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1 SPECIALE - TEST AOI, AXI ED SPI Signature Identification per il controllo dei BGA L uso di ispezione a raggi X per il controllo di qualità delle saldature di componenti BGA è tecnica molto diffusa nell industria di assemblaggio SMD, anche se non sempre è chiaro cosa significa effettuare un ispezione a raggi X che sia veramente efficace di Gil Zweig (Glenbrook Technologies) Scopo del presente articolo è quello di introdurre il concetto di Signature Identification (identificazione della firma) come un mezzo per estendere l utilità dell ispezione a raggi X oltre i tipi di difetti sopra citati. Per questo è necessario capire meglio come l immagine a raggi X si rapporti ai processi di assemblaggio e di reflow. Per giunta il metodo della Signature Identification garantisce un ispezione a raggi X dei BGA rapida ed efficace anche con apparecchiature d ispezione di costo più contenuto. Come ogni radiologo direbbe, bisogna conoscere l anatomia per capire l immagine X-ray. Anatomia delle saldature dei BGA (BGA Bonding) Le caratteristiche anatomiche che devono essere considerate prima di valutare l immagine a raggi X sono: 1 - Il tipo di package del componente (PBGA, CBGA, TAB, Super BGA, ecc.) (Fig. 2). Il tipo di package fornirà informazioni sugli effetti termici previsti, come la dilatazione termica, Fig. 1 - Da sinistra a destra: Bridging - Balls mancanti - Void l assorbimento del calore, la tendenza a deformarsi. Si è notato che i PBGA, in particolare, tendono a deformarsi fisicamente durante il reflow, se non sono stati prima sottoposti a adeguato processo termico di pre-asciugatura (baking). (Ved. Fig. 7) Effetti di deformazione possono essere rilevati nell immagine a raggi X, così come è evidenziato in Fig Pasta saldante. Se si utilizza della pasta saldante, possono verificarsi dei problemi a partire dal rilevamento di eccessi o carenze di pasta. Questo sarà visibile nell immagine a raggi X. 3 - Costruzione della scheda. Schede ad alta capacità termica possono influenzare le temperature di rifusione e le dilatazioni termiche. Questo potrà essere rilevato con l immagine X-ray. (Ved. Fig. 3) Tipiche fasi di Reflow Combinando l ispezione real time a raggi X con una stazione di rework, abbiamo analizzato e registrato le seguenti fasi di rifusione man mano che si verificavano. Le tre fasi di rifusione sono descritte nella Fig Stage A - Il BGA può risultare allineato o parzialmente allineato con le corrispondenti piazzole. 2 - Stage B - Durante la fusione iniziale, le ball di stagno inizieranno a sciogliersi e a diffondersi sulle rispettive piazzole; solo quando tutte le ball sono sciolte il package sarà mosso fino a un preciso allineamento con le pad. 2 PCB maggio 2014

2 3 - Fase C - Collasso finale. Dopo l allineamento, si rileva il collasso finale delle ball e lo stagno bagna completamente la piazzola. Analisi delle fasi di reflow e del loro effetto sull immagine X-ray Risalire alle varie fasi di reflow dall effetto sull immagine X-ray. 1 - Nella Fase A (preriscaldamento) l altezza dello stagno è uguale all altezza delle ball e il diametro delle ball ai raggi X è uguale al suo diametro nominale. 2 - Nella Fase B (collasso iniziale) l altezza dello stagno scende a circa l 80% dell altezza iniziale della ball. 3 - Nella Fase C (collasso definitivo) l altezza dello stagno scende a circa il 50% dell altezza iniziale della ball e il diametro dell immagine a raggi X della ball aumenterebbe di circa il 17%, con un conseguente aumento dell area proiettata del 37%. Il cambiamento della dimensione e dell uniformità dell immagine a raggi X della ball dopo il reflow è la chiave per capire il significato dell immagine finale X-ray. Fig. 2 - Da sinistra a destra: Plastic BGA - Super BGA - Ceramic BGA uniformi e il loro significato Quando si rivelano diversità nell immagine radiografica del BGA, si può osservare che le variazioni possono essere sia di tipo casuale che avere forme determinate. Entrambi i tipi di disomogeneità forniscono indicazioni sul tipo di difetto o su eventuali problemi di processo e quale possa essere la loro causa. Le signature e il loro significato Analisi di alcune immagini X-ray e corrispondenti problemi di processo. 