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PCB/半导体检测用的X射线发射管

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-04  浏览次数:984
核心提示: 摘 要:越来越多的电子产品使用阵列封装/CSP/Flip-Chip,为此PCB组装过程X射线检测的作用变得更为重要。这因为自动光学检测(
        要:越来越多的电子产品使用阵列封装/CSP/Flip-Chip,为此PCB组装过程X射线检测的作用变得更为重要。这因为自动光学检测(AOI)已无法用于检测这些器件的‘隐蔽’焊点。

对每个具体对象的X射线检测要达到最佳的效果,还取决于选用的X射线检测系统。不管这个设备如何,从那个制造商提供的,所有X射线检测系统的核心部件是X射线发射管。分辩率与放大倍率两个指标,传统封闭式X射线管受到限制,尤其是随着器件与基板尺寸不断缩小,采用单级或双级聚焦技术的开放式X射线管,用于PCB/半导体器件的X射线图像分析受到了青睐。

本文将讨论下面几个问题;

   l X射线管的基本类型与工作原理。

   l 各种类型X射线管优缺点比较(包括设备成本COO)。

   l 建议采用最能适应现时与将来需要的X射线管。

关键词:X射线,检测,BGACSP,分辩率。

  1、

X射线检测长期来用于印制板与半导体制造的研发与缺陷分析,近年,这项技术在生产产品质量和质量控制中正起到重要作用。特别是,随着电子产品使用阵列器件/CSP/Flip-Chip的增加,更进一步推动X射线检测的需要,而自动光学检测技术是不能观察这些器件的‘隐蔽’焊点。所以X射线检测很早已成为电子制造业评价生产过程的有效手段,并非是最新的,昂贵的检测方法。

在考虑配置X射线检测时,我们假定AOI一些特点已被使用。然而,X射线检测是与AOI非常不同的技术,需要以完全独立的见解来认识。为此,本文将主要就二维(2-DX射线检测技术与对影响X射线图像检测分析的重要参数进行讨论。三维(3-D)或X射线分层图像分析不在其内。

1 二维(2-DX射线检测系统

二维(2-DX射线检测系统记录穿透样品的X射线转换为可供操作者观察的图像信息。在被试样品内检测目标材料密度大于周围材料,其吸收大量X射线,在X射线探测器上投射一个阴影(图 1所示)。例如焊膏与铜导线与印制板的叠层材料相比,前者呈现黑暗色。所以要达到最佳的X射线检测质量,取决于选用合适的X射线检测系统。

  2、开放式/封闭式X射线管

不管由那个制造商提供的何种类型的X射线检测系统,所有系统的核心部件是X射线管。X射线管是为分析系统提供X射线辐射的器件。X射线管的基本上是由发射电子,施加高压加速轰击金属靶面的真空筒构成。电子轰击金属靶的结果产生X射线。X射线管管内需要真空,电子向金属靶运动过程中 就不会被大气杂质吸收。

X射线系统惯常使用封闭式X射线管,如图 2 所示。封闭式X射线管在制造时被气密封闭抽真空,管内另部件完全与外界隔离。在印制板与半导体制造的X射线检测,近年来更普遍使用一种称之开放式(或可拆卸式)X射线管,这种类型X射线管具有高的图形放大倍率,优良的分辩率与可维护性(靶与灯丝等易耗部件的更换),开放式X射线管的真空使通过X射线系统的内置真空泵获得。

2 封闭式X射线管及反射靶

3开放式X射线管及发射靶

  3、X射线管的结构

决定X射线管性能的关键结构如图 3所示;

灯丝  灯丝或称之电子枪部件,电流通过对灯丝加热,热发射电子。灯丝发射电子的多少,是由灯丝电流决定的。灯丝电流越大,发射的电子越多,X射线图像越明亮。

电子束聚焦  电磁聚焦或X射线管内其他部件将被加速的电子束压缩聚焦到靶面尽可能小的束斑。电子束到达靶面的峰点称之为束斑。束斑直径越小,最终获得X射线图像的分辩率越好。

靶的类型  发射式,反射式。

发射式靶,电子束束斑处激发的X射线必须穿过靶体厚度出射到管外,辐照到样品上(图 3)。

反射式靶,如图 2所示,X射线在出射到管外前,X射线在靶面已经反射。X射线管使用靶的形式直接影响到X射线系统的图形放大倍率。将检测样品放在尽可能与束斑接近的距离,这两种类型靶(开放管发射式靶束斑一般为0.5mm, 封闭管最常用的反射式靶束斑-15mm)的放大倍率存在惊人的差异。

