Alles dreht sich ums Prüfobjekt XTek Systems, Tring, UK

Das System Revolution benötigt nach Angaben des Herstellers weniger Stellfläche in der Fertigung und ist kostengünstiger positioniert als vergleichbare Mikrofokus-Röntgen-Inspektionssysteme. Dabei offeriert es höchstmögliche Auflösung und Vergrößerungsmaßstab, die in solch einem kompakten System verfügbar sind und das für die Anwendungsbereiche Qualitätssicherung, Forschung & Entwicklung sowie Fehleranalyse konzipiert ist. Das Instrument kann Substrate mit hohen Winkelgraden bis zu 75 ° untersuchen. Typische Einsatzbereiche sind die uneingeschränkte BGA- und Mikro-BGA-Inspektion zu 100 %, gleicherweise auch Kontrollen von Multilayern und Lötstellen sowohl in Fertigungslinien als auch in Labors, die sich auf Fehleranalysen in vielen Fertigungsbereichen spezialisiert haben.

Eine herausragende Eigenschaft der hiermit durchgeführten Röntgen-Inspektion ist die Möglichkeit, ein Objekt mit unterschiedlichen Betrachtungswinkeln zu untersuchen. Im Revolution-System wird dazu eine echt konzentrische Bilddarstellung (True Concentric Imaging) eingesetzt, die es dem Benutzer erlaubt, einen Bereich zu definieren, den er untersuchen will (ROI, Region of Interest), und der dann in der Mitte des Bildschirms positioniert wird. Um die eingestellte Tiefenschärfe (Fokus) unter allen Bedingungen beizubehalten, werden dann sowohl die Röntgen-Quelle als auch der Strahldetektor bewegt und nicht das Prüfobjekt. Der untersuchte Bereich (ROI) verbleibt deshalb vollständig in der Mitte des Sehfelds (FOV, Field of View) – und dies unabhängig von Neigung, Rotation, Vergrößerungsfaktor sowie der Position des Prüfmusters auf dem Manipulator-Tisch im Instrument. Als weitere Möglichkeit der Inspektion lässt sich der am Prüfmuster interessante Bereich bei jedem Drehwinkel (kontinuierliche Drehfreiheit von 360 °) und aus jedem Neigungswinkel bis zu 75 ° untersuchen. Somit können mit dem Gerät einzelne oder mehrere Lotkügelchen an BGAs inspiziert werden, denn die konzentrische Bilddarstellung funktioniert über den gesamten Flächeninhalt, der vom Manipulator überstrichen wird. Damit ist die Inspektion der einzelnen BGA-Anschlussreihen weitaus weniger arbeitsintensiv als mit den sonst üblichen Manipulatoren für die Prüfobjekte in Röntgen-Systemen. Die im Evolution-System eingesetzte echte parallele Nachführtechnik (Parallel Tracking) hält die X- und Y-Achsen streng parallel zum Prüfobjekt BGA. Mit dieser Technik können die BGA-Anschlussreihen zur Inspektion einfach mit einer zugrunde gelegten X- oder Y-Achse überstrichen werden. Ansonsten müsste man in äußerst aufwändiger Weise simultan drei Achsen gleichzeitig in Übereinstimmung bewegen.

Ist ein Prüfmuster als fehlerfrei erkannt, so müssen oft noch interne Strukturen sehr genau untersucht werden. Die im Revolution-System verfügbare Einrichtung für die Computer-Tomografie (CT) ist ein komplexer Prozess der Bildgebung. Dazu wird ein Prüfobjekt aus diversen unterschiedlichen Richtungen und Winkeln sozusagen scheibenweise mit energiereichen Röntgenstrahlen durchstrahlt. Der Rechner des Systems setzt anschließend diese vielen einzelnen, scheibenweise gewonnenen Bilddaten zu einem 3 D-Gesamtbild zusammen, das detailliert die interne Struktur eines Objekts darstellt. In vielen Industriebereichen ist CT mittlerweile eine häufig eingesetzte Inspektionstechnik, dazu gehören die Elektronik, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Materialforschung sowie eine ganze Vielzahl von weiteren Fertigungsbereichen. Mit der CT-Technik lassen sich komplette interne Strukturen eines Objekts darstellen, speichern und auch später noch genauer untersuchen, um alle internen Abmessungen sowie die genauen Größen, Formen und Orte jedes internen Charakteristikums abzurufen und zu analysieren. Dieses CT-System lässt sich auch zu einer echten 3 D-Analyse von Komponenten erweitern. Diese Upgrade-Einheit wird dazu einfach in den bereits vorhandenen Manipulator-Controller eingesteckt, weitere Verdrahtungsarbeiten oder Änderungen am System sind nicht nötig.

