Một dây chuyền có thể vượt qua kiểm tra kem hàn và kiểm tra quang học tự động, nhưng vẫn chứa mối hàn không thể tin cậy khi vận hành. Điều này thường trở nên rõ ràng khi các cụm lắp ráp sử dụng linh kiện đầu cuối phía đáy, BGA, gói xếp chồng, đầu nối có vùng hàn bị che khuất hoặc tấm chắn kim loại che khuất tầm nhìn của camera. Mặt có thể nhìn thấy của bo mạch có thể trông sạch, trong khi giao diện hàn thực tế lại có lỗ rỗng, cầu hàn, độ sụt không đủ hoặc kết nối hở.

Cần kiểm tra X-ray cùng với AOI và SPI khi quyết định chất lượng phụ thuộc vào các đặc điểm bị che khuất khỏi tầm nhìn quang học. SPI xác nhận liệu kem hàn có được in trong cửa sổ quy trình chấp nhận được hay không. AOI kiểm tra kem hàn nhìn thấy được, vị trí linh kiện, cực tính, ký hiệu, chân linh kiện và các mép hàn lộ ra. Nên bổ sung X-ray khi các kiểm tra này không thể xác minh hình dạng mối hàn bên trong hoặc khi hậu quả của việc bỏ sót lỗi ẩn là quá lớn. Ba phương pháp này bổ trợ cho nhau, không thể thay thế cho nhau.

Bắt đầu từ mối hàn, không phải từ danh sách máy móc

Cách đáng tin cậy nhất để quyết định có đưa X-ray vào hay không là lập bản đồ từng linh kiện quan trọng với bằng chứng cần thiết để chấp nhận. Chân gull-wing có mép hàn lộ ra thường có thể được đánh giá hiệu quả bằng AOI, miễn là hệ thống quang học có độ bao phủ phù hợp và chương trình kiểm tra ổn định. Nhưng bi hàn BGA nằm dưới gói linh kiện thì không thể. AOI có thể nhận biết linh kiện bị lệch, thiếu linh kiện hoặc hư hỏng rõ ràng của gói, nhưng không thể trực tiếp quan sát tình trạng của từng bi hàn bị che khuất.

Sự khác biệt này rất quan trọng trong quá trình rà soát quy trình. Các nhóm đôi khi bổ sung X-ray sau khi điều tra sự cố vì cho rằng AOI là bước kiểm tra hoàn chỉnh sau reflow. Điều đó không đúng. AOI rất hiệu quả trong việc phát hiện các tình trạng có thể nhìn thấy từ phía trên hoặc từ các góc quan sát quang học nghiêng. AOI không thay thế được phương pháp chụp ảnh được thiết kế để kiểm tra xuyên qua thân linh kiện và các lớp bo mạch.

Các trường hợp linh kiện thường cần đến X-ray

Không phải mọi PCB đều cần cùng mức độ bao phủ X-ray. Quyết định sẽ rõ ràng hơn khi xem xét kiến trúc linh kiện.

BGA, CSP và các gói mảng diện tích khác

Các gói này là lý do phổ biến nhất để sử dụng X-ray. Các bi hàn của chúng nằm giữa gói linh kiện và PCB, không để lại mép hàn lộ ra để xác nhận bằng quang học. X-ray có thể phát hiện sự căn chỉnh giữa bi hàn và pad, cầu hàn giữa các bi lân cận, bi hàn bị thiếu hoặc sụt bất thường, cũng như các biến thiên bất thường về hình dạng mối hàn. X-ray cũng có thể xác định liệu mẫu lỗi là riêng lẻ hay lặp lại trên toàn bộ gói, điều này hữu ích khi xác định nguyên nhân có thể liên quan đến stencil, đặt linh kiện hoặc biên dạng nhiệt.

