Prüfkonzepte für die manuelle und automatische Röntgeninspektion Röntgen in 3D

HiP-Fehler (Head-in-Pillow) am BGA, 
vertikaler Schnitt
HiP-Fehler (Head-in-Pillow) am BGA, vertikaler Schnitt

Um Bauelemente mit verdeckten Lötstellen wie etwa BGA, QFN, DFN oder auch Leistungsbauelemente einer Qualitätskontrolle zu unterziehen, setzen viele Unternehmen nach dem Löten auf eine Prüfung mit manueller (MXI) oder automatischer Röntgeninspektion (AXI). Doch wie prüft man am sinnvollsten?

Im Bereich der Röntgenprüfsysteme unterscheidet man generell drei Prüfansätze. Erstens: 2D – das steht für eine senkrechte Durchstrahlung der Baugruppe. Zweitens: 2,5D – darunter versteht man die schräge Durchstrahlung der Baugruppe. Und drittens: 3D – das bedeutet die schräge Durchstrahlung der Baugruppe aus mehreren Richtungen mit 3D-Rückrechung bzw. Schichtbildberechnung. Betrachten wir die Vor- und Nachteile der einzelnen Ansätze:

• Der 2D-Ansatz setzt voraus, dass die zu betrachtende Lötstelle nicht abgeschattet ist, etwa durch Bauelemente auf der anderen Seite. Zudem müssen die jeweils relevanten Fehlerarten im Bild der 2D-Durchstrahlung erkennbar sein. Gegebenenfalls muss hierfür das Pad Design angepasst werden (Teardrop-Design). Die Vorteile des 2D-Ansatzes sind eine relativ hohe Geschwindigkeit (je Szene wird nur eine Bildaufnahme benötigt) und ein geringer technischer Aufwand. Allerdings bleiben die Flexibilität und die Prüftiefe entsprechend limitiert.

• Beim 2,5D-Ansatz können Abschattungen besser behandelt bzw. beseitigt werden, soweit die verfügbaren Ansichten dies erlauben. Im Allgemeinen sind die Fehler in der Schrägdurchstrahlung besser erkennbar. Der technische Aufwand steigt, weil zur Erzeugung der Schrägansichten mehrere Bildwandler oder ein beweglicher Bildwandler nötig sind.

• Der 3D-Ansatz erlaubt eine optimale Behandlung bzw. Beseitigung von Abschattungen, soweit genug verschiedene und hinreichend schräge Ansichten in die 3D-Rückrechnung einfließen. Die Fehlererkennung ist nicht prinzipiell besser, weil durch die Verrechnung der Ansichten und den damit verbundenen Artefakten auch Informationsverluste eintreten können. Allerdings werden im Gegensatz zur 2D- oder 2,5D-Prüfung bestimmte Fehler überhaupt erst erkennbar, beispielsweise auf doppelseitig dicht bestückten Baugruppen, wo 2D unter Umständen völlig versagt und 2,5D zumindest einen enormen Einrichte- und Programmieraufwand bedeutet. 

Die 3D-Röntgentechnologie

Mit der 3D-Inspektion hat man die Möglichkeit, Schnitt- bzw. Schichtbilder zu erzeugen. Bei doppelseitig bestückten Leiterplatten oder Package-on-Package (PoP) kann so eine bestimmte Ebene herausgearbeitet und die anderen, störenden Ebenen eliminiert werden. Die Vorteile sind: die Sicherstellung der Prüfbarkeit, ein verringerter Programmieraufwand, weil weniger manuelle Anpassungen nötig sind und mehr Informationen für den Operator am Verifikationsplatz – dadurch entsteht weniger Humanschlupf.

Zumeist befindet sich die Baugruppe zwischen der Röntgenröhre und dem Bildwandler. Je nach dreidimensionaler Anordnung dieser drei Elemente erhält man eine Schrägdurchstrahlung mit einem bestimmten Winkel und einer bestimmten Vergrößerung bzw. Auflösung. Folgende Einflussfaktoren bestimmen die Qualität der 3D-Rückrechnung:

◆ Anzahl der verschiedenen Schrägdurchstrahlungen (je mehr, desto besser)
◆ Winkelabweichung aus der Senkrechten (je schräger, desto besser – bis zu einem gewissen Grenzwinkel)
◆ Gewählte Vergrößerung bzw. effektive Pixelauflösung auf dem Bildwandler (je höher, desto besser)
◆ Art des Bildwandlers
◆ Anzahl und Größe der Bildwandler
◆ Art des Rückrechnungsverfahrens

Die Aufzählung verdeutlicht, dass eine höhere Qualität mit vielen Ansichten und einer hohen Auflösung immer mit einer Reduktion der Prüfgeschwindigkeit einhergeht. Dieser Reduktion kann man gegebenenfalls durch einen erhöhten technischen Aufwand (Bildwandler mit großer Fläche bzw. vielen Pixeln, Einsatz mehrerer paralleler Bildwandler) begegnen. Doch besonders bei der Art des Bildwandlers gibt es deutliche Unterschiede.