Die Erkennung von Fehlern ist in der Inspektion hauptsächlich abhängig vom Vergrößerungsfaktor, den die Maschine aufweist. Das Transmission-Target, das die Strahlung der Röntgen-Quelle empfängt, weist ein äußerst dünnes Output-Fenster auf. Dies ermöglicht eine sichere Platzierung des Prüfmusters im Fokussier-Brennpunkt innerhalb einer minimalen Toleranz von nur 250 Mikron. Die damit erreichbare 13.000-fache Vergrößerung steht unter allen Winkelgraden des Systems über den gesamten Manipulator-Bereich von 400 x 400 mm zur Verfügung. Somit sind Untersuchungen an allen kritischen Bereichen von Baugruppen und Komponenten bestens möglich, beispielsweise BGAs, MikroBGAs, Multilayerboards oder für die Lötstelleninspektion. Dabei kann eine schnelle Beurteilung der Benetzung von BGA-Anschlusslotkügelchen, der BGA-Lotverbindung selbst sowie von Mikro-Rissen und Delaminierungen vorgenommen werden.

Die von X-Tek patentierte Xi „Open Tube“ Röntgen-Quelle (per Definition eine offene Röhre) ist laut Herstellerangaben viel kleiner gebaut als andere Konstruktionen und erlaubt somit die komplikationslose Röntgen-Darstellung auch von dicken und sehr dichten Prüfobjekten in feinsten Details. Diese Hochenergie-Einheit, die im Vakuum demontierbar ist, ermöglicht die Durchstrahlung von Lötstellen oder Kühlkörpern auch unter großen Winkelgraden, ohne dass dabei Energiedefizite auftreten. Ein weiteres Kennzeichen der Xi-Technik ist die Kombination von Vakuumröhre und Hochspannungsgenerator in einer Einheit. Im Ergebnis führt dies zu höherer Zuverlässigkeit sowie reduzierten Wartungskosten, denn weitere Aufwendungen, die entstehen, wenn separate Hochspannungsgeneratoren, Kabel und Steckverbinder zu kontrollieren sind, werden so vermieden.

Damit bei der Prüfung keine Defekte übersehen werden können, ist es nötig, dass die Inspektionsdarstellungen die höchstmögliche Auflösung aufweisen. Im Revolution-System werden dazu ein exakt kontrollierter Mikrofokus-Röntgenspot und die neueste digitale Bildverarbeitung eingesetzt, einschließlich eines NanoTech-Targets mit dem Details bis herunter zu 500 nm (Nanometer) erkannt werden können. Das leistungsfähige elektromagnetische Linsensystem ist rechnergesteuert und sorgt dafür, dass der eingestellte Bildbereich stets bei allen Hochspannungseinstellungen im optimalen Schärfenbereich verbleibt und das Target auch bei hoher Leistung bzw. hoher Beschleunigungsspannung nicht eingebrannt wird. Diese Funktionsprinzipien stellen scharfe und detaillierte Darstellungen selbst bei Prüfobjekten, die überaus große Herausforderungen stellen, auch im Mikron-Bereich sicher.

Das fotografische System umfasst einen Dual-Field-Bildverstärker mit einer digitalen Kamera. Diese Kombination (lmpix) hat ein großes Sichtfeld, hohe Empfindlichkeit und einen hohen Dynamikbereich (Bildverarbeitung mit 16 Bit) zur Folge. In Kombination mit der OCI-Funktion (On Chip Integration) ermöglicht diese Ausstattung auch den Einsatz von Röntgenstrahl-Photonen mit niedrigem Energieinhalt zur Darstellung von Details bei Objekten mit niedriger Dichte, beispielsweise Aluminium-Bonddrähte, dünne Kupferleiter, Fehlstellen im Epoxydharz von Packages und vieles mehr. Ermöglicht werden diese Anwendungsvorteile zum einen durch den hochempfindlichen Bildverstärker und zweitens indem man die Digitalkamera im Takt (Gating) auslöst und somit durch Anreicherung höhere Signalpegel erreicht.

Die Erzeugung von Bildern mit hoher Auflösung wird unterstützt mit Inspect-X, einem weiter verbesserten Softwarepaket für die Erfassung und Analyse von Röntgenbildern. Hier sind spezifische Funktionen für die Inspektion von Halbleitergehäusen auf Fehlstellen, für Drahtbonds und BGA-Lothöcker bereits implementiert. Inspect-X benötigt Windows XP Pro und läuft auf Rechner-Hardware, die den neuesten Leistungsanforderungen und Spezifikationen entspricht. Die Daten können gespeichert oder direkt auf jedes COM-kompatible Softwarepaket übernommen werden, beispielsweise MS Word, Excel, Access sowie diverse SPC-Systeme (statistische Prozesskontrolle). Eine Palette von Tinten-, Laser- und Thermodruckern steht für den Ausdruck von Bildern in Fotoqualität zur Verfügung. Mit Inspect-X lassen sich System und Software rasch auf die Bedürfnisse eines Anwenders oder einer Applikation anpassen, um spezifische Anforderungen gezielt zu erfüllen. Damit können zudem auch Informationen rasch an andere Stellen in Unternehmen übertragen werden, die diese ebenfalls benötigen. Zum Öffnen und Einsehen der Informationen bzw. Dokumente ist nur ein normaler PC nötig.