1. Reflow insufficiente Quando il reflow non è sufficiente vanno analizzate diverse signature (Vedi Fig. 5). Una forma ellittica delle saldature significa che il BGA, al momento del piazzamento, non è esattamente allineato con le piazzole. All inizio della fusione (melting) lo stagno comincia a sciogliersi sulla piazzola e assume una forma ellittica fino al suo completo allineamento. Se non si raggiunge una piena rifusione, non si perverrà a un completo allineamento, così parte delle immagini rimarranno ellittiche. Si registreranno immagini ellittiche anche nel caso in cui il pitch delle piazzole non corrisponda a quello del BGA. (Ved. Fig. 5) Uniformità In questa fase si può affermare con sicurezza che, se le immagini X-ray delle ball sono uniformemente circolari e la loro area differisce l una dall altra al massimo di un 10-15%, è molto probabile che non vi siano difetti nelle saldature. Chiamiamo questa condizione uniformità. L uniformità fornisce il primo e più importante metodo d analisi nell uso di ispezioni a raggi X per stimare rapidamente la qualità di una saldatura BGA.(Vedi Fig. 4) Signature (Firma) o pattern non Fig. 3 - Le tre fasi di rifusione (sopra: ciò che avviene durante l attività di ispezione; sotto: come appare come immagine a raggi X) PCB maggio

3 Fig. 4 - Uniformità BGA Fig. 6 - Saldatura fredda 2. Saldature fredde La firma di una saldatura fredda può apparire come una o più immagini con bordi irregolari su tutto il perimetro. (Ved. Fig. 6) 3. Doming o dishing del package del BGA Incurvature del BGA verso l alto (doming) o verso il basso (dishing) sono causate dalle deformazioni fisiche del package. I package in plastica sono particolarmente soggetti a queste deformazioni, ciò se l umidità non viene pre-asciugata (baking) prima del posizionamento. Le firme associate alla deformazione del package sono mostrate in Fig. 7. In doming (curvatura a cupola) si verifica una delaminazione in corrispondenza dell area del die, provocando la curvatura del package di plastica al centro e, di conseguenza, le ball sotto il die risultano compresse e allargate. In dishing (curvatura verso il basso), il sollevamento dei bordi del BGA causa un allungamento delle ball perimetrali che risultano più sottili. (Ved. Fig. 7) Differenze random delle aree di saldatura. Quando si rilevano differenze di tipo variabile nelle aree di saldatura delle ball, come in Fig. 8, un analisi più approfondita rivela che siamo in presenza di una distribuzione casuale di vuoti di saldatura (void). Siccome i void sono facilmente individuati da un sistema a raggi X, questi sono di solito classificati come difetti, senza ulteriori approfondimenti. Studi successivi hanno però dimostrato che alcuni void effettivamen- Fig. 5 - Reflow insufficiente 4 PCB maggio 2014

4 te migliorano l affidabilità della saldatura. Rimane da definire fino a che punto il void possa essere accettato. Questo problema viene affrontato in dettaglio nello standard IPC 7095 Progettazione e implementazione del processo di montaggio dei BGA. In questo standard, c è una nota di cautela per quanto riguarda la tendenza di molti sistemi a raggi X a esagerare e distorcere la dimensione dei void. Questo tipo di distorsione si verifica solo se il tipo di dispositivo di imaging utilizzato nel sistema a raggi X è carente per quanto riguarda la regolazione della tensione (Voltage Blooming). Non tutti i sistemi a raggi X, comunque, presentano tale difetto. In Fig. 8 viene mostrato un esempio di Voltage Blooming. Fig: 7 - Da sinistra a destra: Doming o Popcorning - L ispezione con microscopio mostra le ball con picchi lontani dal package. - Dishing o Warpage L uso del concetto di signature consente ispezioni a raggi X di BGA rapide ed efficaci, anche con sistemi di costo non eccessivo. I sistemi a raggi X possono essere classificati come adatti a essere usati in ambiente di produzione e/o in laboratorio. In ambiente di produzione, quando cioè viene usato il concetto di firma, sono di solito sufficienti ingrandimenti di immagine fino a 40 volte. Nell ambiente laboratorio in cui la primaria attività è la failure analysis (analisi dei guasti) e dove non sono importanti i tempi di ispezione, possono essere richiesti ingrandimenti di 1000 volte o più. Come utilizzare efficacemente il concetto di signature dei BGA Fig. 8 - Effetto di Voltage Blooming Utilizzo dell Image processing per facilitare l identificazione delle firme ( Image Signature Identification ). Fig. 9 - Esempi tipici