Đối với các mảng diện tích bước nhỏ, khả năng kiểm tra phải phù hợp với kích thước đặc trưng. Chỉ độ phóng đại là chưa đủ. Độ tương phản hình ảnh, hiệu suất đầu dò, biến dạng hình học, độ ổn định của đồ gá và khả năng phân tách các bi lân cận đều ảnh hưởng đến việc hình ảnh có hỗ trợ quyết định phân loại đáng tin cậy hay không.

QFN, DFN, gói LGA và các thiết bị đầu cuối phía đáy

QFN có thể có các cạnh ngoại vi nhìn thấy được, nhưng pad tản nhiệt chính và phần lớn kết nối điện nằm dưới thân linh kiện. AOI thường có thể xác nhận gói linh kiện hiện diện và được định hướng đúng. Tuy nhiên, AOI không thể xác định pad trung tâm có được dàn đều đúng cách hay không, có cầu hàn bên dưới hay không, hoặc có lỗ rỗng quá mức trong khu vực quan trọng về nhiệt hay không.

Điều này đặc biệt liên quan đến các thiết bị công suất và linh kiện truyền nhiệt qua pad lộ ra. Một mối hàn vẫn có thể duy trì kết nối điện nhưng có phân bố hàn làm tăng điện trở nhiệt hoặc tạo ra sự đỡ cơ học không đồng đều. X-ray không tự động xác định độ tin cậy lâu dài, nhưng cung cấp bằng chứng mà kiểm tra quang học không thể cung cấp.

Đầu nối, mô-đun, tấm chắn và cụm lắp ráp xếp chồng

Mối hàn bị che khuất không chỉ giới hạn ở các gói bán dẫn. Một số đầu nối có đầu cuối ẩn, và các mô-đun RF có thể bao gồm lớp che chắn hoặc cấu trúc hạn chế đường ngắm. Trong các khu vực nhiều lớp hoặc có mật độ linh kiện cao, câu hỏi là liệu lỗi có thể được quan sát đủ rõ để đưa ra quyết định hay không. Khi các đặc điểm kim loại chồng lấp khiến việc diễn giải trở nên khó khăn, kế hoạch kiểm tra có thể cần các góc quan sát được lựa chọn cẩn thận, recipe theo vùng cụ thể hoặc phương pháp rà soát có khả năng phân tách các lớp hiệu quả hơn.

Khi kết quả SPI và AOI chỉ ra rủi ro mối hàn ẩn

X-ray cũng có giá trị khi kiểm tra công đoạn trước cho thấy một tình trạng quy trình có thể không tạo ra lỗi nhìn thấy được ở công đoạn sau. Kết quả SPI cận biên không chứng minh rằng mối hàn sẽ hỏng. Reflow có thể bù cho một số biến thiên. Tuy nhiên, thể tích kem hàn thấp lặp lại trên các pad bên dưới BGA, lượng kem hàn không nhất quán trên các pad tản nhiệt QFN hoặc các vệt kem hàn lệch gần những mối hàn ẩn có khoảng cách sít sao là những lý do hợp lý để kiểm tra kết quả sau reflow bằng X-ray.

Logic tương tự cũng áp dụng cho các phát hiện của AOI. Một linh kiện có thể hơi lệch nhưng vẫn vượt ngưỡng AOI vì thân và ký hiệu vẫn nằm trong dung sai. Dưới gói mảng diện tích, sự dịch chuyển vị trí đó có thể làm giảm độ chồng lấp pad đủ để tạo ra các mối hàn yếu hoặc không hoàn chỉnh. X-ray giúp xác định liệu tình trạng đặt linh kiện có dẫn đến vấn đề hàn bên trong hay không.

