Schnell und sicher optisch prüfen David Bernard, Dage, Stamford (USA)

Seit deutlich über zehn Jahren ist der Einsatz der Röntgeninspektion bei der Prozessüberwachung und Fehleranalyse in der Baugruppenherstellung vielgeübter Stand der Technik. Diese Methode beruht im Prinzip darauf, dass Röntgenstrahlen gezielt durch eine Baugruppe gelenkt werden. Abhängig davon, welche Dichte oder andere Eigenschaften die verschiedenen Materialien aufweisen, wird die Strahlung dabei zu einem mehr oder weniger großen Teil im Board absorbiert. Durch die Absorption der Röntgenstrahlung in den Materialien entstehen Schatten mit unterschiedlichen Kontrasten auf dem Röntgen-Detektor. Solch ein Bild mit seinen verschiedenen Schatten repräsentiert schließlich den durchleuchteten Teil der Baugruppe.

Auf diese Weise erscheinen beispielsweise die im Material dichteren Lotbällchen der BGA-Gehäuse, egal ob mit oder ohne Bleianteil, auf einem Röntgenbild sehr dunkel. Sie absorbieren nämlich einen großen Anteil der Röntgenstrahlung und verhindern damit, dass diese Strahlung den Röntgenstrahl-Detektor erreicht. Bereiche mit Lufteinschlüssen in Lötstellen oder Lotbällchen erscheinen jedoch als helle Stellen gegen den dunklen Hintergrund des Lots, denn durch solche weniger dichten Fehlstellen können mehr Röntgenstrahlen den Detektor erreichen. Diese Methode hat große Ähnlichkeiten mit jener, mit der man Personen röntgt. Doch bei der Applikation in der Inspektion von Elektronikbaugruppen benötigt man eine höhere Vergrößerung, um die ständig kleineren Bauteile und deren Details noch ausreichend zu erkennen. Bei einem gebrochenen Arm oder Fuß hingegen ist eine solche Vergrößerung nicht nötig. Die Vergrößerung des Abbilds erreicht man damit, dass das Objekt näher an die Quelle der Röntgenstrahlung herangebracht wird, und damit eine vergrößerte Schattenabbildung auf dem Detektor erzielt wird. Das zugrunde liegende Prinzip ist in Bild 1 dargestellt.

In der Vergangenheit (und auch heute noch) verwendete man bei Röntgenuntersuchungen als Detektor einen speziellen Film, auf dem das Bild letztlich entsteht. Allerdings sind dazu Entwicklungsgerät, Nasschemie und einige Fachkenntnis nötig, bevor man anhand des fertig entwickelten Bilds überhaupt daran gehen kann, die Ergebnisse zu analysieren. Und weil ja ein negatives Bild erzeugt wird, ist die Auswertung auch nicht eben leichter. Der gesamte Vorgang mit Belichtung und Entwicklung des Films führt zu dem Ergebnis, dass weniger dichtes Material, das geröntgt wird, auf dem Film schwärzer erscheint, weil der Film an diesen Stellen mehr Strahlung ausgesetzt war. Mithin erscheint der Bruch eines Arms oder Beins auf solch einem Röntgenbild als helle Stelle. Es handelt sich hier um das hinlänglich bekannte Prinzip der Fotografie mit Negativfilm. Allerdings ist in der Inspektion von Elektronik und anderen Anwendungsbereichen der Fertigungskontrolle das veraltete System auf der Basis von Filmen durch sogenannte Echtzeitverfahren ersetzt worden. Damit ist die Prozedur insgesamt wesentlich einfacher geworden und die Bilder stehen umgehend zur Verfügung. Man verwendet dazu in der Röntgeninspektion sogenannte Bildverstärker (Intensifier).

