Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Не для распространения Введение в технологию поверхностного монтажа
.pdf
Рис. 10.46. Трансформация пайки (оседание)
Рис. 10.47. Фаза А процесса пайки и состояние выводов BGA
Состояние B. Процесс оплавления выводов начинается при температуре 183°C. Под действием сил гравитации происходит первичное “оседание” BGA (Рис. 10.48): расстояние между корпусом и ПП сокращается до 0,8 мм, форма выводов становится бочкообразной, а поверхность выводов тускнеет, оставаясь гладкой.
Рис. 10.48. Фаза В процесса пайки и состояние выводов BGA
Состояние C. По достижении пиковой температуры пайки происходит полное оплавление выводов и смачивание контактных площадок ПП припоем. Происходит вторичное “оседание” BGA (Рис. 10.49): высота выводов еще раз уменьшается (в примере до 0,5 мм), результирующая форма выводов, поддерживаемая силами поверхностного натяжения, – сплющенная эллиптическая. Поверхность выводов – гладкая блестящая (Рис. 10.52).
211
Рис. 10.49. Фаза С процесса пайки и состояние выводов BGA
Важнейшими признаками при оценке качества паяного соединения являются:
∙количество припоя в зоне паяного соединения;
∙форма галтели (соответствие технологическим стандартам);
∙состояние поверхности выводов (текстура, однородность, гладкость, цвет, блеск);
∙аномалии (например, остатки флюса).
Все признаки важны для контроля качества пайки, но именно состояние поверхности выводов дает наибольшую информацию о механической прочности соединения, ибо помогает сделать заключение об условиях формирования интерметаллического диффузионного слоя в процессе пайки. Визуально различимы
∙неоднородная или пористая поверхность выводов, царапины;
∙деформация формы (асимметричность, впадины и выпуклости, искривления);
∙микротрещины;
∙изменения цвета;
∙микрокапли и брызги припоя;
∙остатки флюса;
∙посторонние включения (шлак/окалина).
Идея ERSASCOPE-3000 проста: заглянув под корпус BGA, проконтролировать правильность итоговой формы выводов, копланарность и отсутствие перемычек. У выводов, ближайших к граням корпуса BGA, следует рассмотреть также поверхность. Удается проанализировать и мениски, если при пайке была использована паяльная паста (это касается, прежде всего, керамических BGA). На данной нехитрой идее с мощным техническим воплощением и базируется ERSASCOPE-3000.
Рис. 10.50. Штатив с оптикой ERSASCOPE
Как устроен ERSASCOPE? Система ERSASCOPE-3000 (Рис. 10.50) включает оптическую часть на штативе и компьютерную часть с устройством отображения. ПП закрепляется в штативе так, что перемещаемые вручную элементы оптической системы с
212
высоким разрешением «охватывают» корпус BGA (Рис. 10.51). С одной стороны корпуса располагается мощный (150 Вт) миниатюрный источник света с волоконной оптикой, с противоположной стороны — головка оптического приемника с регулируемым фокусным расстоянием (0-55 мм).
Минимальный зазор между корпусом BGA и ПП, при котором система работает устойчиво, составляет всего 0,05 мм. Максимальные линейные размеры корпуса BGA, для которых мощность подсветки достаточна, – 50 мм. Изображение с приемной оптической головки передается в компьютер для обработки и на монитор (с увеличением до 350 раз) для человеко-машинного анализа. Отпускная цена системы такова, что для многих западных производств (а в перспективе – и некоторых российских) она является весьма разумной с учетом открывающихся возможностей массового выходного контроля изделий, содержащих BGA.
Рис. 10.51. Рабочее положение оптических элементов
Применения ERSASCOPE. Следует отметить, что оптическая инспекция качества пайки может быть применена не только в отношении корпусов BGA и им подобных, но также для корпусов PLCC с J-образными выводами и QFP (с внутренней стороны через просвет между корпусом и линейкой выводов). В модификации MAGNISCOPE подвижная оптическая головка с подсветкой позволяет анализировать миниатюрные объекты сверху или под любым углом до 180° при увеличении их с кратностью до 350 с отображением на мониторе. Измерение, архивирование, документирование и другие прелести компьютерной обработки обеспечиваются программным пакетом ImageDoc. Примеры областей применения ERSASCOPE и объектов анализа:
∙точность установки компонентов перед пайкой;
∙качество пайки BGA и других SMD-компонентов;
∙качество (доза и форма) нанесения паяльной пасты;
∙качество трафарета;
∙качество металлизации отверстий на ПП;
∙целостность защитного покрытия ПП;
∙качество микросварки;
∙применения в других отраслях (например, техническая эндоскопия металлоизделий). На основе кадров (Рис. 10.52 – Рис. 10.56) можно получить начальное
представление о типе изображений, анализируемых менеджером по контролю качества при использовании системы ERSASCOPE-3000 в полноэкранном варианте на высококачественном мониторе.
