Главная
АИ #10 (13)
Статьи журнала АИ #10 (13)
Оптические методы контроля электронных сборок

Оптические методы контроля электронных сборок

Автор(-ы):

Симонов Алексей Алексеевич

Секция

Информационные технологии, телекоммуникации

Ключевые слова

контроль нанесения паяльной пасты
SPI
автоматическая оптическая инспекция
контроль качества монтажа компонентов
АОИ
AOI

Аннотация статьи

Данная работа посвящена обзору существующих оптических методов контроля электронных сборок: контролю нанесения паяльной пасты (SPI) и контролю качества монтажа компонентов (AOI).

Текст статьи

1. Введение

С развитием технологии поверхностного монтажа (SMT) стало возможным уменьшение устанавливаемых компонентов с целью увеличения плотности и как следствие функциональности электронных модулей на единицу площади. С уменьшением размеров контактах площадок обострились проблемы контроля качества.

2. Контроль нанесения паяльной пасты (SPI)

Ранее SPI воспринимался как технологическая операция, без которой можно обойтись без потерь в качестве, сейчас с тенденцией уменьшения размеров компонентов и более частого использования многовыводных корпусов (BGA, QFP, SOP, TSOP) процесс трафаретной печати усложнился и стал источником большого количества дефектов.

Визуальный контроль или автоматическая оптическая инспекция качества монтажа (АОИ) позволяют обнаружить дефекты лишь в конце технологической линии, однако далеко не всегда очевидно на каком конкретно этапе возникли дефекты, чем они вызваны и какие действия необходимо предпринять для того, чтобы не допустить их появления в будущем. Немаловажным является факт того, что чем позднее обнаружен дефект – тем дороже стоимость его ремонта [2].

Рис. 1. Отношение стоимости устранения к месту выявления дефекта

Очевидно, что необходимо внедрять системы контроля сразу за участком, где проводится операция трафаретной печати. На рынке представлены два типа систем контроля: 2D и 3D. 2D инспекция позволяет оценить площадь отпечатка пасты и точность его совмещения с контактной площадкой, также проконтролировать наличие или отсутствие перемычек.

Рис. 2. Дефекты печати, выявляемые 2D-инспекцией [2]

3D-системы основаны на функции измерения высоты печатной платы и паяльной пасты. В системах 3D-инспекции применяются две технологии – это метод лазерного измерения и метод многочастотного муара. Лазерное измерение имеет ряд ограничений, например, отсутствие возможности измерить объем указанной области, погрешность измерений из-за большой толщины лазерного пучка (рисунок 3), а также чувствительность лазера к цвету печатных плат (рисунок 4) [1]. Суть метода заключается в том, что расположенные по определенной системе источники света проецируют на объект световые рисунки, например, сетку, полосы и т. п., а затем по аномалиям полученного рисунка определяется форма поверхности. Муаровый узор, используемый в этом методе, представляет собой геометрическую структуру, которая возникает при наложении одного набора прямых или изогнутых линий на другой. На объект проецируется рисунок из периодически повторяющихся полос, а камера многократно регистрирует спроецированное изображение, в том числе данные о высоте объекта в месте нахождения каждого пикселя. По искажениям изображения строится топографическая карта объекта контроля, а она, в свою очередь, преобразуется, а на ее основе трехмерное изображение, по которому можно рассчитать объем и определить форму нанесенного слоя паяльной пасты [3].

Рис. 3. Лазерное измерение высоты отпечатка паяльной пасты [1]

Рис. 4. Изменение интенсивности лазера в зависимости от цвета [1]

Рис. 5. Метод многочастотного муара [3]

Сегодня существуют производственные линии, включающие в себя принтер с встроенной 2D-инспекцией паяльной пасты. Однако для сохранения скорости работы принтера встроенная система инспекции проверяет только несколько участков с нанесением паяльной пасты. Автономная система инспекции в случае полной проверки печатной платы станет «бутылочным горлом» производственной линии. Задача - найти баланс между скоростью и полнотой инспекции. Для этого необходимо обратиться к конструкции самой сборки с точки зрения состава компонентов. Если в ней присутствуют относительно простые и крупные компоненты на больших по площади контактных площадках, а плотность их компоновки невелика, то можно утверждать, что со всеми задачами здесь в состоянии справиться и 2D-инспекция либо вообще можно будет ограничиться традиционной АОИ в конце технологической линии. 2D-инспекция может оказать помощь в первичной наладке трафаретного принтера и проверке совмещения при запуске нового изделия в производство, а также ее можно использовать для отслеживания грубых ошибок или случайных дефектов печати. В случае использования компонентов с малым шагом (0201, 01005) или матричным расположением компонентов (BGA, CSP) для которых важен не только объем, но и равномерность распределения объема пасты наиболее корректно использовать 3D-инспекцию. Стоит отметить, что современные системы инспекции оборудованы модулем обратной связи с принтером трафаретной печати. Данная опция дает возможность коррекции параметров нанесения паяльной пасты в зависимости от тенденций, наблюдаемых системой инспекции и оператором. На сегодняшний день наиболее популярами разработчиками систем SPI являются фирмы CyberOptics, Omron, Koh Young technology, Saki, TRI Innovation и Pemtron.

