X射线检测综合指南

作者:Indium 公司全球客户技术支持工程师: Adam Murling

Oneida Research Services公司前项目领导人 罗彻斯特理工学院天体物理科学与技术博士生:Brittany Vanderhoof

随着新型电子器件的发展,元件越来越小,需求越来越多。毫不奇怪,小型化和不断增长的大功率及散热需求,显著地增加了空洞的出现频率,尤其是在底部焊端类器件(BTC)如四方扁平无引线器件(QFN)底部。目前对于减轻这一缺陷的呼声越来越大,有些制造商甚至明确指定要求接地平面下空洞率尽可能接近0。

问题是如何减轻你甚至连看都看不见的东西呢?采用X射线分析可以测量电子组件的空洞。然而,在进行成功的测量之前,需要考虑许多不同的设置和参数。本文将概述不同的X射线设置将如何影响最终的分析质量。

简介

X射线分析曾有一段有趣的历史。1895年德国物理学家Wilhelm Conrad Röntgen偶然发现了X射线。当时他完全不理解他的发现,因原因不明,所以他把它叫做X射线。X射线快速发展到今天,已被广泛应用于医疗、交通、食品饮料、电子工业等领域。

在电子行业中,在球栅阵列(BGA)元件(图1)出现后,X射线成为了热门话题。关于空洞是否是缺陷有两种对立观点:

1)空洞是引起裂纹的原因,导致焊点失效。

2)空洞可以阻止裂纹防止产生失效。

空洞会导致电子组件的现场失效、可靠性问题和热问题。可以说,它是今天PCB组装的最大挑战之一。LED、汽车和各工业行业已开发了行业规范,对于BGA器件,当空洞大于25%时,IPC-A-610 8.2.12.4定义了缺陷1,2,3级电子产品。该规范已开始被许多制造商就QFN空洞问题所采用,即使还没有一个行业可接受的QFN中空洞量的定义。

目前技术

目前为电子工业提供X射线设备的制造商有很多。技术竞争激烈,最重要的是X射线检测不同厚度和复杂度的各类元件的能力。也有一些设备,可以创建计算机断层扫描或CT图像。这些图像是三维的,可给出一个元件在现实空间的样子以及其内在哪里有多大的空洞等。

利弊

使用数字X射线进行元件分析有许多好处。射线分析是一种非破坏性试验(NDT)方法。这种无损检测可检测器件的质量和功能,而不会使器件遭受永久性损坏,并使其处于可使用状态。这不仅节省时间和金钱,而且还允许被测试器件用于实际产品,而不是成为一个样品,将不可现场使用。

值得一提的是,当使用射线照相检测产品质量时,辐射剂量敏感性是必须要注意的。辐射敏感器件长时间暴露于X射线辐射下会有退化迹象。重要的是要了解被检测的是什么电子组件,有何限制等。

空洞分析

特定的X射线成像技术可用于确定元件中空洞存在的程度。特定的成像技术是指优化图像,以反映正在调查研究的失效模式,在这种情况下就是空洞。为了确定最准确的空洞图象,焊料区和空洞区域之间夸张的对比度是最重要的。如果对比度不够夸张,准确地检测空洞就很困难同时也很费时。空洞软件内置的算法以灰度图的方式对整个元件进行采样,以确定焊料和空洞之间的差异。

图像优化

当确定特定元件的空洞百分比时,在得到优化的图像前,有许多工作必须做。优化X射线图像需要考虑多个基本参数,如设置功率、电流、滤光和软件算法,以获得准确的空洞表征。

功率、电流和kV设置

进行X射线检测时,要做的第一件事是,根据被检测器件,为设备选择适当的千伏(kV)和功率/电流设置。对于大多数半导体电子器件,一开始的数值大约是100~200 kV。一旦在这个范围内,就可以调整功率/电流,直到图像进入视野。重要的是不要将功率/电流值保持在设备能力的极限值。如果设置接近了任一极限值,必须调整千伏值,以保持功率设置在中档位置。

滤光

在某些情况下,观察器件或区域的最合适曝光设置受周围区域过饱和度的影响。过饱和度就像是看到乳白的天空。为了减轻这种影响,可以使用物理滤光。直接在光源上方放置薄铜片(2~10  mils),限制探测器接收到的光子辐射数量。由于达到探测器的辐射量较少,在边远区域将观察到较低的饱和度。

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