• Analoge Bildverstärker (BV) haben ein Eingangsfenster, auf dem die Röntgenstrahlung nach der Durchstrahlung der Baugruppe auftritt. Auf dem Ausgangsfenster des BV ist nach der Bildwandlung das Röntgenbild zu sehen, es muss durch eine Kamera dem Analyserechner zugeführt werden. BV als Bildwandler bei 3D-Röntgensystemen haben sich nicht bewährt. Zwar gab es Versuche mit großen (z.B. 16“) Bildverstärkern, bei denen die Schrägdurchstrahlungen durch eine Unterteilung des Eingangsfensters in Sektoren realisiert wurde, aber die limitierte Bildqualität eines BV hat einen negativen Einfluss auf die Qualität der 3D-Ergebnisbilder.

• Flat-Panel-Detektoren (FPD) haben eine sehr hohe Bildqualität und liefern am Ausgang/Interface bereits ein digitales Bildsignal. Sie sind in verschiedenen Größen (Pixelzahl) erhältlich, mit der Pixelzahl steigt allerdings der Preis. Ein paralleler Einsatz zur Erzeugung der verschiedenen Ansichten ist technologisch eher schwierig. Stattdessen ist eine flexible Auslenkung des FPD aus der Senkrechten sinnvoll. Je nach Größe der Auslenkung sind auch größere Schrägwinkel realisierbar. Durch eine höhere Anzahl der verwendeten Auslenkungen/Positionen des FPD lässt sich die Qualität der 3D-Rückrechnung stark steigern, allerdings um den Preis eines höheren Zeitbedarfs für die Bildaufnahme. 

• TDI-Röntgenzeilenkameras arbeiten nach dem TDI-Prinzip (Time Delay Integration) und verbinden eine verbesserte Bildqualität mit einer sehr hohen Datenrate. Durch die kompakte Bauweise hat man die Möglichkeit des Paralleleinsatzes mehrerer TDI. Ordnet man beispielsweise neun TDI in einer Ebene in den richtigen Abständen an, so erhält man beim Scannen neun Ansichten parallel. Um alle Punkte der Baugruppe in den neun Ansichten zu erfassen, sind am Anfang und Ende des Scannens entsprechende Zusatz-Scans nötig. TDI-Kameras eignen sich also besonders, wenn größere Flächen der Baugruppe in kurzer Zeit für eine 3D-Rückrechnung erfasst werden sollen.

 

Analoge Bildverstärker (BV) haben ein Eingangsfenster, auf dem die Röntgenstrahlung nach der Durchstrahlung der Baugruppe auftritt. Auf dem Ausgangsfenster des BV ist nach der Bildwandlung das Röntgenbild zu sehen, es muss durch eine Kamera dem Analyserechner zugeführt werden. BV als Bildwandler bei 3D-Röntgensystemen haben sich nicht bewährt. Zwar gab es Versuche mit großen (z.B. 16“) Bildverstärkern, bei denen die Schrägdurchstrahlungen durch eine Unterteilung des Eingangsfensters in Sektoren realisiert wurde, aber die limitierte Bildqualität eines BV hat einen negativen Einfluss auf die Qualität der 3D-Ergebnisbilder.

Flat-Panel-Detektoren (FPD) haben eine sehr hohe Bildqualität und liefern am Ausgang/Interface bereits ein digitales Bildsignal. Sie sind in verschiedenen Größen (Pixelzahl) erhältlich, mit der Pixelzahl steigt allerdings der Preis. Ein paralleler Einsatz zur Erzeugung der verschiedenen Ansichten ist technologisch eher schwierig. Stattdessen ist eine flexible Auslenkung des FPD aus der Senkrechten sinnvoll. Je nach Größe der Auslenkung sind auch größere Schrägwinkel realisierbar. Durch eine höhere Anzahl der verwendeten Auslenkungen/Positionen des FPD lässt sich die Qualität der 3D-Rückrechnung stark steigern, allerdings um den Preis eines höheren Zeitbedarfs für die Bildaufnahme. 

TDI-Röntgenzeilenkameras arbeiten nach dem TDI-Prinzip (Time Delay Integration) und verbinden eine verbesserte Bildqualität mit einer sehr hohen Datenrate. Durch die kompakte Bauweise hat man die Möglichkeit des Paralleleinsatzes mehrerer TDI. Ordnet man beispielsweise neun TDI in einer Ebene in den richtigen Abständen an, so erhält man beim Scannen neun Ansichten parallel. Um alle Punkte der Baugruppe in den neun Ansichten zu erfassen, sind am Anfang und Ende des Scannens entsprechende Zusatz-Scans nötig. TDI-Kameras eignen sich also besonders, wenn größere Flächen der Baugruppe in kurzer Zeit für eine 3D-Rückrechnung erfasst werden sollen.