Порядок выполнения работы

1. Получить задание и материалы для лабораторной работы у преподавателя.

2. Включить ультразвуковую ванну с моющим раствором и деионизованной водой.

3. Предварительно прогреть ванну с моющим раствором до 40⁰ С, а с деионизованной водой до 50⁰ С.

4. Погрузить электронное изделие в ультразвуковую ванну с моющим раствором.

5. После промывки в моющем растворе промыть электронное изделие в теплой проточной воде (до 50⁰ С).

6. Далее прогрузить электронное изделие в ультразвуковую ванну с деионизованной водой.

7. Произвести сушку электронного изделия в сушильном шкафу.

8. После процессы отмывки произвести контроль качества отмывки электронного изделия под микроскопом.

9. Произвести тест с помощью специального тестового набора на наличие остатков флюса и активаторов согласно инструкции, прилагаемой к тестовому набору.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Краткие сведения о видах промывки.

4. Краткие сведения о видах промывочных жидкостей.

5. Результаты выполнения лабораторной работы.

6. Результаты проведения теста на наличие остатков флюса и активаторов.

7. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Классификация промывочных жидкостей.

2. Классификация способов отмывки электронных изделий.

3. Ход работы.

Лабораторная работа № 10 рентгеновский контроль паяных соединений

Цель работы: изучить технологическую операцию рентгеновского контроля паянных соединений.

Оборудование и материалы: рентгеновская установка Micromex, смонтированная печатная плата.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Рентгеновским аппаратом называют совокупность технических средств, предназначенных для получения и использования рентгеновского излучения. В общем случае рентгеновский аппарат состоит из трех основных частей:

• рентгеновского излучателя, включающего рентгеновскую трубку, являющуюся высоковольтным электровакуумным прибором, заключенную в защитный кожух;

• рентгеновского питающего устройства, имеющего высоковольтный генератор и пульт управления;

• устройства для применения рентгеновского излучения, служащего для приведения в рабочее положение излучателя.

Высоковольтный генератор преобразует напряжение сети в напряжение питания рентгеновской трубки. Высоковольтный генератор имеет: преобразователи переменного тока в постоянный (кенотроны, диоды), конденсаторы для фильтрации и удваивания напряжения, трансформаторы накала рентгеновской трубки, трансформаторы накала кенотронов, выключатели и защитные устройства.

Контрольно-измерительная часть представляет собой группу приборов, которые служат для измерения и регулирования времени, тока, напряжения и частоты (реле времени, измерительные приборы, прерыватели, селекторы, защитные приборы и т.п.).

Рентгеновский излучатель (рисунок 10.1) состоит из рентгеновской трубки и защитного кожуха, заполненного изолирующей средой: трансформаторным маслом, воздухом или газом под давлением. Оболочка трубки представляет собой запаянный стеклянный баллон или выполнена по металлокерамической технологии.

В рентгеновских трубках напряжением до 60 кВ только 0,1 % энергии электронного пучка преобразуется в энергию рентгеновского излучения. При напряжении 100 кВ КПД трубки увеличивается до 1 %; при 2 МэВ он достигает 10 %; при 15 МэВ - более 50 %.

В общем виде рентгеновский аппарат состоит из пульта управления, высоковольтного генератора и рентгеновской трубки в защитном кожухе. Схема простейшего рентгеновского аппарата приведена на рисунок 10.2.

Рентгеновские аппараты разрабатывают по различным электрическим схемам питания трубки (рисунок 10.3, а - ж).

В связи с этим различают:

1) аппараты без выпрямителей (рисунок 10.3, а);

2) полуволновые кенотронные аппараты, имеющие в схеме один или два кенотрона, включенные последовательно с трубкой (рисунок 10.3, б и в);

3) аппараты, работающие по схемам удваивания напряжения с двумя кенотронами и двумя конденсаторами (рисунок 10.3, д, е);

4) аппараты, работающие по схеме удваивания напряжения с одним кенотроном, где для повышения напряжения используют два конденсатора (рисунок 10.3, г);

5) схему генерирования импульсов анодного напряжения импульсом рентгеновского аппарата (рисунок 10.3, ж).

Рисунок 10.2 - Принципиальная схема простейшего рентгеновского аппарата

Рисунок 10.3 - Типовые схемы рентгеновских аппаратов

РТ - рентгеновская трубка; Тр - трансформатор; К - кенотрон; С - конденсатор; К - резистор; ИТ - импульсный трансформатор; Т-тиратрон.

По напряжению или энергии излучения применяемые в промышленности рентгеновские аппараты можно условно разделить на следующие группы:

1) с напряжением до 100 кВ (для дефектоскопии изделий малой плотности);

2) с напряжением от 100 до 400 кВ (для дефектоскопических изделий из стали и тяжелых сплавов средней толщины: от 5 до 120 мм);

3) с напряжением 1 и 2 МэВ (для изделий из стали и тяжелых сплавов толщиной от 150 до 200 мм).