Lộ trình nâng cấp hữu ích không phải là “gửi mọi bo mạch có bất kỳ cảnh báo nào sang X-ray”. Điều đó tạo ra khối lượng rà soát không cần thiết và có thể che lấp các mẫu lỗi khẩn cấp. Thay vào đó, hãy liên kết tác nhân kích hoạt với các cơ chế hỏng đã biết:

• Lượng kem hàn thấp hoặc căn tâm kém trên các pad ẩn cần kích hoạt kiểm tra các mối hàn không hoàn chỉnh hoặc độ dàn trải hàn không đủ.
• Độ lệch đặt linh kiện trên các gói mảng diện tích hoặc gói đầu cuối phía đáy cần kích hoạt kiểm tra sự căn chỉnh bi hàn hoặc pad.
• Việc sửa chữa lặp lại trên cùng một loại gói cần kích hoạt kiểm tra cầu hàn, hở mạch, chỉ dấu hư hỏng pad hoặc các mẫu lỗ rỗng bất thường.
• Thay đổi biên dạng nhiệt, thay đổi stencil hoặc vật liệu kem hàn mới cần kích hoạt xác minh X-ray mẫu đầu tiên trên các mối hàn ẩn quan trọng.
• Các lỗi kiểm tra điện không mong đợi được khoanh vùng tại thiết bị liên kết ẩn cần được đối chiếu với bằng chứng X-ray trước khi xác định nguyên nhân gốc rễ.

Cách tiếp cận này sử dụng Thiết bị Kiểm tra AOI SPI và X-Ray như một hệ thống kiểm soát liên kết. Mỗi công đoạn cung cấp thông tin để thu hẹp quyết định kiểm tra tiếp theo thay vì hoạt động như một cổng độc lập.

Các phát hiện về lỗ rỗng cần cơ sở chấp nhận được xác định

Lỗ rỗng là một trong những lý do thường gặp nhất khiến hình ảnh X-ray được chú ý, nhưng một vùng tối trong mối hàn không tự động là điều kiện loại bỏ. Mức độ liên quan của lỗ rỗng phụ thuộc vào chức năng linh kiện, vị trí mối hàn, yêu cầu truyền nhiệt, đường dẫn dòng điện, thiết kế gói và quy tắc chấp nhận được thiết lập cho sản phẩm và quy trình. Một mẫu lỗ rỗng nhỏ phân tán và một lỗ rỗng lớn tập trung gần giao diện quan trọng có thể mang ý nghĩa rất khác nhau.

Trước khi sử dụng kết quả X-ray cho các quyết định chấp nhận/loại bỏ, tổ chức cần xác định những gì nhân viên kiểm tra phải đánh giá. Điều này bao gồm vùng quan tâm, hướng hình ảnh, độ phóng đại, ngưỡng hoặc tiêu chí rà soát khi áp dụng, và cách xử lý hình ảnh cận biên. Nếu không có sự chuẩn bị này, các nhân viên vận hành khác nhau có thể diễn giải cùng một mối hàn khác nhau, dẫn đến sửa chữa không cần thiết hoặc bỏ sót lỗi không nhất quán.

Phân tích lỗ rỗng cũng nên tránh một lối tắt phổ biến: coi tỷ lệ phần trăm lỗ rỗng là tín hiệu có ý nghĩa duy nhất. Phân bố rất quan trọng. Các lỗ rỗng tập trung tại giao diện, bằng chứng về thiếu hàn, sự dàn trải hàn không đều hoặc bất đối xứng trên các pad giống hệt nhau có thể cho thấy vấn đề quy trình ngay cả khi một chỉ số số học đơn lẻ có vẻ chấp nhận được. Ngược lại, một giá trị phần trăm tổng quát thiếu ngữ cảnh có thể không giải thích được liệu tình trạng đó có ảnh hưởng đến chức năng hay không.

Sử dụng X-ray tại đúng thời điểm trong luồng sản xuất

Thời điểm kiểm tra X-ray phụ thuộc vào việc nó được sử dụng để đánh giá quy trình, kiểm soát sản xuất thường quy, khắc phục sự cố hay phê duyệt cuối cùng. Không nhất thiết phải đặt tại một vị trí cố định trên mọi dây chuyền.

