集和分析任何新的数据，并用它来改进制造合格率。BGA与X光检查 X光检查很快成为PCB与电子合约制造商(CM)使用的主要工具，因为在这里BGA、微型BGA、芯片规模包装(CSP)、倒装芯片(flip chip)和其它隐蔽的连接元件已经成为一个标准的PCB设计元素。 传统的确认方法不再足以分析这些元件。通过使用X光检查，隐蔽的焊接点的特性可以一个简单的、可靠的和成本低廉的方式进行检查。由于X光检查的更高合格率意味着更少的PCB需要诊断、修理和重测。在某些制造运行中，这个合格率的改善已经是如此戏剧性的以至于制造商取消在线测试(ICT)，从而节约劳力、固定资产和工厂空间。 在功能板测试(FBT, functional board test)的情况中，节约可能更具戏剧性。这些节约的产生可通过缩短测试时间、减少要求诊断的失效PCB的数量、减少熟练技术员的使用(和成本)、和实质上消灭导致板报废的“致命”缺陷。 直到BGA结合使用到产品设计中的时候，大多数PCB与电子合约制造商(CM)还没有发现将X光检查使用到其产生过程中的太多需要。传统的方法，诸如人工视觉检查和电气测试，包括制造缺陷分析(MDA, manufacturing defect analysis)、ICT和功能测试，已经足够。可是，这些方法不足以检查隐蔽的焊锡点问题，诸如空洞、冷焊和焊锡附着差。只有X光检查有效地找到这些问题，除了监测过程品质和提供过程控制所要求的即时反馈之外。典型的BGA问题 以下是一些典型的X光与BGA问题。关注的首要地方是一旦BGA安装到PCB上它的无效的或错位的焊锡和锡球。其次是锡桥，经常发生在接触点上过多的焊锡或焊锡不适当使用的时候 - 特别是返修的BGA。第三是不对齐 - BGA锡球没有与PCB焊盘适当对准。第四是焊锡空洞，它是由于在加热期间夹在焊锡中的化学成分膨胀的结果。虽然有空洞的BGA焊接点可以正常工作，但是空洞表示可能导致今后失效的工艺问题。开路与冷焊点是另外的问题。这些发生在焊锡与对应的焊盘不接触或者它们之间的焊锡没有适当流动的时候(图一)。 选择X光系统 选择一个X光系统可能是挑战性的，即使今天有这些系统的能力与价格的范围。在作决定之前，重要的是考虑对系统的所有要求和来自于将系统结合到制造过程中的估计成本节约。要考虑的重要因素包括初始成本、清晰度、放大系数、图象处理特性以及所要求的自动化程度。还有另一个重要的考虑：竞争性的优势。在大宗的合约上，PCB装配是致命的重要，X光系统可能是在取得一个合约中的决定因素。 现在，考虑价格。系统可分的范围从基本的手动单元，价格大约$50,000开始，到全自动的在线系统，价格超过$500,000。有一个公司*已经发现一个非在线的、高清晰度的、X光检查系统对甚至最大的PCB应用都是最佳的选择。虽然还要求一个操作员作主观的决定，但基于机器视觉的X光检查本质上更加可靠，并且提供比手工检查更高的输出。 手动系统 手动系统一般为那些不要求完全检查的X光检查提供最灵活和最经济的解决方案。通常，这些系统用于制造过程的各个阶段，包括元件来料检查、过程监测、品质控制和失效分析。使用手工系统，操作员在视觉上分析X光影像和决定什么代表缺陷，可是，由于任何决定只是基于操作员的判断，结果将随操作员水平、工作时间、产量要求和个人因素而变化，个人因素诸如操作员注意力持续时间和特别的日子(检查在星期五下午比星期一上午更缺乏效率)。不管怎样，这些系统提供最大的检查灵活性和最快的实施时间，不需要高深的操作员培训或系统编程。半自动与自动系统 半自动X光系统通过使用机器视觉与可编程设备定位台提供较高的检查技巧。