靶材与材料的厚度。这对发射靶特别重要,即在长期应用条件(既长使用寿命)必须提供可靠的X射线当量。同时,在X射线穿透靶材不会造成自吸收太多的X射线。发射靶厚度增加,增加的注入电子有更多可能使得原来的束斑扩大,其二次激发作用在靶材的厚度内产生X射线。最常用的靶材是钨。

加速电压,单位是千伏特(Kv)。加速电压越大,电子获得更大的动能激发产生X射线。也就是讲,高密度材料需要使用高的加速电压,反之,低密度或薄型材料可使用较小的加速电压。此外,X射线存在一定的穿透功率,当其穿透样品撞击探测器,也会产生图像干扰。

X射线发射管功率,单位是伏特。X射线管功率越大,X射线束当量越大,图像也就越明亮。

真空窗。所有的X射线管必须具有通路,使得密封管体内产生

X射线能出射出去,而不会影响管内的真空环境。最常用的方法是使用铍(Be)金属片为气密部件,又可用作X射线的出射窗口。铍(Be)金属对具有一定穿透功率的X射线是透明的,通常将其称为‘铍(Be)窗’。其他材料如铝也可取代,但靶激发的X射线将被过滤,原来X射线束的能谱会改变。

  4、两种X射线管的比较

比较由不同制造商提供的不同类型的X射线管与系统,上述的各种特征参数将有变化,结果影响最终的图像质量。在选择采用的发射管/系统时,下面这些差异是应该值得重视的,同样时也需要考虑到最佳发射管/系统间的组合必须可靠,满足应用目标检测的要求。我们看到有些技术能达到极高的X射线分辩率,但问题是只能适用于在一定条件一定类型样品X射线检测。比如有些X射线检测系统在实验室环境下能适用,但对于PCB大批量生产就不能适用。为此我们在必较X射线管/系统的一些特征参数时,首先应在开放式X射线管与封闭式X射线管作出选择。

4 X射线束斑尺寸增大对图像质量的影响

目标检测尺寸最小化

在定义X射线检测系统的技术指标时,大多数制造商采用‘最小可检测目标尺寸’来取代X射线束斑的尺寸。其被用于表示系统图像信息采集处理链的作用,及与被检目标的关系。

开放式X射线管和封闭式X射线管,较小尺寸的电子束斑轰击靶,

可获得最好的分辩率,得到完美清晰的图像。理想X射线管可产生无限小的X射线束斑,但实际上X射线管的X射线束斑具有一定的尺寸。较大的X射线束斑就会在图像产生较大的轮廓边缘模糊,最终限止了图像的分辩率。如图 4 所示X射线束斑尺寸增大对图像质量的影响,其结果造成图像边缘不清晰。

X射线管的功率

对开放式X射线管和封闭式X射线管,当X射线束斑减小,在靶上的能量密度迅速增加。例如一X射线管产生1W功率,束斑为1μmX射线,现若达到同样的能量密度,束斑尺寸为20μm,其功率则需要400W。虽然数值小,但在一个小尺寸的束板上有如此大的能量密度就会产生很大的热量。这些热量必须从系统内排除出去。能量的积累会减薄或熔化靶面,一段时间就需要更换靶。如发射靶,靶体较薄,表面的减薄将会损失‘激活’层,需要更换靶体。既使像反射靶,靶体较厚,同样也会产生减薄,当然其周期与前者相比要长很多,但也需要更换靶体。不过常用的封闭式X射线管,靶体与灯丝发生故障,只能更换整个X射线管。

封闭式X射线管的束斑尺寸为5μm(一般为8-20μm),而开放式X射线管的束斑尺寸为1-2μm,甚至更小。靶体的能量密度也是主要的原因。封闭式X射线管的制造商需要兼顾X射线管束斑尺寸与使用寿命两者的关系,必须考虑到因靶体或灯丝故障,更换整个X射线管的成本。所以,反射靶的封闭管自购买一天至故障发生时,其性能从工厂的技术指标不断地跌落。即使封闭管可在延长时间内使用,但所称的技术指标仅仅指的是开始使用时的有限时间。相比之下,开放管可容易更换灯丝或靶等易耗部件,长时期内可以不断地恢复到工厂原来的技术指标。

在比较封闭式与开放式X射线管的技术指标时,X射线管的功率必须与其能提供的X射线束斑大小相联系。这样,封闭管的功率经常要比开放管高得多,但此高功率仅指X射线管最大的X射线束斑。

大多数半导体与PCBX射线检测,所含缺陷尺寸需要较小的X射线束斑。所以正确选用X射线管,需要依据被检测目标的尺寸大小。例一X射线管的束斑为20μm,其检测目标的直径是25μm,如检测封装内的键合金线,此X射线管不能适用。随着器件的小型化,检测用的X射线束斑也必须随之缩小。