Ein Bildverstärker weist eine Phosphorschicht auf, die für Röntgenstrahlen sehr empfindlich ist. Dort, wo die Strahlen auf den Detektor auftreffen, wird die unsichtbare Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umgesetzt. Diese Abbildung auf der Phosphorschicht erfasst man mit einer analogen CCD-Kamera (Charge Coupled Devices). Erst dieses analoge Bild sieht dann der Anwender des Röntgensystems, zeigt es doch das untersuchte Objekt. In diesem Bildverarbeitungsprozess kann es nötig sein, die analogen Bilddaten in die digitale Domäne zu konvertieren, und dabei Bildverbesserungen und andere Anpassungen/Modifikationen vorzunehmen, um dieses Bild dann letztlich dem Anwender zu präsentieren. Diese Optimierung erfolgt computergestützt. Der Impetus für die Entwicklung von Bildverstärkern kam ursprünglich aus der medizinischen Röntgentechnik, um Echtzeitbilder während komplexer radiologischer Untersuchungen zu erhalten. Dabei setzt man bariumhaltige Kontrastmittel ein, um direkt im lebenden Organismus eventuelle Krankheitsbilder zu diagnostizieren. Es liegt auf der Hand, dass unter diesen Umständen keinerlei Bereitschaft oder Möglichkeit besteht, auf die Entwicklung von belichteten Filmen zu warten.

Die Hersteller von Inspektionsequipment für die Elektronikfertigung haben die Vorteile dieser technischen Entwicklungen im medizinischen Sektor aufgegriffen. Dies führte zu einem Röntgenbild-Standard mit 640 x 480 Pixel Umfang (Dateigröße 0,3 MByte) und einer 8-Bit-Graustufenauflösung (256 Stufen). Doch dieser eingeschränkte Bildumfang der analogen CCD-Kamera reduziert auch die Auflösung des Bildverstärkers. Auflösung ist hier definiert als die kürzeste Distanz zwischen zwei kleinen Objekten, die klar als separate Teile erkannt werden. Mit solch einer Kamera und ihrer Auflösung von 640 x 480 Pixel ist der Abstand dieser Bildpunkte in der CCD-Matrix größer als jener zwischen den Phosphorteilchen auf dem Bildverstärker. Das heißt also, dass Objekte, die kleiner als dieser Abstand in der CCD-Matrix sind, nicht erkannt werden können.

Auch heute noch finden sich in den meisten Röntgeninspektionssystemen die Bilddetektoren mit 0,3 Megapixel Umfang. Das hat gravierende Nachteile. So besteht die Notwendigkeit, das analoge Signal des Detektors in die digitale Domäne zu konvertieren, damit es zur weiteren Bearbeitung im Computer zur Verfügung steht und anschließend auf einem Monitor sichtbar gemacht wird. Dabei muss die Grafik zur Darstellung auf einen Standard-Bildschirm nochmals analog zurückgewandelt werden (Bild 2). Bei jeder dieser Konvertierungsprozeduren entsteht Rauschen und es ist auch mit Signalverlusten zu rechnen, die insgesamt die Bildqualität beeinträchtigen können.

Damit sich diese Systemkonfiguration verbessern lässt, sind zusätzliche kostspielige Systemkomponenten nötig, auch diese haben ihren Ursprung im medizinischen Sektor. Man kann Systemkomponenten, die Filme in den herkömmlichen Klinik-applikationen ersetzen, entweder als Ersatz oder in Kombination mit Standard-Bildverstärkern anwenden. Solche neuentwickelten Bilddetektoren sind beispielsweise amorphe Silizium Detektoren (a-Si), amorphe Kohlenstoff/Scintillator-Detektoren (ACS) und Flatpanel-CMOS-Detektoren (FPD). Mit ihnen lassen sich Bildgrößen von 1 x 1 MPixel oder sogar höher erreichen, wobei die Grauskala über 10, 12 und sogar 14 Bit reicht.

Deutlich wird, dass der CMOS-Flatpanel-Detektor in der Baugruppeninspektion eigentlich die größten Vorteile verspricht. Aufgrund seiner Eigenschaften ist diese Technik von einigen Herstellern in deren Systemen implementiert worden. Höhere Bildgröße und Auflösung sowie der erweiterte Graustufenumfang führen zu erheblichen Verbesserungen der Bilder, am deutlichsten im Falle von Objekten mit niedrigem Kontrastumfang. Der FPD kann etwa den achtfachen Graustufenumfang gegenüber den analogen Systemen liefern. Deshalb bringt in einer Applikation, wo man beispielsweise mit der analogen Technik nur zwei Graustufen unterscheiden kann, der FPD acht Graustufen, und ermöglicht damit auch eine höhere Detailtreue. Allerdings wurden bisher Systeme mit FPD selten in der Baugruppeninspektion eingesetzt. Dafür sind im Wesentlichen drei Gründe maßgebend: Höhere Zusatzkosten – sie bewegen sich typisch im Bereich um 15 bis 25% der Systemkosten (für ein 1 x 1 MPixel FPD) und steigen bei noch größeren Bilddetektoren erheblich an; Die Ausbeute in der Herstellung der Detektoren ist grundsätzlich abhängig von den dabei auftretenden Fertigungsfehlern – und damit steigt auch der Preis für die Systemkomponente; eine Echtzeit-Darstellung von Röntgenbildern ist nicht möglich.