这些系统基于预设的灰度参数分析元件的贴装与焊锡的完整性。 全自动X光系统最常用于高产量/低混合的制造应用或者在产品的可靠性问题一定要求100%锡点检查的情况中。这些系统的特点是通过式传送带，并以生产线的速度运行。一些自动系统也提供额外的能力，进行双面板的截面或三维焊接点检查。这些系统要求大量的编程和运作支持，通常最适合于高产量/低混合的应用。 增加工艺过程合格率 X光检查系统是一个被证实的、检查隐藏的焊锡点、帮助建立与控制制造过程、分析原型(prototype)、和确认过程缺陷的工具。它们效率高、成本低廉，并且与MDA、ICT和AOI系统不一样，它们可以迅速确认短路、开路、空洞和BGA及其它区域排列包装在板上的锡球不对准。 记住，提高产品质量即提高过程合格率，保证维持长期运行成本的关键因素之一停留在低水平。不断的改进过程合格率是满足成本压力的可靠方法。这分成两类：(1)保证过程品质持续地高，即避免合格率损失或偏离，(2)持续改进长期的过程合格率。 结论 长期的工艺改进要求从尽可能多的资源得到输入。自动收集、维护和监测缺陷数据的X光检查，是改进产品质量与合格率两个方面的一个理想的开始点。一个管理良好的合格率改进系统是达到与维持在合约制造商(CM)的PCB生产中高合格率的费用低廉的方法。
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By Colin Charette
本文介绍，怎样评估X光测试技术在你的PCBA制造工艺过程中的需要。
今天的电子制造正面对变得越来越密的印刷电路板装配(PCBA, printed circuit board assembly)，在线测试(ICT, in-circuit test)的可访问性大大减少了。这个受局限的测试访问意味着制造商必须扩展测试策略，而不只是视觉检查、ICT和功能测试。
一个针对受局限的访问性问题的迅速增长的测试技术是X光检查/测试。X光测试检查焊接点的结构完整性，查找开路、短路、元件丢失、极性电容反向、和冷焊锡点这类的缺陷。
X光测试的典型覆盖大约是工艺过程的、或机械的缺陷的97%，所有缺陷的70~90%。X光的覆盖范围补充和重叠传统的ICT技术(图一)。
了解X光测试
为了完整地理解X光测试的潜在的优点，考查X光检查系统的一些能力是重要的。从这些能力，可勾勒出X光测试的潜在优点。X光测试的能力包括：
· 工艺过程缺陷的高覆盖率，典型地97%
· 不管可访问性的高覆盖率
· 测试开发时间短，短至2~3小时
· 不要求夹具
· 对ICT既有补偿又有重叠
· 所找出的缺陷是其它测试所不能可靠地发现的，包括空洞(voiding)、焊点形状差和冷焊锡点。
· 测试设定成本通常比ICT程序和夹具的成本低得多。
· 自动化系统设计用于在线(in-line)使用
· 一次过测试单面或双面板的能力
· 工艺参数，如锡膏厚度、的有关信息
· 准确地定位缺陷，达到引脚位置水平，精确定位，提供快速、低成本的修复
表一列出使用X光测试的潜在优点和可能受益的电子制造商类型。
表一、使用X光测试的潜在优势
潜在优势 理由 制造商类型
减少在ICT和功能测试时失效板的数量，减少在ICT和功能测试时诊断和修理成本 X光具有良好的工艺缺陷覆盖，在ICT和功能测试之前使用X光，将筛选出工艺缺陷，结果减少在ICT和功能测试的失效、修理和诊断 将从减少在ICT或功能测试的返工数量受益的任何制造商
更少的现场失效 X光测试抓住那些任何其它测试技术所不能可靠地抓住的缺陷，包括冷锡、脚跟的少锡和空洞，抓住这些经常可减少现场失效 那些想减少现场失效的制造商，许多使用X光的已经报告现场失效大大降低