制造商对系统散热的处理一般采用空气冷却方法,很少采用复杂的,又需要附加维护的水冷却方法。空气冷却有许多优点,但也制约了X射线管的束斑尺寸及功率。与水冷却方法相比,空气冷却耗散热量也少得多。

电子束聚焦与低加速电压

封闭式X射线管惯常使用单级电子束聚焦产生束斑,开放式X射线管有单级(图 3)或双级电子束聚焦。双级电子束聚焦的开放式X射线管与专用的射束空径结合或射束内的过滤器,有时称之为毫微聚焦X射线管。毫微聚焦X射线管由于电子束在向靶运动的行程中进一步被压缩与聚焦,可获得比标准开放式X射线管更高的分辩率。

其达到更小的束斑尺寸水平,但在操作能力上受到较多的限制(见影响参数的考虑一节)。

无论选用那一种聚焦方法,要达到最小的束斑尺寸需要使用低的加速电压(Kv)。虽然电子束被聚焦到靶面非常小的一个点,但是一旦电子束到达靶就被离散开,束斑也变宽(见图 1),因此需要低的加速电压。在发射靶中,这种离散现像因为薄层靶体的厚度限制电子束体积的扩大而被减小。理想的是无限小的薄层靶体厚度对发射靶是最好的。但实际上必须选择一个折衷的厚度尺寸;否则靶体也会太快耗尽,需要经常更换新靶。这对大多数X射线检测设备无疑是件麻烦事。上面已提及到发射靶的靶体厚度不能太厚,以防止使用低加速电压,X射线在出射窗口前被靶体吸收。大多数PCBX射线检测最好的折衷是在低加速电压条件下,及靶体使用寿命的条件下,具有与之相应的X射线束流,达到最佳的操作参数。

图形放大倍率

5目标图像的放大

用于检测的X射线检测系统基本上是一台阴影显微镜(图 1所示)。X射线检测系统的图形放大倍率是X射线管的焦点与图像记录器件间的距离和X射线管的焦点与样品间的距离两者的比例。见图5,图6所示;

6 开放式与封闭式X射线管放大倍率的比较

PCB及半导体X射线检测图像显示最常用的是X射线图像拍摄器件取代摄像底片。

封闭式X射线管的设计X射线焦点需要对管内出射点有一个距离,这因为保证X射线管的阴极与阳极间的(Kv)高压的隔离。封闭式X射线管的X射线检测系统样品与焦点的最接近距离通常等于或大于15mm,比发射靶开放式管要大得多(见图3,图6)。发射靶开放式管,样品放置在出射窗口顶面,离焦点0.25-0.5mm(图3,图6)。这些差异直接影响图像的放大倍率。如果我们将两种类型的X射线管安装在同一检测系统,即焦点与图像记录器件的距离相同(350mm)。封闭式X射线管系统的最大放大倍率为350/15-23X。(假定样品与焦点的最小距离为15mm)。开放式X射线管系统,样品与焦点的最小距离为0.25mm,最大放大倍率为350/0.25-1400X

从图 7,图8可见;薄型PCB板中央安装一块6.35mm直径的Flip-Chip芯片光学图像的放大倍率的差别。下图是同一块PCBDEX射线检测图像,上图的Flip-Chip 与其他器件的‘隐蔽’焊点已清晰可见。

7薄型PCB中央Flip-Chip芯片光学图像

8 7例举样品最大放大倍率,

(左图)封闭式管,(右图)开放式管,

上两图均为开放式管X射线系统的检测图像。

左图样品与焦点的距离等效封闭式管。

8 ,使用开放式管检测图7例举Flip-Chip芯片的两个图像照片。

样品放在X射线系统的承载板上,样品与焦点的距离按开放式与封闭式X射线管,即开放式X射线管为0.5mm加上样品厚度;封闭式X射线管为-15mm加上样品厚度。从图示可见放大倍率的差别。球引脚的直径189μm

8没有与封闭式管的图像质量差别。图9,图10为同一样品使用开放式管系统与封闭式管系统得到的检测图像。

9 开放管检测图像

10 (图9)样品封闭式管检测图像

封闭式管系统的检测图像(图10)与图9开放式管系统的检测图像相比,显然前者难以观察键合金线的缺陷, 开放式管系统可提高放大倍率观察键合金线细节用于缺陷分析(图11)。

图形放大倍率依赖于焦点与图像记录器件的距离关系;此距离的增加可改进系统的技术性能,但距离的增加也减少X射线束流对图像记录器件撞击。X射线束流与此距离的平方成反比减少,所以必须折衷处理两者的关系。