Trong giai đoạn đưa sản phẩm mới vào sản xuất, thay đổi stencil, chuyển đổi gói linh kiện và phát triển biên dạng reflow, X-ray thường có giá trị lớn nhất như một công cụ xác minh. Nó xác nhận liệu hành vi của mối hàn ẩn có phù hợp với các giả định quy trình trước khi sản xuất hàng loạt khiến mẫu lỗi khó kiểm soát hơn hay không. Kiểm tra các cụm lắp ráp đại diện ở giai đoạn này có thể cho thấy khẩu độ kem hàn, cài đặt đặt linh kiện, bề mặt bo mạch hoặc mức phơi nhiệt có cần điều chỉnh hay không.

Trong sản xuất ổn định, X-ray toàn bộ bo mạch cho từng cụm lắp ráp có thể chỉ phù hợp khi mức độ quan trọng, mật độ gói và yêu cầu thời gian chu kỳ hỗ trợ điều đó. Các dây chuyền khác sử dụng kiểm tra có mục tiêu đối với các gói được chọn, bo mạch đầu tiên, các điểm lấy mẫu xác định hoặc các cụm lắp ráp nhận được tác nhân kích hoạt từ công đoạn trước. Lựa chọn đúng cần dựa trên rủi ro mối hàn ẩn và mục tiêu kiểm soát, không dựa trên giả định chung rằng nhiều hình ảnh hơn luôn nâng cao chất lượng.

Sau khi sửa chữa, X-ray có thể đặc biệt hữu ích đối với các linh kiện có mối hàn không thể xác nhận từ bề mặt. Sửa chữa tạo ra các rủi ro như độ sụt hàn không đồng đều, bi hàn bị dịch chuyển, hàn bị kẹt hoặc thay đổi do nhiệt mà không thể nhìn thấy sau khi linh kiện đã được thay thế. Hình ảnh sau sửa chữa cung cấp bản ghi trực tiếp về khu vực ẩn trước khi cụm lắp ráp chuyển sang công đoạn tiếp theo.

Diễn giải hình ảnh mà không tạo ra sự tin tưởng sai lệch

Hình ảnh X-ray là bằng chứng, không phải chẩn đoán hoàn chỉnh. Cầu hàn có thể rõ trên hình ảnh, nhưng nguyên nhân nền tảng có thể là kem hàn quá nhiều, linh kiện dịch chuyển, thiết kế pad, lực đặt linh kiện hoặc điều kiện reflow. Một đặc điểm trông giống hở mạch có thể xuất phát từ sự tách rời mối hàn thực sự, góc chụp, độ nghiêng linh kiện, sự chồng lấp từ các cấu trúc lân cận hoặc độ tương phản không đủ. Vì vậy, việc rà soát hình ảnh cần gắn với thiết kế cụm lắp ráp và lịch sử quy trình.

Khi hình ảnh cho thấy lỗi, hãy so sánh với lượng kem hàn SPI, hồ sơ đặt linh kiện, hình ảnh AOI, điều kiện reflow và thông tin kiểm tra điện nếu có. Trình tự này tránh việc liên tục xử lý cùng một triệu chứng. Ví dụ, một số cầu hàn BGA liền kề có thể cho thấy vấn đề có hệ thống về in kem hàn hoặc độ sụt; một góc bị biến dạng đơn lẻ có thể chỉ rõ hơn đến việc đặt linh kiện cục bộ, cong vênh bo mạch hoặc điều kiện thao tác.