具有对所有板的高测试覆盖，独立于电子与视觉测试的可访问性 X光具有高覆盖率，不要求可访问性，电路板的密度越高，X光的系统性能越好 那些需要灵活的测试策略来出来受局限访问的板的任何制造商
降低原型试验成本，而增加测试覆盖，潜在地改进测试时间 使用X光的测试开发可以很快和不要求夹具，测试覆盖率高，与访问性无关，使用X光来作现在用ICT的原型测试或者ICT成本高的原型测试可实现节约 生产许多原型板的和现在ICT夹具与程序的成本高的制造商
在原型板中减少给设计者的缺陷 改进原型阶段测试的覆盖率可得到较少缺陷的板送给设计者 生产那些可能有缺陷板送给设计者的原型板制造商，通常，高混合的工厂
到达市场更快的时间 测试原型板更快和具有更高的覆盖率可得到原型板的更快发货，从而较快的市场时间 那些使用ICT作原型测试的和可能为原型ICT夹具等数周的制造商
更流畅的工艺流程 减少到ICT和功能测试的缺陷可得到这些测试阶段的较少瓶颈，从而使工艺流程更流畅 那些ICT或功能测试是瓶颈的制造商，那些想保证流畅工艺流程不受过程问题影响的制造商
减少过程中的工作(WIP) 减少在ICT和功能测试的缺陷，使工艺流程流畅可帮助计划和减少过程中板的总数 那些可从减少其WIP或仓存成本的到经济价值的和那些有大量成本限制在ICT或功能测试的制造商
改进过程合格率 来自图象与测量的数据可用来改进过程合格率 那些想通过改进合格率来降低成本的制造商
以最高可靠性来发货 X光测试覆盖率是对ICT和功能测试的补充，也可抓住其它测试技术不能可靠地抓住的缺陷 有高度可靠性要求的制造商，包括电信、计算机、医疗、汽车和军队/航空
X光系统的不同类型
一个分类X光系统不同类型的简单方法是分成手工(maual)与自动(automated)和透射(transmission)与截面(cross sectional)系统。透射系统对单面板是好的，但在出来双面板时有问题。截面X光系统，本质上为锡点产生一个医疗的X体轴断层摄影扫描，适用于测试双面或单面电路板，但比透射系统的成本更高。表二说明了不同X光系统的优点和缺点。
表二、X光系统不同类型的优点与缺点
自动 手工
截面成像 优点 · 对单面和双面PCBA都好 · 最高测试覆盖率 · 全自动，设计用于在线适用 · 测试决定不是主观的 · 高产量 · 设计用于100%的电路板测试 · 相当于ICT较低的原型测试 · 很高的可重复性和可靠性决定 · 测量数据对过程改进和控制有用 缺点 · 最高成本 · 要求有技术的人员对系统编程 注：对一个典型的手工系统，使用者手工控制阶段：移动板、旋转板的角度和查找缺陷与问题优点 · 对单面和双面PCBA都好 · 成本中等 · 灵活性、使用简单 缺点 · 慢 · 决定主观，依靠使用者的技术与经验来解释 · 决定通常不可重复性，由于是主观的 · 只作板的点检查(多数情况) · 劳动强度大，特别如果检查所有的板
透射 优点 · 对单面PCBA好 · 在单面板上最高测试覆盖率 · 全自动，设计用于在线适用 · 高产量 · 相当于ICT较低的原型测试 · 测试决定完全自动，不是主观的 缺点 · 不能有效地处理双面板 · 要求有技术的人员对系统编程 优点 · 对单面PCBA好 · X光系统中最低成本的 · 灵活性，使用简单 缺点 · 不能有效处理双面板 · 慢 · 决定主观，取决于使用者的技术与经验来解释 · 决定通常不可重复性，由于是主观的 · 只作板的点检查(多数情况) · 劳动强度大，特别如果检查所有的板
选择X光系统
不同的因素影响购买X光系统的决定。例子包括：