По форме анодного напряжения на трубке различают:

1) рентгеновскую аппаратуру с полуволновой (однополупериодной) безвентильной схемой питания рентгеновской трубки (портативные переносные рентгеновские аппараты с блок-трансформаторами);

2) с полуволновой (однополупериодной) схемой питания рентгеновской трубки с вентилем во вторичной цепи (передвижная и стационарная рентгеновская аппаратура для промышленного просвечивания);

3) с выпрямленным (постоянным) анодным напряжением трубки (передвижные кабельные рентгеновские аппараты);

4) с импульсным анодным напряжением рентгеновской трубки (переносные импульсные рентгеновские аппараты для выборочного рентгеновского контроля промышленных изделий в лабораторных или цеховых условиях).

По виду высоковольтной электрической изоляции рентгеновской трубки в защитном кожухе или блок-трансформаторе (моноблоке) рентгеновская промышленная аппаратура подразделяется на рентгеновскую аппаратуру:

1) с масляной высоковольтной изоляцией (применяют трансформаторное масло, обработанное дополнительно на фильтр-прессе и в вакуумной камере, а также специальное синтетическое масло);

2) с высоковольтной газовой изоляцией под давлением (применяют фреон или шестифтористую серу под давлением 300 кПа);

3) с воздушной высоковольтной изоляцией рентгеновской трубки в защитном кожухе.

Аппараты, в которых в качестве высоковольтной изоляции используют атмосферный воздух, встречаются редко.

По геометрии рабочего пучка рентгеновского излучения блок-трансформаторы (защитные кожухи) с рентгеновскими трубками подразделяются на следующие основные типы:

• рентгеновские блок-трансформаторы (защитные кожухи) с направленным выходом рентгеновского излучения, например, в форме конуса с углом при вершине от 30 до 60° (рисунок 10.4 а);

• рентгеновские блок-трансформаторы (защитные кожухи) с панорамным (круговым) выходом рентгеновского излучения (рисунок 10.4 б).

Р исунок 10.4 - Схема анода и выходного окна трубки: а) с направленным выходом излучения; б) с панорамным выходом излучения

Контроль паяных соединений

BGA

Увеличение, при котором рекомендуется проводить рентгеновский контроль паяных соединений компонентов в корпусе BGA приведено в таблице 10.1.

Таблица 10.1 - Рекомендуемое поле зрения и увеличение

Номинальный диа­метр шарикового вы­вода, мм	Шаг выводов, мм	Рекомендуемое увеличение, крат	Количество вы­водов в поле зрения
0,75	1,5; 1,27	от 30 до 50	20
0,6	1		25
0,5	1; 0,8		30
0,45	1; 0,8; 0,75		34
0,4	0,8; 0,75; 0,65		38
0,3	0,8; 0,75; 0,65; 0,5		50

Пустоты

Под содержанием пустот понимается площадь области, имеющей пустоты, в про­центах от площади всего вывода на рентгеновском снимке паяного соединения при прямом сканировании, т.е. при угле наклона образца/детектора (tilt angle) 0°.

Максимально допустимое содержание пустот в паяных соединениях BGA указано в таблице 10.2. Следует подчеркнуть, что эти зна­чения носят рекомендательный характер и превышение их не сви­детельствует о наличие дефекта. Максимально допустимое содержание пустот составляет 25% вне зависимости от расположения пустоты и класса изделия. При этом пустоты, вызванные особенностями конструкции, например, наличием переходных отверстий в контактных площадках, не под­падают под этот критерий. В таких случаях критерий качества должен устанавливаться по согласованию между производителем и заказчиком.

Таблица 10. 2 - Максимальное рекомендуемое содержание пустот.

Расположение пустоты	Описание	Предельное содержание пустот, %
		Класс 1	Класс 2	Класс 3
	Пустоты в объеме вывода после пайки	36	20	9
	Пустоты на границе между вы­водом и контактной площадкой на корпусе после пайки	25	12	4
	Пустоты на границе между вы­водом и контактной площадкой на плате после пайки	25	12	4

Определить, где в соединении расположена пустота, можно при просмотре под углом. На рисунке 10.5 приведен снимок паяных соединений, пустоты в которых расположены в верхней части.

Смещение

Смещение выводов компонентов BGA относительно контактных площадок не должно приводить к нарушению минимального электрического зазора (рисунок 10.6).

Расстояние между центром левой нижней контактной площадки и центром соответствующего вывода составляет 140 мкм. Дефектом не является, так как не нарушает минимальный электрический зазор.

