這兩年【3D X-Ray】商業(yè)應(yīng)用變得越來(lái)越有看頭了，而且投入研發(fā)的廠商也越來(lái)越多，所以機(jī)臺(tái)費(fèi)用也就越來(lái)越便宜，但還不到親民的程度就是了。另外，擁有【3D X-Ray】的實(shí)驗(yàn)室(Lab)也越來(lái)越多，深圳宏力捷接觸過(guò)的在臺(tái)灣就至少有兩家實(shí)驗(yàn)室有【3D X-Ray】。

【3D X-Ray】顧名思義就是具有可以使用X-Ray成像3D圖檔的能力，所以這項(xiàng)技術(shù)一般也稱為【CT（Computerize Tomography) Scan，電腦斷層掃描】，這名稱怎么似曾相似，是的，這就跟我們?cè)卺t(yī)院經(jīng)常聽(tīng)到的【CT】用來(lái)做人體「電腦斷層掃描」是類似的儀器。

 

2D X-Ray的能力有限

相信大家都很清楚，現(xiàn)在一般普遍PCBA電子工廠內(nèi)已經(jīng)存在的【2D X-Ray】能做的事情非常有限，大概就是看看積體電路IC內(nèi)的金線或銅線的「wire bond」有無(wú)斷線、斷頭，電路板的線路(trace)有無(wú)明顯的短路，以及BGA、QFN或LGA這類焊點(diǎn)藏在零件本體下方的零件有無(wú)焊接短路，再來(lái)就是檢查氣泡(bubble)、孔洞(void)的大小有無(wú)超標(biāo)…等現(xiàn)象。

 

而真正讓PCBA電子工廠制程傷腦筋的HIP(枕頭效應(yīng))、NWO(Non-Wet-Open)、Crack…等不良現(xiàn)象難以用原來(lái)的【2D X-Ray】探查出來(lái)，雖然還是可以透過(guò)某些個(gè)人經(jīng)驗(yàn)使用【2D X-Ray】來(lái)判斷BGA有否空焊，但畢竟其能力真的非常有限。

 

3D X-Ray CT 的基本原理與優(yōu)點(diǎn)

【3D X-Ray CT】基本上會(huì)以45°/60°傾斜角旋轉(zhuǎn)360°掃描樣品一圈，基本上掃描一張普通的3D的X-Ray圖片大概得花10～15分鐘來(lái)做事前的淮備動(dòng)作，然后花15～20分鐘掃描，然后再花5～10分鐘來(lái)組合一張3D圖，所以要做出一張3D的X-Ray圖片大概得花30分鐘。

 

也因?yàn)?D影像是透過(guò)軟體一層層將2D的影像合成3D圖，所以只要使用合適的軟體就可以對(duì)待測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐一切割及顯現(xiàn)不同深度的各層圖像，精確使用的話也可以將微小缺陷能更清晰地顯現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而達(dá)到判別缺陷的目的。

 

所以現(xiàn)在的【3D X-Ray CT】基本上可以比之前的【2D X-Ray】做到更精細(xì)的X-Ray掃描并呈現(xiàn)出3D的立體影像結(jié)果，因此可以比較簡(jiǎn)單的就檢查到BGA的HIP(枕頭效應(yīng))、NWO(Non-Wet-Open)這兩個(gè)外觀比較明顯的焊接缺點(diǎn)，但如果是微裂紋(micro crack)則取決于我們對(duì)crack位置精度的掌握了。

 

之所以這么說(shuō)是因?yàn)槊恳淮蔚摹?D X-Ray】掃描大概都得花費(fèi)30分鐘左右的時(shí)間來(lái)完成一張立體圖，如果想看「微裂紋」還得提高掃描的解析度，也就是得將掃描的區(qū)域限制在一～四顆錫球左右的大小（視微裂紋縫隙大小而定），所以整體掃描下來(lái)可是很累人，也是時(shí)間的，如果是委外實(shí)驗(yàn)室，這個(gè)費(fèi)用可不便宜，掃描一張圖片大概得花NT15,000~NT30,000（不保證）不等。

 

3D X-Ray CT 的主要應(yīng)用，可以幫我們做到什么事

要了解【3D X-Ray CT】可以怎么用就必須先了解X-Ray成像的特性基本上與被探查材料的下列三個(gè)特性有著極大的關(guān)系：

?　化學(xué)周期表上的原子序

?　密度

?　厚度

這個(gè)其實(shí)也很好理解，一般來(lái)說(shuō)原子序越大的材料，表示其原子的組成就越大，X-Ray就越難以穿越，所以成像也就越黑，密度及厚度也都是類似的道理，因?yàn)閄-Ray就是一種能量，阻礙越大就越不容易通過(guò)。