213
Рис. 10.52. Вывод BGA в результате правильной пайки (состояние С)
Рис. 10.53. Тест на растяжение: отрыв контактной площадки
Рис. 10.54. Тест на растяжение: отрыв вывода BGA от контактной площадки
Рис. 10.55. Вывод BGA в результате "холодной пайки" (состояние В)
Рис. 10.56. Неполное оплавление паяльной пасты
214
10.5.2.Визуальный контроль и бесконтактные измерения
10.5.2.1.Система бесконтактных 2-х осевых измерений Kestrel
Kestrel – система бесконтактных 2-х осевых измерений с высоким разрешением на основе запатентованной технологии оптического проецирования фирмы Vision Engineering.
Kestrel – это первая бесконтактная измерительная система, объединяющая точность качественного лабораторного контроля, повторяемость и оптическое качество с поточной скоростью и легкостью использования в одной недорогой системе.
Оптика с высоким разрешением дает великолепно четкие изображения нечетких, темных и сложных поверхностей с освещением от 2х30 Вт полукоаксиально смонтированных спотламп и 30 Вт вертикально выровненного освещения снизу платформы. Возможно быстросменное увеличение 10х; 20х и 50х (20х установлено в стандартной поставке).
Точные измерения с быстрыми перемещениями достигаются благодаря 3-плитной алюминиевой платформе с высокими характеристиками, позволяющей производить измерения на площади 150х100 мм с точностью платформы 1 мкм/10 мм и повторяемостью системы 4 мкм. Платформа смонтирована на шарнирах и настраивается для гарантирования параллельности между оптической головкой и плоскостью платформы.
При изготовлении платформа калибруется для устранения нелинейной ошибки, что гарантирует оптимальную точность и контролепригодность в соответствии с требованиями стандартов Национальной Физической Лаборатории (NPL/NAMAS) для ИСО9000.
Kestrel поставляется с многофункциональным микропроцессором QC200, дающим представление результатов измерений по осям X, Y в цифровой и графической формах. Результаты могут быть распечатаны через параллельный порт принтера.
Kestrel может быть также подключен к внешним устройствам, таким как цифровая камера или видео/CCTV и был разработан для получения лучших оптических характеристик, точности, повторяемости, скорости и эргономичности при привлекательной цене.
Рис. 10.57. Kestrel с многофункциональным микропроцессором QC200
Многофункциональный микропроцессор QC200 представляет результаты измерений по осям X, Y в цифровой и графической формах. Установка имеет полную калибровку нелинейной ошибки по всей измерительной платформе, результаты которой хранятся в микропроцессоре. Калибровка контролепригодна в соответствии с требованиями стандартов Национальной Физической Лаборатории (NPL/NAMAS) для ИСО9000.
215
Рис. 10.58. Многофункциональный микропроцессор QC200
Метрологическое программное обеспечение. Metronics является первым в мире разработчиком метрологического программного обеспечения и цифровых пультов управления для 2-х и 3-х осевых измерений и контроля и является стандартным управляющим интерфейсом на устройствах для прецизионных измерений фирмы Vision Engineering.
Quadra-Check Цифровой пульт управления. Quadra-Check цифровой пульт управления предназначен для отраслей промышленности, которые нуждаются в прецизионных измерениях и контроле по 2-м и 3-м осям. Пульт имеет интуитивный и простой пользовательский интерфейс, выразительный наглядный дисплей. Его конструкция отражает глубокое понимание потребностей пользователя. Цифровые пульты управления Metronics являются лидерами в промышленности прецизионного контроля и имеют нововведения, которые улучшают производительность оператора, уменьшают количество ошибок и сохраняют время и деньги.
Рис. 10.59. Цифровой пульт управления
QC100 Цифровой пульт управления. Гибкий, компактный и прецизионный цифровой пульт управления для измерений по одной – трем осям. Цифровой пульт идеален для измерения угловых или линейных размеров.
Рис. 10.60. Прецизионный цифровой пульт управления QC100
Геометрический пульт управления. Оригинальный цифровой пульт управления с удобным новым интерфейсом и эргономичным дизайном. Сберегающий время измерительный инструмент с запатентованной технологией Measure Magic®. Идеален для измерений по 2-м осям.
Характеристики платформы:
∙150х100 мм платформа с датчиком положения 1 мкм для микропроцессора QC200;
∙Точность платформы: 1 мкм/10 мм;
∙Оборудование нивелирования платформы для оптимальной плоскостной точности
216
Рис. 10.61. Геометрический пульт управления
Цифровая или видео камеры могут быть легко установлены на Kestrel с помощью дополнительного универсального кронштейна. Изображение объекта может одновременно наблюдаться оптически через оптическую головку и в цифровом виде через камеру.
