摘要：前面写分层文章时，有个问题一直困扰着我：为什么X-RAY只能扫描空洞，不能用来扫描分层。不过，虽然咱不会，但咱也绝对不问，就这么浑浑噩噩的度过了一个月，终于忍不住了，打开了电脑，学习一番。

失效分析赵工半导体工程师 2024年12月23日 09:48 北京

前面写分层文章时，有个问题一直困扰着我：为什么X-RAY只能扫描空洞，不能用来扫描分层。不过，虽然咱不会，但咱也绝对不问，就这么浑浑噩噩的度过了一个月，终于忍不住了，打开了电脑，学习一番。

同样作为电磁扫描，那么X-RAY和SAT的区别在哪里呢，我们先看看其在频谱上的分布：

X-RAY：X射线检测，X射线的频率范围在3×10^16~3×10^19 Hz之间，根据光子能量与频率关系式E=hν，X射线因其高频特性而具备极强的能量，因此容易穿透物体。而当X射线穿透物体时，不同密度的物体对X射线的吸收不同，根据最终到达探测器的能量则可将内部不同结构区分开来。如下图所示：

由于气泡的产生，占据了一部分物质的内部空间，而气泡的密度相比周围物体极低，相当于变相降低了气泡位置处物体纵向的平均密度，因而该位置到达探测器的x射线能量要强于其他位置，探测器根据接收到的能量不同则可将气泡位置呈现出来。

如以下QFN封装，由于金丝密度>铜框架密度>塑封料密度，因此其颜色由深及浅依次为金丝>铜框架>塑封料。因铜框架在外引脚处的厚度大于内引脚，所以外引脚颜色深度>内引脚。

SAT：超声波扫描。声波的波长范围大约在20Hz~20kHz之间，大于20kHz的电磁波称之为超声波，我们常见的SAT声学显微镜工作频率范围通常在1MHz~500MHz之间。SAT扫描是利用超声波在遇到不同密度的界面时会产生反射回波的特性来检测内部缺陷。

由于分层处内部为空气，Compound与分层界面的密度差要高于Compound与DIE界面的密度差，因此设备所接收到的回波能量不同，从而可以获得区分。

以上是以反射方式进行SAT检测，还有一种形式为透射形式，类似于X-RAY原理，扫描头在上方，接收头在下方，利用最终到达接收头的能量来区分界面异常，而当超声频率大于10MHz的时候，空气对空气对能量的吸收极强，因此通常其扫描频率大于10MHz。

那么，X-RAY为什么检测不到分层呢？

因为分层属于两个界面物质分开，虽同空洞类似，形成了一个内部气泡，但空洞是在银浆或者塑封料固化过程中形成的，纵向区域内总体银浆或塑封料材质要比周围少，减少了对x射线能量的吸收，因此接收到的能量可以与周围无空洞区域区分开来。而分层虽同样形成气泡，但并未改变其纵向区域内材料总数，对x射线能量的吸收无变化，因此x-ray无法区分分层。

如何辨别X-Ray和C-Sam

一、X-Ray

X-Ray利用X射线对不同密度材料的不同穿透能力，通过样品各部位衰减后的射线强度检测样品内部缺陷。材料的内部结构和缺陷对应于灰黑度不同的X射线影像图，能实现对被测物体进行多角度旋转，形成不同角度的图像。其主要用来观察元器件的焊接质量，比如桥连、飞溅、上锡不均、空洞等现象。

桥连、飞溅、上锡不均

二、C-Sam

超声波在介质中传播时，若遇到不同密度或弹性系数的物质，会产生反射回波，而此种反射回波强度会因材料密度不同而有所差异，C-Sam利用此特性来检出材料内部的缺陷并依所接收的信号变化将之成图像。颜色是根据其使用设备的设置的color map来判断，也可以自行设置，所以不能单纯根据颜色进行判定。但对常规芯片，一般红色代表分层，如果发现疑似分层也要结合波形对比良品进行综合判定。其主要用于分析塑封IC的分层、裂纹、空洞；陶瓷电容的空洞、材料密度；功率器件的焊接质量；倒装芯片填充料质量，PCB爆板缺陷识别等。声扫检测到的这些缺陷X-Ray是无法识别的。

裂纹、IC的分层、空洞

分层

三、X-Ray和C-Sam的区别

C-Sam与X-Ray是相互补充的无损检测的方法手段，它们主要的区别在于展现样品的特性不同。

X-Ray对于分层的空气不是非常的敏感，裂纹和虚焊是不能被观察到的，除非材料有足够的物理上的分离，可以看到空洞、裂缝、分层，但不能判断出缺陷在哪个层面。超声波能穿透密集的和疏松的固体材料，但它对于内部存在的空气层非常的敏感，空气层能阻断超声波的传输。确定焊接层、粘接层、填充层、涂镀层、结合层的完整是C-Sam独特的性能。