Перемычки

Наличие перемычек припоя между паяными соединениями не допускается. Следует помнить, что чип-компоненты, установленные с обратной стороны платы под компонентом BGA, иногда выглядят как перемычки. В случае сомнения отличить перемычку от чип- компонента можно при просмотре под углом: перемычка будет наблюдаться в плоскости выводов, а чип-компонент-под выводами (рисунок 10.8).

Р исунок 10.5 - Снимок паяных соединений, пустоты в которых расположены в верхней части

Р исунок 10.6 - Смещение выводов относительно контактных площадок.

Рисунок 10.7 - Перемычка между четырьмя выводами

а) угол наклона 0° б) угол наклона 32°

Рисунок 10.8 - Чип-компонент с обратной стороны платы.

Если нет уверенности чип компонент это или перемычка, то просмотр под углом рассеет сомнения

Отсутствие смачивания и соединения

Для обеспечения возможности автоматического определения наличия смачивания припоем контактной площадки с помощью систем рентгеновского контроля компания Phoenix|x-ray рекомендует делать контактные площадки с выступом, длина которого примерно равна половине диаметра площадки (рисунок 10.9 и рисунок 10.10).

Р исунок 10.9 - Контактные площадки с выступом (L=D/2)

Однако целесообразность применения контактных площадок с выступом для монтажа микросхем с малым шагом выводов сомнительна, так как это может способствовать образованию перемычек.

Р исунок 10.10 - Автоматическое определение отсутствия смачивания

В случае контактных площадок, ограниченных металлом, при прямом сканировании на изображении паяного соединения будет видно кольцо. Если припой смочил контактную площадку, то кольцо лучше выражено (рисунок 10.11, б, рисунок 10.12). Если припой не смочил контактную площадку, то это кольцо выражено значительно слабее (рисунок 10.11, в).

а) слабо поглощает б) поглощает в) сильно поглощает

Рисунок 10.11 - Распределение уровня серого для различных конфигураций контактных площадок

Для контактных площадок, ограниченных паяльной маской, такой метод неприменим. Ввиду высокой субъективности метода, им следует пользоваться осторожно: сравнивая кольца на снимках паяных соединений одного компонента и рассмотрением под углом тех соединений, кольца на которых хуже выражены.

Контактные площадки, ограниченные паяльной маской металлом. На рисунке 10.12 отчетливо видны окружности по периметру паяных соединений.

Рисунок 10.12 - Рентгеновский снимок паяных соединений компонента BGA.

На рисунке 10.13 показаны снимки одних и тех же соединений при прямом сканировании и сканировании под углом. На снимках указанного соединения отсутствуют кольца, следовательно, припой не смочил контактную площадку.

Рисунок 10.13 - Пример отсутствия смачивания

На рисунке 10.13 а на снимке паяного соединения, полученном при прямом сканировании, отсутствует темное кольцо, а на рисунке 10.13 б на снимке этого же соединения под углом 50° от­сутствует кольцо в нижней части соединения, следовательно, припой не смочил контактную площадку.

На рисунке 10.14 показан пример отсутствия контакта шарикового вывода с контактной площадкой на плате. На снимке также видно, что на контактную площадку не была нанесена паста.

Рисунок 10.14 - Отсутствие контакта вывода BGA с контактной площадкой на плате

Отсутствие вывода

О тсутствие вывода не допускается. На рисунке 10.15 показан снимок, свидетельствующий об отсутствии вывода BGA.

Рисунок 10.15 - Отсутствие вывода BGA

(справа - увеличенное изображение)

Трещины

Наличие трещин в паяных соединениях по стандарту IPC-A-610D не допускается.

Рисунок 10.16 - Рентгеновский снимок паяных соединений с трещинами

Компоненты, монтируемые в отверстия

При контроле паяных соединений компонентов, монтируемых в отверстия, наиболь­ший интерес представляет оценка заполнения припоем монтажного отверстия, так как визу­ально это практически невозможно определить. Также при рентгеновском контроле можно обнаружить трещины в паяных соединениях.

Заполнение припоем монтажных отверстий

Минимально допустимое заполнение припоем монтажного отверстия приведено в таблице 10.1.

Следует отметить, что этот критерий распространяется только на металлизированные отверстия и не применим к неметаллизированным (рентгеновский снимок паяных соедине­ний компонента, смонтированного в неметаллизированные отверстия (рисунок 10.17)).

Таблица 10.1 - Минимально допустимое заполнение припоем монтажного отверстия

Критерий	Класс 1	Класс 2	Класс 3
Минимально допустимое заполнение припоем мон­тажного отверстия	не определе­но	75%	75%

Рисунок 10.17 - Рентгеновский снимок паяных соединений

компонента (разъема), смонтированного в неметаллизированное отверстие

В качестве исключения из требований (таблица 10.1), допускается за­полнение припоем металлизированных отверстий на 50% для изделий класса 2 при соблюде­нии следующих условий:

1. монтажное отверстие соединено с теплоотводом;

2. вывод компонента различим на стороне В паяного соединения (рисунок 10. 18);

Рисунок 10.18- Заполнение припоем монтажного отверстия

3. галтель припоя на стороне В (рисунок 10.18) смачивает на 360° вывод компонента и стенки металлизированного отверстия;

4. все другие расположенные рядом металлизированные переходные отверстия должны от­вечать требованиям, представленным в таблице 10.2.