Chương trình kiểm tra cũng cần được bảo vệ khỏi các cảnh báo sai. Ngưỡng tự động quá chặt có thể tạo ra hàng đợi rà soát đầy các biến thiên chấp nhận được. Ngưỡng lỏng có thể cho phép các lỗi đáng kể lọt qua. Hãy xây dựng recipe bằng các cụm lắp ráp tốt đã biết và logic rà soát được kiểm soát, sau đó xem xét lại chúng sau những thay đổi đáng kể về gói linh kiện, bề mặt bo mạch, thiết kế stencil, kem hàn hoặc hành vi reflow. Một chương trình được sao chép từ gói tương tự là điểm khởi đầu, không phải bằng chứng rằng tiêu chí hình ảnh phù hợp với cụm lắp ráp mới.

Các câu hỏi cần giải quyết trước khi bổ sung năng lực X-ray

Quyết định về thiết bị cần dựa trên yêu cầu kiểm tra. Hãy bắt đầu bằng việc xác định đặc điểm ẩn nhỏ nhất cần phân giải, số lượng mối hàn hoặc vùng cần kiểm tra, tổ hợp gói linh kiện và liệu nhu cầu là sàng lọc tự động thường quy hay phân tích kỹ thuật chi tiết. Các bo mạch mật độ cao có cấu trúc chồng lấp có thể cần khả năng chụp ảnh khác với các bo mạch có vị trí BGA tách biệt.

Thời gian chu kỳ rất quan trọng, nhưng cần được xem xét cùng với thời gian xử lý và rà soát. Trình tự chụp ảnh tự động chỉ mang lại hiệu quả khi đồ gá định vị bo mạch lặp lại được, các vùng quan tâm được lập trình chính xác và quy tắc rà soát mang tính thực tiễn. Diễn giải thủ công có thể phù hợp cho phân tích kỹ thuật và xử lý ngoại lệ, nhưng sẽ trở thành nút thắt khi áp dụng không chọn lọc cho sản lượng lớn.

Khả năng truy xuất nguồn gốc là một mối quan tâm thực tế khác. Đối với các cụm lắp ráp nhạy cảm về an toàn hoặc có độ tin cậy cao, hồ sơ kiểm tra có thể cần liên kết nhận dạng bo mạch, vị trí gói linh kiện, hình ảnh, phiên bản chương trình, quyết định xử lý và trạng thái sửa chữa. Hãy quyết định sớm những hình ảnh nào phải được lưu giữ và các ngoại lệ sẽ được ghi nhận như thế nào. Lưu mọi hình ảnh mà không có phương thức truy xuất sẽ làm tăng dung lượng lưu trữ; chỉ lưu cờ đạt/không đạt có thể để lại quá ít bằng chứng cho việc điều tra sau này.

Dấu hiệu cho thấy chỉ AOI không còn đủ

Hãy cân nhắc bổ sung X-ray có mục tiêu khi số lượng linh kiện có mối hàn ẩn tăng lên, khi các thay đổi quy trình không thể được xác nhận từ hình thức bên ngoài, hoặc khi lỗi điện xuất hiện sau khi bo mạch đã vượt qua kiểm tra trực quan. Điều này cũng cần thiết khi chức năng sản phẩm phụ thuộc vào việc truyền nhiệt qua các pad ở mặt dưới, các mối hàn dòng điện cao được kiểm soát chặt chẽ hoặc các liên kết bị che khuất mà lỗi tiềm ẩn sẽ khó phát hiện về sau.

Mục tiêu thực tế không phải là thay thế SPI hoặc AOI. SPI ngăn ngừa lỗi bằng cách kiểm soát lượng kem hàn được in trước khi đặt linh kiện. AOI nhanh chóng phát hiện nhiều loại lỗi nhìn thấy được. X-ray khép lại khoảng trống bằng chứng bên dưới các gói linh kiện và các cấu trúc bị che khuất khác. Khi tiêu chí kiểm tra, quy tắc kích hoạt và cách diễn giải hình ảnh được xác định dựa trên rủi ro mối hàn thực tế, ba phương pháp này cung cấp quyết định phê duyệt có cơ sở hơn so với bất kỳ phương pháp nào khi đứng riêng lẻ.