如图一、图二分别为同一样品（粘在FPC上的芯片）在X-Ray和C-Sam下的成像。在X-Ray下，可以非常清晰地看到芯片边缘的Pad，但无法观察到芯片中间粘接处的缺陷，C-Sam则弥补了这个缺陷，可以非常清楚地看到芯片中间粘接处的分层缺陷。

结论：

X-Ray主要针对PCB、PCBA、BGA、SMT等进行焊点检查，是否存在裂缝、开路、短路、空洞、分层等缺陷。X-Ray对样品外观尺寸没有要求，圆形、不规则形状都可以，只要能穿透即可进行检测，主要检测样品内部金属材料（金属铝除外）组成部分的缺陷。

C-Sam主要是针对半导体器件、芯片、材料内部的失效分析，可以检查：

（1）材料内部的晶格结构，杂质颗粒，夹杂物，沉淀物

（2）内部裂纹

（3）分层缺陷

（4）空洞，气泡，空隙等。可根据实际需求，结合使用这两种方法进行缺陷检查。C-Sam要求样品表面要平整，表面很粗糙、球面或者内部有很多气泡的样品无法检测，如C-Sam不能检测BGA内部空洞异常。

X-Ray与C-Sam作为常用的无损检测的方法手段，可以相互补充，提高缺陷的检出率。

电子封装中的X-ray检测技术

鲜飞

(烽火通信科技股份有限公司)

《电子与封装》

摘要:

本文扼要的介绍X-Ray检测技术的原理及未来发展趋势。随着电子技术的飞速发展,封装的小型化和组装的高密度化以及各种新型器件的不断涌现,对装联质量的要求也越来越高。于是对检查的方法和技术提出了更高的要求。为满足这一要求,新的检测技术不断出现,自动X-Ray检测技术(Automatic X-Ray Inspection)是这其中的典型代表。它不仅可对不可见焊点进行检测(如球栅阵列器件BGA等),还可对检测结果进行定性、定量分析,以便及早发现故障。本文就将简要介绍一下X-Ray检测技术,以供同行参考。

1 几种测试技术

目前,主要针对电子组装过程采用的测试方式有以下几种:

(l)人工目检。

(2)飞针测试。

(3)ICT(In-circuit tester)针床测试。

(4)自动光学检查AOI (Automatic Opitical Inspection)

(5)功能测试(Functional Tester)

以上几种检测方式都有各自的优点和不足之处:

▲人工目检是一种用肉眼检察的方法。其检测范围有限,只能检察器件漏装、方向极性、型号正误、桥连以及部分虚焊。由于人工目检易受人的主客观因素的影响,具有很高的不稳定性。在处理0603、0402和细间距芯片时人工目检更加困难,特别是当BGA器件大量采用时,对其焊接质量的检查,人工目检几乎无能为力。

▲飞针测试是一种机器检查方式。它是以两根探针对器件加电的方法来实现检测的,能够检测器件失效、元件性能不良等缺陷。这种测试方式对插装PCB和采用。0805以上尺寸器件贴装的密度不高的PCB比较适用。但是器件的小型化和产品的高密度化使这种检测方式的不足表现明显。对于0402级的器件由于焊点的面积较小探针已无法准确连接。特别是高密度的消费类电子产品如手机等,MD探针会无法接触到焊点。此外其对采用并联电容、电阻等电连接方式的PCB也不能准确测量。所以随着产品的高密度化和器件的小型化,飞针测试在实际检测工作中的使用量也越来越少。

▲ICT针床测试是一种广泛使用的测试技术。其优点是测试速度快,适合于单一品种大批量的产品。但是随着产品品种的丰富和组装密度的提高以及新产品开发周期的缩短,其局限胜也愈发明显。其缺点主要表现为以下几方面①需要专门设计测试点和测试模具,制造周期长,价格贵,编程时间长②器件小型化带来的测试困难和测试不准确;③PCB进行设计更改后,原测试模具将无法使用。

▲自动光学检测(A01)是近几年兴起的一种检测方法。它是通过CCD照相的方式获得器件或PCB的图象,然后经过计算机的处理和分析比较来判断缺陷和故障。其优点是检测速度快,编程时间较短,可以放到生产线中的不同位置,便于及时发现故障和缺陷,使生产、检测合二为一。可缩短发现故障和缺陷时间,及时找出故障和缺陷的成因。因此它是目前采用得比较多的一种检测手段。但AOI系统也存在不足,如不能检测电路错误,同时对不可见焊点的检测也无能为力。

