【3D CT X-Ray】非破壞性立性立體斷層掃描分析PCBA與BGA不良

6 6 月, 2016

這兩年【3D CT X-Ray】商業應用變得越來越有看頭了，隨著投入研發的廠商越來越多，機台費用也越來越便宜，但還不到親民的程度就是了。另外，擁有【3D CT X-Ray】的實驗室(Lab)也越來越多，工作熊接觸過在台灣就至少有兩家以上的實驗室有【3D CT X-Ray】設備。

什麼是【3D CT X-Ray】？

【3D X-Ray】顧名思義就是具有可以使X-Ray成像為3D圖檔的能力，其基本原理是透過不同的深度聚焦掃描厚用電腦合成立體圖像，是不是隱約有點什麼擊中心頭？怎麼好像似曾相似的感覺？沒錯！這就跟我們在醫院經常聽到的【CT】（台語說「鑽隧道(碰空)」）用來做人體全身「電腦斷層掃描」的功用是類似的儀器。這項技術一般稱為【CT（Computerized Tomography) Scan，電腦斷層掃描】。

2D X-Ray的能力有限

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

（對於大陸那些盜文網站，複製貼上本站文章後，居然還改成自己公司的名字，感到無恥！文章內容部份防止複製編排可能造成您閱讀的不便，請見諒！）

而那些真正讓電子組裝工廠製程傷腦筋的HIP(枕頭效應)、NWO(Non-Wet-Open)、BGA crack…等不良現象則難以用原來的【2D X-Ray】探查出來，雖然還是可以透過某些個人經驗使用【2D X-Ray】來判斷BGA有否空焊，但畢竟其能力真的非常有限。

另外，還有一種稱之為2.5D的X-Ray，就是可以再不開啟X-Ray設備的情況下傾斜待測物的角度，讓觀察者可以透過有限的傾斜角度來觀察BGA錫球的焊接情形，達到檢查BGA空焊的能力，但這都很吃經驗，而且誤判率還很高。

3D CT X-Ray 的基本原理與優點

【3D CT X-Ray】基本上會以45°/60°傾斜角旋轉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分鐘來做事前的準備動作，然後花15～20分鐘掃描，然後再花5～10分鐘來組合一張3D圖，所以要做出一張3D的X-Ray圖片大概得花30分鐘。

也因為3D影像是透過軟體一層層將2D的影像合成3D圖，所以只要使用合適的軟體就可以對待測物體內部結構逐一切割及顯現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出來，進而達到判別缺陷的目的。

所以現在的【3D CT X-Ray】基本上可以比之前的【2D X-Ray】做到更精細的X-Ray掃描並呈現出3D的立體影像結果，因此可以比較簡單的就檢查到BGA的HIP(枕頭效應)、NWO(Non-Wet-Open)這兩個外觀比較明顯的焊接缺點，但如果是微裂紋(micro crack)則取決於我們對crack位置精度的掌握了。

之所以這麼說是因為每一次的【3D X-Ray】掃描大概都得花費30分鐘左右的時間來完成一張立體圖，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），所以整體掃描下來可是很累人，也是時間的，如果是委外實驗室，這個費用可不便宜，掃描一張圖片大概得花NT15,000~NT30,000（不保證）不等。

3D CT X-Ray 的主要應用，可以幫我們做到什麼事

要了解【3D CT X-Ray】可以怎麼用就必須先了解X-Ray成像的特性基本上與被探查材料的下列三個特性有著極大的關係：

化學週期表上的原子序

密度

厚度

這個其實也很好理解，一般來說原子序越大的材料，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，因為X-Ray就是一種能量，阻礙越大就越不容易通過。

所以IC封裝中如果有孔洞、氣泡，因為黑膠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）也可以很明確的與矽晶片（矽的原子序：14）做出區別，但如果是COB打鋁線就很難與矽晶片做出區別了（鋁的原子序：13），因為兩者的原子序太過相近。

【3D CT X-Ray】的主要應用：

IC封裝中的缺陷檢驗如：打金線的完整性檢驗、黑膠的裂痕、銀膠及黑膠的氣泡。

印刷電路板及載板製程中可能產生的缺陷，例如：線路對齊不良或橋接以及開路、電鍍孔製程品質檢驗、多層板各層線路配置分析。

各式電子產品中可能產生的開路，短路或不正常連接的缺陷檢驗。

錫球陣列封裝及覆晶片封裝中錫球的完整性檢驗：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破裂或金屬材質空洞檢驗。

各式主、被動元件檢測分析。

各種材料結構檢驗分析。比如：合金的材質分析、玻璃纖維編織角度分析

【3D CT X-Ray】的其他應用：

逆向工程：

其實【3D CT X-Ray】除了可以拿來檢查一些我們看不到的地方，它其實還可以拿來做逆向工程分析，比如說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 CT X-Ray】將之一層一層解開。

成品檢查：

這個一般用在精密機械加工件，有些尺寸及精度要求比較高的工件，可以使用【3D CT X-Ray】來做全尺寸檢查，合成3D圖形後可以與原來的3D規格檔做比較，從而判斷允收或不良需要重工與否。

【3D CT X-Ray】的注意事項：

大部分的【3D CT X-Ray】都會限制樣品尺寸的大小，不過一般手機板都可以整個放進去，沒問題，但最好還是先確認一下尺寸。

一般【3D CT X-Ray】掃描的時候會設定一個焦距的中心，距離中心越近的地方照出來的X-Ray會越清晰，而距離焦距中心越遠的地方，就會越有模糊的Fu。

一般的掃描大概需要30分種成像一張圖，但某些更精細的要求也可以3～4小時才會出來一張圖，基本上與取圖的頻率有關係，這個要是先溝通好。

一般【3D CT X-Ray】機器的能力可以從kV/W的做初步判斷，數字越大能量越強，也就越有能力穿過更厚、密度更高的材料，當然雜訊排除能力也是重點。

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

下圖為使用【3D CT X-Ray】掃描BGA封裝後指定觀察的側面錫球品質結果。

下圖為使用【3D CT X-Ray】掃描BGA封裝後指定觀察PCB面的錫球品質結果。

下圖為其他案例有錫球破裂(Crack)使用CT掃描後所呈現出來的樣貌。