Таблица 10.2 - Минимально допустимые условия приемки

Параметр	Значение
Вертикальное заполнение монтажных отверстий припоем	75°
Смачивание вывода и металлизированного отверстия на	180°
верхней стороне платы (сторона установки компонентов).
Часть контактной площадки на верхней стороне платы (сто-	0
рона установки компонентов), смоченная припоем, %
Смачивание периметра вывода, металлизированного отвер-	270°
стия и заполнение их припоем на нижней стороне платы
(сторона пайки)
Часть контактной площадки на нижней стороне платы (сто-	75%
рона пайки), смоченная припоем

Указанные паяные соединения дефектны, т.к. монтажные отверстия заполнены менее чем на 75 %.

Очевидно, что правое и сред­нее отверстия в нижнем ряду заполнены менее чем на 75%, левые отверстия в обоих рядах - на 75-90%, и, наконец, правое и среднее отверстия в верхнем ряду - практически полностью.

К онтроль паяных соединений штырьковых компонентов рекомендуется проводить при таких параметрах, чтобы были отчетливо видны стенки отверстий и контактные пло­щадки, и паяные соединения не перекрывались.

Р исунок 10.20 - Фрагмент снимка, показанного на рисунке 10.19 - 6 правых выводов.

Пустоты

С одной стороны, в стандарте нет требований по содержанию пустот в паяных соединениях компонентов, монтируемых в отверстия. С другой стороны, есть требо­вания по заполнению отверстий припоем. Поэтому, если наличие пустот приводит к неудов­летворительному заполнению отверстий, то пустоты следует считать дефектом (рисунок 10.21).

Трещины в паяных соединениях

На рисунке 10.22 приведен рентгеновский снимок паяного соединения лепестка (Г-образного штырька), смонтированного в неметаллизированное отверстие, пайка производи­лась с двух сторон. В верхней части соединения отчетливо различима трещина, показанная с большим увеличением (рисунок 10.21).

Р исунок 10.21

Рисунок 10.22 - Рентгеновский снимок паяного соединения, имеющего трещину

Р исунок 10.23 - Трещина, показанная на рисунке 10.22, снятая с большим увеличением

Прочие компоненты

Трещины в паяных соединениях

Наличие трещин является дефектом. На рисунке 10.24 показан пример паяного соединения микросхемы SO с трещиной.

а) сканирование под углом б) снимок при прямом сканировании

Рисунок 10.24 - Паяное соединение микросхемы SO с трещиной

Пустоты

М аксимально допустимое содержание пустот в паяных соединениях компонентов, не относящихся к BGA, CSP и flip chip не оговаривается. Тем не менее, оценка содержания пустот в таких паяных соединениях тоже может проводиться. При этом следует обращать внимание на наличие пустот под пяткой вывода, так как считается, что эта часть соединения обеспечивает его прочность.

Рисунок 10.25- Пустота под пяткой вывода0 в паяном соединении микросхемы SO

Шарики припоя

Наличие шариков/брызг припоя является дефектом, если выполняется хотя бы одно из двух условий;

• шарики приводят к нарушению минимального электрического зазора;

• шарики не заключены во флюсе, паяльной маске или не подпаяны к металлическим по­верхностям, т.е. они могут сместиться при штатных условиях эксплуатации.

Р исунок 10.26 - Рентгеновский снимок чип-компонента, под которым имеются шарики припоя

В данном слу­чае дефектом не является, так как шарики не приводят к нарушению минимального электрического за­зора и не должны сместиться при штатных условиях эксплуатации

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Получить у преподавателя задание на лабораторную работу.

2. Включить рентгеновскую установку Micromex согласно инструкции по эксплуатации.

3. Взять смонтированную печатную плату.

4. Произвести рентгенконтроль качества монтажа данной печатной платы.

Требования к отчету

Отчет должен быть оформлен согласно ГОСТу 7.32-2001 и содержать:

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Краткие сведения по рентгеновским аппаратом и контролю паяных соединений.

4. Результаты выполнения задания представить в виде рентгеновского снимка и описания дефекта, который был обнаружен.

5. Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Рентгеновские аппараты.

2. Виды рентгеновских трубок.

3. Контроль паяных соединений.

4. Контроль BGA-компонентов.

5. Контроль компонентов, монтируемых в отверстия.

6. Контроль прочих компонентов.