▲功能测试。ICT能够有效地查找在SMT组装过程中发生的各种缺陷和故障,但是它不能够评估整个线路板所组成的系统在时钟速度时的性能。而功能测试就可以测试整个系统是否能够实现设计目标,它将线路板上的被测单元作为一个功能体,对其提供输人信号,按照功能体的设计要求检测输出信号。这种测试是为了确保线路板能否按照设计要求正常工作。所以功能测试最简单的方法,是将组装好的某电子设备上的专用线路板连接到该设备的适当电路上,然后加电压,如果设备正常工作,就表明线路板合格。这种方法简单、投资少,但不能自动诊断故障。

2 自动x射线检查AXI(Automatic X-Ray Inspection)

根据对各种检测技术和设备的了解,AXI工自动检测技术与上述几种检测技术相比具有更多的优点。它可使我们的检测系统得到较高的提升。为我们提高“一次通过率”和争取“零缺陷”的目标,提供一种有效检测手段。

2.1 AXI检测原理

AXI是近几年才兴起的一种新型测试技术。当组装好的线路板(PCBA)沿导轨进人机器内部后,位于线路板上方有一X-Ray发射管,其发射的x射线穿过线路板.后被置于下方的探测器(一般为摄像机)接受,由于焊点中含有可以大量吸收x射线的铅,因此与穿过玻璃纤维、铜、硅等其它材料的x射线相比,照射在焊点上的x射线被大量吸收,而呈黑点产生良好图像(如图2所示),使得对焊点的分析变得相当直观,故简单的图像分析算法便可自动且可靠地检验焊点缺陷。

2.2 AXI检测的特点。

对工艺缺陷的覆盖率高达97%。可检查的缺陷包括:虚焊、桥连、立碑、焊料不足、气孔、器件漏装等等。尤其是X-Ray对BGA、CSP等焊点隐藏器件也可检查。

较高的测试覆盖度。可以对肉眼和在线测试检查不到的地方进行检查。比如PcBA被判断故障,怀疑是PCB内层走线断裂,X-Ray可以很快的进行查。

测试的准备时间大大缩短。

能观察到其他测试手段无法可靠探测到的缺陷,比如:虚焊、空气孔和成型不良等。

对双面板和多层板只需一次检查（带分层功能）。

提供相关测量信息,用来对生产工艺过程进行评估。如焊膏厚度、焊点下的焊锡量等。

2.3 AXI检测设备

近几年AXI工检测设备有了较快的发展,已从过去的2D检测发展到3D检测,具有SPC统计控制功能,能够与装配设备相连,实现实时监控装配质量。目前的3D检测设备按分层功能区分有两大类:

(1)不带分层功能

这类设备是通过机器手对PCBA进行多角度的旋转,形成不同角度的图像,然后由计算机对图像进行合成处理和分析,来判断缺陷。图3是一张倾斜拍摄的BGA照片,其中正常的焊点为圆柱型,开焊焊点为圆型。图4显示的是BGA焊点的空洞缺陷。

(2)具有分层功能

计算机分层扫描技术(工业CT)技术可以提供传统X射线成像技术无法实现的二维切面或三维立体表现图。并且,避免了影象重叠、混淆真实缺陷的现象。可清楚的展示被测物体内部结构,提高识别物体内部缺陷的能力,更准确的识别物体内缺陷的位置。这类设备有两种成像方式:

x光管发射x光束并精确聚焦到被测物体的某层,被测物体置于一可旋转的平台上,旋转平台高速旋转,使焦面上的图像清晰的呈现在接收器上,再由CCD照相机将图像信号变为数字信号,交给计算机处理和分析。如图5。

这种方式是将x光束精确聚焦到PCB的某一层上,然后图像由一个高速旋转的接收面接收,由于接收面高速旋转使处在焦点上的图像清晰,而不在焦点上的图像则被消除(如图6)。如此得到各个不同层面的图像,再通过计算机的合成、分析就可以实现对多层板和焊点结构的检查(如图7)。

4 结束语

X-Ray检测技术为SMT生产检测手段带来了新的变革,可以说它是目前那些渴望进一步提高生产工艺水平,提高生产质量,并将及时发现装联故障作为解决突破口的生产厂家的最佳选择。随着SMT器件的发展趋势,其他装配故障检测手段由于其局限性而寸步难行,X-Ray自动检测设备将成为SMT生产设备的新焦点并在SMT生产领域中发挥着越来越重要的作用。

来源：半导体封装工程师之家