なぜPCB実装においてX線検査技術はそれほど重要なのか？

通常、X線検査技術と呼ばれる自動X線検査（AXI）は、X線を光源として対象物や製品の隠れた特徴を検査するために用いられる技術です。現在、X線検査は医療、産業制御、航空宇宙など多くの分野で広く利用されています。PCB検査に関しては、X線はPCBの品質を検査するためにPCB実装工程で大量に使用されており、品質重視のPCBメーカーにとって最も重要な工程の一つとなっています。

盲目的に愛されるものは何もありません。そこで本稿では、X線検査技術がいかに重要であるかをお伝えします。PCB組立。

技術開発がX線の進歩を後押しする

近年では、BGA や QFN を含むエリアアレイパッケージ、フリップチップおよび CSP が産業制御、通信、軍需産業、航空宇宙などあらゆる分野で広く使用されており、はんだ接合部がパッケージの下に隠れるようになっている。この事実により、従来の検査装置は PCB 検査においてその役割を完全には果たせなくなっている。さらに、～の出現以来表面実装技術（SMT）これによりパッケージとリードの両方が小型化し、PCB ははんだ接合部が隠され、ビアも埋設またはブラインドで高密度化しているため、光学式、超音波式、熱画像などの従来の検査方法では不十分となっています。さらに、半導体部品パッケージの小型化が進む中で、X線検査システムを検討する際には、現在および将来における部品小型化の傾向を無視することはできません。他の検査方法と比べて、X線は内側のパッケージにまで透過し、はんだ接合部の品質を検査することができます。そのため、X線方式が採用されています。

X線検査の原理

X線には、物質がその原子量に比例してX線を吸収するという独自の利点があり、すべての物質は密度、原子番号、および厚さに応じてX線放射を異なる程度で吸収します。一般的に言えば、重い元素で構成された材料はより多くのX線を吸収し、画像化しやすい一方、軽い元素で構成された材料はX線に対してより透過性があります。したがって、通常のX線検査画像は図1のように示されます。

この図から、濃い黒色の画像は重元素で構成された材料を示し、透明または比較的白い画像は軽元素で構成された材料を示しています。したがって、X線検査は、オープン、ショート、位置ずれ、電子部品の欠落などを含む隠れた欠陥の検査に優れています。

すべてのX線検査装置は、次の3つの要素で構成されています。
a. X線管。X線を発生させることができる。
b. サンプル用の操作プラットフォーム。サンプルを載せたまま移動させることができ、サンプルをさまざまな角度から観察したり、倍率を調整したりすることが可能である。また、斜め方向からの観察も行うことができる。
c. 検出器。サンプルを透過したX線を検出し、ユーザーが理解できる画像に変換することができます。

すべてのX線検査装置の検査原理は、X線投影顕微鏡です。プロセスは、X線発生管によって生成されたX線が、検査対象のPCBを通過することから始まります。異なる材料は、その材質や原子番号の違いに基づいてX線吸収率が異なるため、検出器上に投影像が生成されます。密度が高いほど影は濃くなります。影はX線管に近いほど大きくなり、その逆も同様です。

したがって、理想的なX線検査システムは、欠陥解析の過程で必要な情報を提供できるよう、鮮明なX線画像を備えていなければなりません。この目的を達成するために、X線検査システムは、現在および将来のニーズを満たすのに十分な倍率を有している必要があります。さらに、BGAおよびCSPの解析においては、斜め方向からの検査機能が必須です。なぜなら、この機能がなければ、はんだボールは真上からしか検査できず、はんだボールのサイズや厚みなど、解析に必要なより詳細な情報が失われてしまうからです。

X線検査装置の分類

BGA および CSP 用の X 線検査システムは、主に 2D（二次元）システムと 3D（三次元）システムの 2 つのカテゴリーに分類される。すべての装置はオフラインでの操作が可能で、パネル検査およびサンプリング検査に対応している。オフライン装置は、実装ラインのあらゆる段階で PCB を検査できるため便利であり、再び実装ラインへ戻すことも容易である。一部の X 線装置はオンラインで使用されるため、これらの装置のほとんどはリフロー炉の後段に配置される。オンライン装置を使用するかオフライン装置を使用するかは、用途および検査量に依存する。一般的に言えば、オンライン装置は、追加コストおよび安全性要素を踏まえると、多量生産で複雑かつ品種変更の少ない用途に適している。しかし、オンライン X 線検査システムは、基本的に実装ラインの中で最も処理速度が遅い部分となるため、製造ライン全体の能力を低下させてしまう。そのため、高い生産能力が求められる用途であっても、コストを考慮すれば、パネル検査にはオフライン装置を使用することができる。

2D X線システムは、医療分野で骨折状態の検査に用いられる装置と同様に、PCB の両面からすべての部品の2D画像を同時に表示することができます。3D X線システムは、医療用のCTと同様に、一連の2D画像を再構成することで断面画像を生成することができます。断面検査に加えて、3Dシステムにはラミノグラフィという別の方法があります。検査プロセスは、ある断面の画像を合成し、他の断面からの画像を除去することで、特定の断面の画像を再構成することによって行われます。2Dシステムはオンラインでもオフラインでも操作可能です。X線ラミノグラフィも同様です。しかし、オンライン方式は通常、より多くの時間を要します。CT機能を備えたX線検査システムは、多数の2D画像と複雑なアルゴリズムが必要であり、そのために数分を要することから、オフラインで実行されます。したがって、CTタイプのX線検査システムは、重要度の低い専門的な研究解析用途にのみ使用されます。他の2Dおよび3Dシステムは、検査コストを削減するために、最小限の時間で最高の画像を得られるように設計されなければなりません。

X線管はX線検査装置の心臓部です

あらゆる種類のX線検査装置において、X線管は最も重要な部品である。現在、X線管はオープンチューブとクローズドチューブの2つのカテゴリーに分類できる。これら2種類のチューブの特性比較を表1に示す。

X線管の種類を選択する際には、いくつかの要素を考慮に入れなければならない。

a.X線管の種類：開放型管または密閉型管このタイプは、検査装置の解像度と寿命に相関しています。解像度が高いほど、ユーザーはより複雑で繊細なディテールを見ることができます。検査対象が大きなスケールである場合は、比較的低解像度の装置を選択しても問題にはなりません。しかし、BGA や CSP に関しては、2μm 以下の解像度が必要とされます。

b.ターゲットタイプ：透過型または反射型ターゲットの種類は、試料とX線管焦点との距離に影響を与え、その結果として検査装置の倍率に影響を及ぼす役割を果たす。

c.X線電圧と出力X線管の透過能力は電圧に比例します。電圧が高いほど、密度や厚みの大きい対象物を検査することができます。検査対象が片面基板の場合は、低電圧の装置を選択できます。しかし、検査対象が多層基板の場合は、高電圧が必要となります。ある一定の電圧においては、画像の解像度はX線管の出力に比例します。

総じて、X線検査技術はSMT検査方法にもたらされた新たな改革であり、最良の代替手段と見なすことができます。PCBAメーカー製造技術と製品品質をさらに向上させるために。

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