Таблица

Методы обнаружения распространенных дефектов

Дефект

Причина

Метод обнаружения

2D

3D

Отсутствие паяного соединения

Малая высота

-

+

Малый объем

-

+

Ошибка совмещения

+

-

Перемычка

Превышен объем

-

+

Превышена высота

-

+

Превышена площадь

+

+

Ошибка совмещения

+

-

«Надгробный камень»

Разность объема на площадках

-

+

Превышен объем

-

+

Ошибка совмещения

+

+

3. Контроль качества монтажа компонентов (AOI)

Системы АОИ применяются для обнаружения дефектов, а также для сбора данных и статистического анализа производственного процесса. Автоматическая оптическая инспекция (АОИ) имеет очевидные преимущества перед визуальными методами контроля в скорости, эффективности и гибкости. Контроль качества монтажа с помощью систем АОИ можно использовать после установщика, но до печи, тогда с ее помощью можно контролировать:

  • Отсутствие компонента;
  • Смещение компонента;
  • Неправильная полярность компонента;
  • Неправильный номинал компонента (надпись на корпусе компонента).

В случае размещения после печи оплавления системы могут определить следующие дефекты:

  • Отсутствие компонента;
  • Смещение компонента;
  • Неправильная полярность компонента;
  • Неправильный номинал компонента (надпись на корпусе компонента);
  • Недостаток/избыток припоя;
  • Неправильное формирование галтели;
  • Эффект «надгробного камня» (Tombstone);
  • Приподнятый вывод микросхемы.

Необходимо отметить, что исправление дефекта после печи оплавления более «дорогое» по сравнению с ремонтом сборки до оплавления припоя.

На сегодняшний день существует два типа систем АОИ: двумерная и трехмерная, которые в свою очередь имеют различные методы измерений и поиска дефектов. Принцип работы большинства 2D АОИ остается прежним: для анализа и определения дефектов используется двумерная визуализация (чаще всего в оттенках серого). Очень важными критериями в работе АОИ являются количество пропущенных дефектов и количество ложных срабатываний. Для снижения этих показателей системы АОИ оснащают многоуровневыми системами подсветки и телецентрическими камерами.

3D-технология позволяет измерять с точностью до микрон размеры компонентов, выводов и других геометрических особенностей собранной печатной платы по оси Z, четко идентифицируя не соответствующие заданию объекты. Кроме того, трехмерная система АОИ не только фиксирует отсутствие компланарности корпусов и выводов, но и позволяет гораздо точнее определять форму галтели припоя и измерить ее объем [4].

Современные системы оборудованы модулями многоканальной подсветки для получения информации об объемных параметрах компонентов, контактных площадок и галтелей (рисунки 6, 7).

Рис 6. Принцип работы многоканальной подсветки

Рис. 7. Определение позиций контактных площадок и галтелей

Сегодня набирают популярность решения, совмещающие 2D и 3D подходы что дает преимущества в качестве и скорости инспекции. Но есть «ахиллесова пята» данного типа систем – отсутствие возможности контроля схем в корпусах BGA, LGA и других компонентов с выводами под корпусом.

Для решения подобных задач используются системы АРИ (англ. AXI) автоматической рентген-инспекции, в том числе существуют комбинированные системы (АОИ + АРИ) максимально охватывающие перечень контролируемых параметров, например, Viscom X7056-II.

Рис. 8. Схема модулей инспекции установки Viscom X7056-II [5]

4. Выводы

Сегодня на рынке представлено множество систем оптической инспекции, способных значительно упростить проблему контроля качества. Высокие цены и сложности настройки/программирования отталкивают отечественные производства от покупки таких систем, но за этим будущее контроля качества.

Список литературы

  1. Бойкова, Л. Преимущества 3D-измерения в системах контроля нанесения паяльной пасты [Электронный ресурс], 2013. – Режим доступа: https://www.dipaul.ru/pressroom/preimushchestva-3d-izmereniya-v-sistemakh-kontrolya-naneseniya-payalnoy-pasty/, свободный.
  2. Курносенко, А. Инспекция качества нанесения паяльной пасты: подходы и варианты реализации [Электронный ресурс], 2013. – Режим доступа: https://www.tech-e.ru/pre_51_6_13_spi_inaction.php, свободный.
  3. Бунатян, Ксения. Управление технологическими процессами с использованием трехмерного оптического контроля. [Электронный ресурс], 2016. – Режим доступа: https://industry-hunter.com/baza-znaniy/upravlenie-tehnologiceskimi-processami-s-ispolzovaniem-trehmernogo-opticeskogo-kontrola, свободный.
  4. Компания «Диполь». Оборудование и материалы для производства электроники. [Электронный ресурс], 2020. – Режим доступа: https://www.dipaul.ru/upload/iblock/531/Dipaul_SMT_oborudovanie_2020_03.pdf, свободный.
  5. GlobalSMT. Complete Versatility with High-Throughput X-ray [Электронный ресурс], 2018. – Режим доступа: https://globalsmt.net/articles_&_papers/complete-versatility-with-high-throughput-x-ray/, свободный.
  6. Васильев Ф.В., Медведев А.М. Выявление скрытых дефектов соединений // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2018, №10.
  7. Медведев А.М., Васильев Ф.В., Сокольский М.Л. Диагностический контроль электрических соединений в авионике. // Практическая силовая электроника. 2013, №1.

Поделиться

4722

Симонов А. А. Оптические методы контроля электронных сборок // Актуальные исследования. 2020. №10 (13). Ч.I.С. 59-64. URL: https://apni.ru/article/829-opticheskie-metodi-kontrolya-elektr-sborok

Похожие статьи

Другие статьи из раздела «Информационные технологии, телекоммуникации»

Все статьи выпуска
Актуальные исследования

#25 (207)

Прием материалов

15 июня - 21 июня

осталось 5 дней

Размещение PDF-версии журнала

26 июня

Размещение электронной версии статьи

сразу после оплаты

Рассылка печатных экземпляров

5 июля