Die Konfiguration der benutzerfreundlichen und flexibel einsetzbaren Inspektionssysteme basiert auf jenen allgemein verfügbaren Techniken und Plattformen, die für diesen Zweck besonders gut geeignet sind. Das System Revolution ist ein sehr vielseitiges Inspektionswerkzeug mit dem die Benutzer auf sehr einfache Weise von den manuellen verfügbaren sowie programmierbaren, automatischen Funktionen Gebrauch machen können. Die auf dem Windows-Kontrollschirm dargestellten Informationen sind logisch angeordnet, wobei alle regulär eingesetzten Funktionen rasch mit einem einzigen Tastendruck aufgerufen werden können. Mit Joysticks wird zudem die Feinpositionierung und die Bewegungssteuerung vorgenommen, damit sind direkte und logisch nachvollziehbare Rückmeldungen vom Manipulator mit dem Prüfobjekt sowie über die Darstellung des Röntgenbilds möglich. Benutzer sind damit in der Lage, die Positionen der sie interessierenden Fehler oder Strukturen rasch anzufahren und zu überprüfen.

Inspektionssysteme müssen leicht bedienbar sein, ohne dass ihre Leistungsfähigkeit beeinträchtigt wird. Weiter verbesserte Betrachtungsmöglichkeiten sind ein anderes wichtiges Merkmal des Revolution-Systems, dazu gehören zwei Monitore zur separaten Darstellung von Röntgenbildern einerseits und der Softwaresteuerung andererseits sowie die Funktion Quad View mit der sich vier Bilder gleichzeitig darstellen lassen. Benutzer können damit unterschiedliche Bilder komfortabel vergleichen oder sich zum Vergleich mit einem Ist-Bild auch Referenzbilder anzeigen lassen. Das Röntgen-Inspektionssystem lässt sich intuitiv bedienen und deswegen ist auch nur ein minimales Benutzertraining nötig. Zudem zeichnet sich das System Revolution durch hohe ergonomische Maßstäbe aus. Dazu gehören leicht einstellbare Bedientableaus, mit denen sich alle Einstellelemente in unmittelbarer Reichweite des Benutzers anordnen lassen, unabhängig ob in sitzender oder stehender Position und von der Größe der Person.

Während der Inspektionsprozesse in Fertigungslinien besteht durchaus die große Gefahr der Beschädigung von Prüfobjekten durch statische Elektrizität bzw. deren plötzliche Entladung (ESD, Electrostatic Discharge). Die Behälter oder Schienen, in denen sich die Prüfmuster befinden, bestehen oft aus anodisiertem Aluminium deren isolierende Oberfläche nicht ESD-sicher ist. Das System Revolution hat stattdessen Prüfmuster-Ablagen aus elektrostatisch leitfähigem Kohlefasermaterial mit einer seitlichen Testeinrichtung für Elektrostatik, um ESD-Sicherheit sicherzustellen sowie einen zusätzlich angebrachtem ESD-Clip. Mit dem ESD-Testpult kann jederzeit kontrolliert werden, ob elektrostatische Ladung vorhanden ist und diese lässt sich dann kontrolliert ableiten. Somit besteht keinerlei ESD-Gefahr, wenn man ein Prüfmuster dann auf dem Arbeitsplatz platziert.

Bekanntlich muss sich jede Maschine in der Fertigung, die als gute Investition betrachtet wird, im täglichen Einsatz als kosteneffizient erweisen und außerdem auch hohe Qualitätsstandards erfüllen. Die von X-Tek entwickelte Technik der offenen Röntgenstrahlröhren trägt dazu bei, Gewicht, Abmessungen und Kosten des Revolution-Systems deutlich zu minimieren und gleichzeitig überragende Qualität und Leistungsfähigkeit der Maschine und somit zuverlässige Inspektionsergebnisse sicherzustellen. Die Verwendung des patentierten Xi-Generators, der keine Wartung benötigt und auch keinerlei Kabelverbindungen aufweist, führte dazu, dass die vorbeugende Wartung erheblich reduziert werden konnte und somit die Betriebskosten über die Nutzungszeit, laut Hersteller, deutlich niedriger sind als bei vergleichbaren Röntgen-Inspektionssystemen. Außerdem steht im System Revolution für die Untersuchung und Drehung der Prüfobjekte ein großer Manipulator-Bereich von 400 x 400 mm zum Scanning zur Verfügung. Dabei weist das System insgesamt jedoch nur eine relativ geringen Grundfläche von 2 m2 auf, dies reduziert weiter die mit dem Flächenbedarf für Produktionsmaschinen in der Fertigung verbundenen Kosten.

EPP 435