11 (图9)样品的高放大倍率的图像

焦点与图像记录器件的距离增加两倍,则撞击图像记录器件的X射线束流两减少4倍。制造商必须平衡拍摄快门与图像质量间的关系。

有时,制造商在说明他们的X射线系统时,综合了放大倍率及X射线图像信息采集与操作屏的显示的图像处理系统的放大倍率。这称之为系统放大倍率或整体放大倍率。图形放大倍率与系统放大倍率或整体放大倍率相比,图形放大倍率是在比较不同X射线系统性能最好的指标。在大屏幕显示图像增加了放大倍率,但其没有提供更好的图形放大倍率,没有改进图像分辩率及图像数据。

灯丝电压

X射线管的设计于有效功能是在灯丝发射的电子聚焦束流轰击靶体。开放式X射线管中,通过灯丝的电流是由发射的电子多少定义的。换言之,灯丝电流影响发射电子数量,轰击靶替,也就影响最终图像的亮度。粗的灯丝可容载大的电流,发射更多的电子,更长的使用寿命。事实上要达到最大的热发射,可加速集聚的电子云成为非常小的束斑,开放管钨灯丝被加工成‘发夹形,这样灯丝会自动限制灯丝电流,不会产生变形。使用粗丝,不陡削的发夹形,增加灯丝电流,但聚焦的电子束束斑有些牺牲。

  5、影响参数的考虑

尽管制造商使用上述种种技术努力减小束斑,以满足电子器件缩小的要求,然而这些改进始终需要付出一定的代价。尤其是,当束斑尺寸减小,X射线束流惊人地减少。导致X射线图像灰暗,需要增加‘爆光’时间,才能获得足够的图像质量用于分析目的。如希望使用极高的分辩率,需要拍摄图像时间长。这样除了高级专门实验室,对每一次检测都非常仔细,其他所有的检测应用环境是不适应的。除外,如

特殊的设计或条件,设备的振动也会对由X射线管增加的分辩率产生负面影响。所以极高的分辩率不适用电子产品的生产及测试与检查的环境。

仅使用低加速电压来实现极高的分辩率,但此时检测样品的类型又受到更多的限制。一般X射线管达到最好的分辩率,加速电压小于50kV。在这些条件下,检测对象必须是密度非常低,非常薄的样品,此时低加速电压可以采用。但通常PCB检测应用不能满足这些要求,印制板本身具有相当大的密度,吸收大部份的低能量X射线。半导体器件的封装材料也吸收X射线,如对检测样品不作专门的改变,在此条件下,按照这样的分辩率,进行可靠的X射线检测分析是不可能的。这些改变包括将器件从印制板上卸下,去除封装,减薄样品等,最高分辩率的X射线管用于实验室进行缺陷分析。生产过程控制与工艺质量分析往往由于时间因素,一般不作祥细的检测。所以在确定使用何种类型的X射线检测系统前,必须对检测目标要求与X射线管性能间决定正确的折衷方案,做到两者兼顾。

有些制造商认为减薄靶体材料进一步减少束斑的离散,最大可能增加图形放大倍率。不过被减薄的靶体,受到电子束流的撞击将加快损耗,需要经常不断地更换靶体。这在特定的实验室条件是可以接受的,而面对电子制造大生产的环境,显然是难以适应的。

  6、

X射线管与X射线检测系统有不同的设计配置,必须根据应用的检测对象选择适用的X射线管(表 1)。

1 开放式/封闭式X射线管的特征比较

(按封闭式X射线管10,000使用寿命计)

封闭式X射线管是总成气密性封装,不能对管内的部件进行维护,这类X射线管的使用寿命相对比开放式X射线管长,但工厂标明的技术指标仅仅在使用初期才能达到。在X射线检测系统中,封闭式X射线管在图像分辩率与放大倍率都比开放式X射线管低。封闭式X射线管失效需更换新管的费用也非常高,而开放式X射线管只需更换灯丝或靶体相比之下就低很多,因此配置封闭式X射线管的X射线检测系统整个设备投资成本(COO)非常大。

X射线检测系统配置开放式X射线管,可采用上述多种技术,缩小电子束束斑增加图像的分辩率。开放式X射线管的最大分辩率可高出封闭式X射线管五倍之多。(< = 1μm)。这种极高倍的分辩率也仅在特定条件下,专门制备的样品才能使用,不能适用快速,批量检测的需要。大多数开放式X射线管制造商适当折衷开放式X射线管的分辩率为封闭式X射线管的3-4倍,这样在现实的工作环境能达到相对可靠的X射线检测系统。

虽然本文讨论的内容主要涉及束斑尺寸的大小,但X射线检测系统得到的最终图像分辩率同样也受到图像记录器件与数字图像处理系统的影响。

 
 
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