 

所以IC封裝中如果有孔洞、氣泡，因?yàn)楹谀z與孔洞有著明顯的密度差異，所以可以很清楚的用X-Ray分辦出孔洞的位置，而IC封裝中的金線（金的原子序：79）、銅線（銅的原子序：29）也可以很明確的與硅晶片（硅的原子序：14）做出區(qū)別，但如果是COB打鋁線就很難與硅晶片做出區(qū)別了（鋁的原子序：13），因?yàn)閮烧叩脑有蛱^(guò)相近。

 

【3D X-Ray CT】的主要應(yīng)用：

?　IC封裝中的缺陷檢驗(yàn)如：打金線的完整性檢驗(yàn)、黑膠的裂痕、銀膠及黑膠的氣泡。

?　印刷電路板及載板制程中可能產(chǎn)生的缺陷，例如：線路對(duì)齊不良或橋接以及開(kāi)路、電鍍孔制程品質(zhì)檢驗(yàn)、多層板各層線路配置分析。

?　各式電子產(chǎn)品中可能產(chǎn)生的開(kāi)路，短路或不正常連接的缺陷檢驗(yàn)。 

?　錫球陣列封裝及覆晶片封裝中錫球的完整性檢驗(yàn)：比如錫球變形、錫裂、錫球空冷銲、錫球短路、HIP、NWO、錫球氣泡。

?　密度較高的塑膠材質(zhì)破裂或金屬材質(zhì)空洞檢驗(yàn)。

?　各式主、被動(dòng)元件檢測(cè)分析。

?　各種材料結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)分析。比如：合金的材質(zhì)分析、玻璃纖維編織角度分析

 

【3D X-Ray CT】的其他應(yīng)用：

?　逆向工程： 

其實(shí)【3D X-Ray CT】除了可以拿來(lái)檢查一些我們看不到的地方，它其實(shí)還可以拿來(lái)做逆向工程分析，比如說(shuō)有些使用超音波黏死的殼子或是某些特殊技巧防止拆解的工藝，大部分都可以使用【3D X-Ray CT】將之一層一層解開(kāi)。

?　成品檢查： 

這個(gè)一般用在精密機(jī)械加工件，有些尺寸及精度要求比較高的工件，可以使用【3D X-Ray CT】來(lái)做全尺寸檢查，合成3D圖形后可以與原來(lái)的3D規(guī)格檔做比較，從而判斷允收或不良需要重工與否。

 

【3D X-Ray CT】的注意事項(xiàng)：

?　大部分的【3D X-Ray CT】都會(huì)限制樣品尺寸的大小，不過(guò)一般手機(jī)板都可以整個(gè)放進(jìn)去，沒(méi)問(wèn)題，但最好還是先確認(rèn)一下尺寸。

?　一般【3D X-Ray CT】掃描的時(shí)候會(huì)設(shè)定一個(gè)焦距的中心，距離中心越近的地方照出來(lái)的X-Ray會(huì)越清晰，而距離焦距中心越遠(yuǎn)的地方，就會(huì)越有模糊的Fu。

?　一般的掃描大概需要30分種成像一張圖，但某些更精細(xì)的要求也可以3～4小時(shí)才會(huì)出來(lái)一張圖，基本上與取圖的頻率有關(guān)系，這個(gè)要是先溝通好。

?　一般【3D X-Ray CT】機(jī)器的能力可以從kV/W的做初步判斷，數(shù)字越大能量越強(qiáng)，也就越有能力穿過(guò)更厚、密度更高的材料，當(dāng)然雜訊排除能力也是重點(diǎn)。

?　一般的【3D X-Ray CT】的影像解析度都可以達(dá)到0.5~0.7um(微米)及nm(奈米)級(jí)的體素能力，但就如同前面篇幅所續(xù)，要達(dá)到最佳能力必須限縮在一定的范圍內(nèi)。
 

下圖為使用【3D X-Ray CT】掃描BGA封裝后指定觀察的側(cè)面錫球品質(zhì)結(jié)果。 

 

下圖為使用【3D X-Ray CT】掃描BGA封裝后指定觀察PCB面的錫球品質(zhì)結(jié)果。 

 

下圖為其他案例有錫球破裂(Crack)使用CT掃描后所呈現(xiàn)出來(lái)的樣貌。