· 现在与未来在ICT和功能/系统测试的缺陷帕累托(pareto)
· 在ICT、功能测试和系统测试的合格率
· 在ICT、功能测试和系统测试的修理成本
· 在现在与未来技术上可访问性问题
· 购买设备的意图：实验室研究、确认焊接连接、重复地和可靠地抓住过程缺陷
· 预算
· 其它测试设备的成本与能力
· 现场失效率、失效pareto、失效成本
· 原型ICT成本
· 现在与未来板的产量和板的混合度
这些与其它因素是应该考虑的，在决定X光测试是否有意义和有成本效益时，以及在决定购买什么类型的系统时。例如，决定潜在受益的关键之一是你的缺陷pareto。如果你的最大失效是由于坏的或损伤的元件，那么X光测试将对这个问题不起作用。另一方面，如果你的最大问题是失效表面贴装连接器，那么X光测试可能很有优势，并为投资提供良好的回报。
为了决定一个X光系统是否有意义和经济上行得通，将你的特殊信息和情况与每一个型号的X光测试设备的能力和潜在优势结合起来。以下给出X光测试的成功用户的例子：
例子一：电信制造商
特征：高混合度、低到中等产量的复杂板
背景：该行业的一个强大趋势是向着受局限的访问性电路板。因此，访问性是一个主要问题。高品质与到达市场的时间也是该行业中很重要的。
测试策略：对访问受局限的板，使用100%的X光测试结合ICT。
受益：在ICT和功能测试的失效降低大约50%。对于100%X光测试的原型板，节省包括降低成本、更快速测试、更高品质的板送达设计者手中和更高的测试覆盖率。
例子二：笔记本电脑制造商
特征：高产量、低混合度
背景：笔记本电脑工业的特点是高产量、电路板没有测试访问性或者受局限。达到市场的时间是可获利的关键。另外，该行业具有非常高的计算机每年失效率 - 大约35%。对工厂内和现场失效的缺陷pareto进行的仔细分析显示，大部分的失效是工艺过程缺陷。
测试策略：使用100%ICT结合100%X光测试
受益：现场失效戏剧性地减低。另外，在ICT和功能测试发现的缺陷减少超过80%，结果在这些方面显著节约，减少WIP和更少报废板。
例子三：小型合约制造商
特征：高混合、高产量
背景：准时地以低成本发货高质量的板是该行业的关键成功因素。板经常有局限性的或没有ICT或视觉测试的访问性。
测试策略：使用100%X光测试
受益：不管访问性的问题如何，都可保证发货非常高品质的板给顾客。还有，如果有要求，可以更快地将产品发送给顾客。具有在ICT或功能测试准备就绪之前将试产的板发送给顾客的能力。这些板在顾客现场的合格率从90%的低合格率到使用X光测试的高于99.5%的合格率。
例子四：航空制造商
特征：高混合、低产量
背景：高品质是该工业的最关键的方面，因为失效可能是不寻常的昂贵。
测试策略：在现有的ICT、功能测试和视觉检查的测试策略中增加X光测试。
受益：在板的老化(burn in)阶段，失效降低70%。显著减少老化阶段的返工。
总结
在PCBA制造的现时趋势是更高密度和新型包装技术，经常造成视觉检查和ICT的可访问性减少。因此，一个测试策略必须有效地处理受局限访问的板。X光测试提供高测试覆盖率，不管测试的可访问性。因此，越来越多的公司正使用ICT与X光测试结合的测试策略来处理受局限访问的板。X光测试的其它重要能力是开发时间短、不要求夹具、和可靠地抓住其它测试方法经常错过和可能引起现场失效的缺陷的能力。
为了决定是否X光测试将使你的公司受益，理解X光测试设备的能力与潜在优势是重要的。将这个信息与你现在与将来的制造情况相结合。评估的一部分应该包括分析X光测试设备的各种类型，包括手工、自动、透射和截面X光设备。