Рис. 10.62 Цифровая камера
10.5.2.2.Система бесконтактных 2-х и 3-х осевых измерений Hawk
Необходимым условием точного измерения является получение высококачественного изображения. Система бесконтактных измерений по 2-м и 3-м осям Hawk позволяет проводить измерения с высокой точностью и высокой повторяемостью для изделий из различных материалов. Система построена по модульному принципу и отвечает широкому спектру требований.
Рис. 10.63. Hawk – двухосевой бесконтактный измерительный микроскоп
Точное измерение сложных компонентов достигнуто за счёт высокой контрастности и разрешения оптического изображения. Высокое качество первичного оптического изображения позволяет за короткое время проводить измерения на различных по виду обработки поверхностях. Самые сложные измерения могут быть произведены с высокой степенью достоверности.
Варианты исполнения измерительного стола включают высокопрецизионный стол с ходом винтов 150х150 мм и стол с ходом винтов 200х150 мм. Для обеспечения точности и устранения влияния нелинейных ошибок все измерительные столы калибруются в соответствии со стандартами NPL/NAMAS по требованию ИСО9000.
Комбинированный мультифункциональный микропроцессор QC200 (см. Рис. 10.58) обеспечивает легкое представление измерений в цифровой и графической формах. Результаты измерений можно так же вывести на печать через параллельный порт.
Для расширенной обработки данных и возможности работы с системами САПР, в качестве опции, возможна поставка метрологического программного обеспечения QC5000. Также возможна комплектация системы моторизованным измерительным столом или построение полностью автоматизированной системы бесконтактных измерений. На
217
систему Hawk могут быть установлены внешние аксессуары для подключения цифрового или пленочного фотоаппарата, видео камеры.
Дополнительное оборудование Измерительные столы.
Рис. 10.64. Измерительный стол 150х150мм
∙Измерительный стол 150х150 мм;
∙Разрешение: 1 мкм;
∙Точность: 5 мкм;
∙Повторяемость: 3 мкм;
∙Воспроизводимость: 6 мкм;
∙Движение оси Z: 250 мм.
Рис. 10.65 Измерительный стол 200х150 мм
∙Измерительный стол 200х150 мм;
∙Разрешение: 0.5 мкм;
∙Точность: 2 мкм;
∙Повторяемость: 2 мкм;
∙Воспроизводимость: 3 мкм;
∙Движение оси Z: 250 мм.
Рис. 10.66 Измерительный стол 300х225 мм
∙Измерительный стол: 300х225 мм (измерительный стол большого размера);
∙Разрешение: 2 мкм;
∙Точность: 30 мкм;
∙Повторяемость: 10 мкм;
∙Воспроизводимость: 10 мкм;
∙Движение оси Z: 90 мм (базовая конфигурация) (возможность увеличения до 390 мм).
218
Моторизированный измерительный стол. Обеспечивает перемещение по осям X, Y и Z в полуавтоматическом режиме. Программное обеспечение QC5000 может автоматизировать предварительное позиционирование стола с последующей точной настройкой положения и фокуса оператором.
Рис. 10.67. Моторизированный измерительный стол
Полностью автоматизированный стол. Моторизованный стол, дополненный функцией автоматического наведения на фокус (обнаружение края), позволяет проводить полностью автоматизированные измерения по трём осям.
Рис. 10.68. Полностью автоматизированный стол
Обработка данных микропроцессором QC200. Обработка данных может производиться многофункциональным микропроцессором QC200. В систему обработки и представления данных QC200 входит компактный мультифункциональный микропроцессор с большим дисплеем, простым интерфейсом, способным отображать результаты измерений по 2-м и 3-м осям. Простота и надёжность делают систему QC200 идеальной для использования на производстве:
∙отдельностоящая удобная система;
∙наличие функции коррекции нелинейных ошибок (NLEC);
∙2-х осевые измерения:
– точка, окружность, угол, линия, дуга, расстояние;
∙параллельный порт / RS-232.
Рис. 10.69. QC200
Освещение. Кольцевой 6-ти точечный оптоволоконный осветитель (стандартная поставка) – универсальное освещение поверхности, используемое там, где особенности поверхности могут вызвать появление теней. Шесть точек гарантируют равномерное изотропное облучение объекта. Освещение через оптоволоконный кабель от удалённого источника обеспечивает холодный свет без нагрева объекта.
219
Рис. 10.70. Кольцевой 6-ти точечный оптоволоконный осветитель
Спот осветитель. Простое, недорогое решение с использованием двух галогеновых ламп, закреплённых рядом с объективом. Используется для неотражающих объектов, не требующих холодного освещения.
Рис. 10.71. Спот осветитель
Эпископическое освещение (освещение сквозь объектив). Эпископическое освещение проецирует световой поток через объектив, параллельно оптическому пути, проходимому изображением объекта. Такое освещение используется для освещения глухих отверстий или при большом увеличении для плоских отражающих объектов.
Рис. 10.72. Эпископическое освещение
220