Röntgen-Techniker deckt versteckte Mängel in der Elektronikfertigung auf

Auf der Suche nach höchster Präzision und Zuverlässigkeit in der Elektronikfertigung stellen mikroskopische Defekte, die in Bauteilen verborgen sind, erhebliche Herausforderungen für die Qualitätskontrolle dar. Die ARIRANG-Serie von 3D-CT-Röntgeninspektionssystemen zeichnet sich im Bereich industrieller CT-Systeme durch ihre bemerkenswerte Bildgebungsgeschwindigkeit von 15 Sekunden aus. Diese Systeme zeichnen sich durch Detailerkennung und Genauigkeit aus und erfüllen strenge Anforderungen für die Inspektion von SMD-Bauteilen (Surface-Mount Device) und Halbleitern. Fortschrittliche 3D-Rekonstruktionstechnologie erzeugt digitale Schnittbilder, die eine präzise Messung und Analyse von Defekten im dreidimensionalen Raum ermöglichen und somit traditionelle Inspektionsgrenzen grundlegend verändern.

Obwohl die optische Inspektion (AOI und SPI) in der Elektronikproduktion zum Standard geworden ist, stößt sie bei der Untersuchung von integrierten Schaltungspaketen wie BGAs, LGAs und ICs an ihre Grenzen. Bei Bauteilen mit verborgenen Verbindungspunkten unter der Verpackung kann die optische Inspektion nur äußere Merkmale bewerten und interne Lötfehler nicht beurteilen. Die Röntgeninspektion bleibt die einzige effektive Methode, um das Innere von Bauteilen "durchzusehen".

Mit der rasanten Entwicklung von IoT- und Smart-Home-Anwendungen werden alltägliche Produkte zunehmend elektrifiziert. Beispielsweise werden mechanische Handbremsen zunehmend durch elektronische Steuerungssysteme ersetzt, die Prozessoren mit verborgenen Lötstellen enthalten. Die Zuverlässigkeit dieser Komponenten wirkt sich direkt auf die Benutzersicherheit aus, was die Röntgeninspektion unerlässlich macht, um potenzielle Risiken durch verborgene Lötfehler zu identifizieren.

Die Röntgeninspektion identifiziert effektiv verschiedene Lötfehler, die sich unter Bauteilen verbergen, darunter:

• Kalte Lötstellen/offene Verbindungen: Unvollständige elektrische Verbindungen, die zu Schaltungsunterbrechungen führen
• Lunker/Porosität: Lufteinschlüsse im Lot, die die Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit beeinträchtigen
• Risse: Mikroskopische Brüche in Lötstellen oder Bauteilen, die zu Leistungseinbußen führen
• Brückenbildung: Versehentliche Lötverbindungen zwischen benachbarten Pads, die Kurzschlüsse verursachen
• Fehlende interne Komponenten: Unvollständige interne Strukturen, die die Funktionalität beeinträchtigen

Durch 2D-, 2,5D- und 3D-CT-Inspektionsmethoden werden diese Defekte erkennbar. Die Mehrwinkelansichten aus 2,5D-Schrägaufnahmen und 3D-CT-Schnittbildern vereinfachen die Fehlererkennung erheblich und verbessern gleichzeitig die Genauigkeit.

Industrielle Röntgensysteme für die Elektronikfertigung lassen sich je nach Automatisierungsgrad in drei Kategorien einteilen:

Diese manuellen Röntgeninspektionssysteme (MXI) werden hauptsächlich für die Stichprobenprüfung einzelner oder kleiner Chargen verwendet. Sie erfordern, dass Bediener Proben manuell positionieren, interessierende Bereiche (ROI) lokalisieren und Bilder auswerten. Ihre relativ geringen Kosten machen sie zu einem wirtschaftlichen Einstiegspunkt für die Röntgeninspektion.

Obwohl diese Systeme nicht vollständig in Produktionslinien integriert sind, führen sie automatisierte Inspektionen (AXI) durch. Bediener übernehmen nur das Be- und Entladen, während das System ROIs automatisch positioniert, Winkel/Kontrast anpasst und Bilder generiert. Die endgültige Auswertung bleibt manuell, was sie für die periodische Stichprobenprüfung in der Massenproduktion geeignet macht.

Diese hochautomatisierten Lösungen lassen sich nahtlos in Produktionslinien integrieren. Leiterplatten werden automatisch zugeführt, inspiziert, ausgewertet und die Ergebnisse in Datenbanken gespeichert. Inline-Systeme ermöglichen eine 100%ige Qualitätskontrolle und sind entscheidend für sicherheitssensible Branchen wie Medizintechnik und Automobilelektronik.

Alle industriellen Röntgensysteme bestehen aus drei Kernkomponenten: einer Röntgenröhre, einem Detektor und einem Probentisch/Förderband. Die Röntgenröhre (oben oder unten positioniert) emittiert Strahlung durch die Probe zum gegenüberliegenden Detektor. Materialdichteunterschiede erzeugen Graustufenkontraste – dichte Bereiche erscheinen dunkler, da sie mehr Strahlung absorbieren, während weniger dichte Bereiche heller erscheinen.

Bei der 2D-Bildgebung mit senkrechter Strahlung treten Überlappungen von Strukturen bei doppelseitigen Leiterplatten auf. Selbst einseitige Platinen können aufgrund überlappender Merkmale Defekte wie kalte Lötstellen übersehen. Mit schrumpfenden Bauteilen und zunehmender Komplexität nimmt die Bedeutung von 2D ab, während 2,5D unerlässlich wird.

Verstellbare Schrägansichten ermöglichen die effektive Erkennung verborgener Lötfehler in BGAs und Durchsteckbauteilen und überwinden die Einschränkungen von 2D.

Durch 360°-Drehung der Proben während der Bildgebung rekonstruiert spezialisierte Software vollständige 3D-Modelle aus Hunderten von 2D-Bildern. Dies ermöglicht eine digitale Schnittbildanalyse, die typischerweise ein Bild pro Rotationsgrad (insgesamt 360 Bilder) erfordert, wobei die Aufnahmemenge die Zykluszeit direkt beeinflusst.

Wartungsfrei mit nicht austauschbaren Glühdrähten bieten diese eine Lebensdauer von 6.000 bis 10.000 Stunden in vakuumversiegelten Umgebungen und erreichen eine Auflösung im Mikrometerbereich.

Mit austauschbaren Glühdrähten (Wartung alle 300-1.000 Stunden erforderlich) und externen Vakuumpumpen erreichen diese durch präzise Strahlfokussierung eine Auflösung im Nanometerbereich.

Optimale Durchdringung erfordert die Anpassung von Spannung/Leistung basierend auf der Materialdichte. Niedrigere Spannungen eignen sich für Aluminium, während höhere Spannungen dichtere Materialien wie Eisen oder Gold durchdringen. Übermäßige Spannung kann feine Details wie Bonddrähte übermäßig durchdringen, während unzureichende Spannung zu unterbelichteten Bildern führt.

Flachbilddetektoren dominieren mittlerweile den Markt und ersetzen frühere Bildverstärker, indem sie auch bei niedrigen Spannungen kontrastreiche Bilder liefern, obwohl einige Hersteller proprietäre Alternativen einsetzen.

Vorschriften wie die deutsche Strahlenschutzverordnung schreiben eine umfassende Abschirmung, unabhängige Stromabschaltkreise und maximale Expositionsgrenzwerte (3 µSv/Stunde bei 0,1 m von zugänglichen Oberflächen) vor. Alle Systeme erfordern vor Inbetriebnahme eine unabhängige Zertifizierung.