evidenziati dal contorno bianco L utilizzo della Signature Identification implica la rilevazione a raggi X di variazioni delle immagini di oltre il 15% rispetto al diametro nominale della saldatura. Questa differenza può essere rilevata da un operatore, ma processori d immagine computerizzati possono evidenziare più rapidamente e con elevato grado di ripetibilità firme di deviazioni tipiche (Ved. Fig. 9) Cosa fare dopo aver identificato una firma Se viene identificata una firma, non significa necessariamente che siamo in presenza di un difetto né che possiamo determinarne con esattezza la causa. Significa però che esiste un problema di processo che può portare a dei difetti. Tornando all analogia con il settore medico, se l immagine a raggi X sembra sospetta, è necessaria un ulteriore analisi. Il metodo più efficace per identificare il problema è quello di eseguire un ispezione laterale tramite sonda ottica microscopica chiamata endoscopio. Sono disponibili sul mercato diversi modelli di sonde endoscopiche che producono ingrandimenti delle ball (Fig. 10). PCB maggio

5 Ultra Compact Microfocus X-ray Technology Sistema di ispezione real time a Raggi X da banco. PCB Technologies, ( presenta JewelBox Ultra Compact, un sistema a raggi X dell ultima generazione. Si tratta di un apparecchiatura da banco basata ancora sulla tecnologia GlenBrook denominata Micro-Focus. Grazie alle sue dimensioni contenute (66x55,8 cm) la Jewel Ultra Compact può essere appoggiata su un qualsiasi banco, in ufficio o in un piccolo laboratorio. Sebbene piccola nelle dimensioni, la macchina è grande nelle prestazioni, con un ingrandimento superiore ai 500x, un manipolatore a 5 assi e un image processing avanzato. JewelBox Ultra Compact offre una qualità di immagini superiore con eccellente risoluzione e sensibilità, che lo rende idoneo sia per applicazioni di laboratorio che per analisi degli scarti. La telecamera ad alta risoluzione e la sorgente di raggi X MicroTech a 10 micro garantiscono ingrandimenti da 7x a 500x con risoluzione di 100 coppie di linee / mm. La speciale telecamera a raggi X della Glenbrook consente di catturare immagini a emissioni di raggi X a tensioni di anodo relativamente basse (fino a 80 KV). Inoltre, la possibilità di manipolare le immagini con il posizionatore a cinque assi e, contemporaneamente, visualizzare l oggetto da ispezionare da diverse angolature, consente all operatore di produrre velocemente immagini accurate durante l analisi degli scarti. Il sistema integra il computer e un monitor flip up con relativo mouse wireless e tastiera. Tutto questo lo rende ideale per applicazioni da banco, dove lo spazio può costituire un problema. Sono inclusi Wifi, bluetooth e doppio display. Tutti i sistemi d ispezione Jewel Box includono il pacchetto software di Image Processing della serie GTI. Ispezione endoscopica come analisi complementare L ispezione endoscopica di una saldatura BGA si è dimostrata una preziosa fonte di analisi complementare all ispezione a raggi X. L ispezione endoscopica, per esempio, può identificare saldature fredde, scarsi contatti, crepe e residui di flussante. L unico svantaggio dell ispezione endoscopica è che la procedura di controllo è spesso poco pratica e richiede tempi lunghi. Quando, tuttavia, l endoscopia viene usata in combinazione con il test X-ray e con l identificazione della firma, questa diventa il mezzo più efficace per ispezionare BGA, flip chip e package Chip Scale. L ispezione a raggi X, infatti, grazie al processo d identificazione della firma, consente veloci verifiche delle saldature per capire se siano accettabili o se generino dei sospetti. In caso di saldature sospette, se si desidera determinare la causa esatta del difetto di saldatura, si può utilizzare una sonda endoscopica per un approfondimento off-line. Conoscere con esattezza la causa del difetto porta a effettuare le correzioni più appropriate del processo. (Ved. Fig. 10) Conclusioni Sebbene l ispezione a raggi X sia ampiamente utilizzata per il controllo della qualità dei package BGA assemblati, il massimo beneficio si ottiene con la Signature Identification. Attraverso la comprensione del significato delle firme a raggi X, il processo diventa più rapido e la diagnosi ancora più efficace. Fig Analisi ottica delle ball di un BGA mediante visione laterale ottenuta tramite endoscopia 6 PCB maggio 2014