Die bei der Herstellung solch großer Detektoren auftretenden Defekte, sorgen zwangsläufig dafür, dass einzelne Pixel oder Blöcke bzw. Pixelzeilen im Detektor-Array nicht korrekt funktionieren. Solche Pixelfehler sind einerseits in der Darstellung absolut unerwünscht und andererseits ist es möglich, dass sie sich genau über einem wichtigen Abschnitt des inspizierten Objekts befinden. Weil per Sekunde nur fünf Bilder erzeugt werden können, im Gegensatz zum Echtzeitmodus mit 25 Bildern/Sekunde, dauert der Inspektionsdurchgang eines Boards länger, benötigt doch die Bilderfassung und -verarbeitung insgesamt mehr Zeit. Aus diesem Grund wird der FPD oft als weitere Option zu einem üblichen Bilddetektor angeboten. Dabei kann der Anwender unkritische Bereiche auf einem Objekt rasch und kostengünstig mit dem analogen Detektor überprüfen, und benötigt den FPD nur für die kritischen Bereiche mit höherer Auflösung und mehr Graustufen.

Dieses Systemkonzept ist für Highspeed-Anwendungen in der Fertigung allerdings nicht die optimale Lösung, denn der Zeitaufwand ist deutlich höher und der Betrieb mit zwei unterschiedlichen Detektoren in einem System führt zu weiteren Komplikationen. Die Inspektionsgeschwindigkeit mit FPD lässt sich mit einer Methode, genannt Binning, noch etwas erhöhen. Dabei wird immer nur ein bestimmter Prozentsatz des Bildes, beispielsweise 25% je Einzelbildaufnahme, erneuert. Während man hierbei zwar die Aufnahmegeschwindigkeit erhöht, muss man jedoch Kompromisse bei der Auflösung eingehen, und erreicht damit in etwa das Niveau der üblichen Analog-Detektoren. Als Folge sind damit jedoch die Vorteile der FPD-Anwendung wieder egalisiert. Es geht also bei weiteren Verbesserungen der Inspektionstechnik darum, die hervorragenden Bildaufnahmeeigenschaften des FPD zu erhalten, dabei aber die Geschwindigkeit ohne Kompromisse an die Qualität zu erhöhen. Letztlich wird auch diese Entwicklung wiederum davon abhängen, welche Anforderungen im dominierenden medizinischen Sektor gestellt werden.

Dage ging seinen Weg bei dem erst kürzlich vorgestellten Röntgeninspektionssystem Xidat (X-Ray Integrated Digital Acquisition Technology). Man setzt hier die neueste Generation von hochwertigen und leistungsfähigen Bildsensoren ein. Mit der Anwendung der modernsten Bildsensortechnik in der Röntgeninspektion realisiert man ein System, das in seinen Abbildungsleistungen mindestens den CMOS-FPDs gleichwertig ist, ja durchaus noch bessere Ergebnisse liefert. Durch die enge Kooperation mit Sensorherstellern und mit der Entwicklung besonders leistungsfähiger Software für die Bilddatenauswertung, konnten alle vorher üblichen Nachteile, die auftreten können, wenn man das Bildsignal direkt im Sensor integriert, beseitigt werden. Auf diese Weise erreicht man eine Darstellung in Echtzeit und muss auch nicht den digitalen Bildsensor mit einem konventionellen, analogen Bilddetektor kombinieren.

Die neue Sensor-Technik liefert Bilder mit 1,3 MPixel Größe, bei 25 Bildwechseln/Sekunde und einer hohen Graustufentiefe von 16 Bit. Natürlich stehen hier den Anwendern auch alle nötigen Signalverarbeitungsfunktionen zur Verfügung. Dieser Bildsensor weist die vierfache Pixelzahl im Gegensatz zu den analogen Ausführungen auf. Deswegen ist die Bildauflösung hier nur noch von der Auflösung der Phosphorschicht bestimmt und nicht mehr von der Kamera selbst. In Relation zur analogen Ausführung erreicht man damit in der Praxis eine um 40% höhere Auflösung.

Mit all den verbesserten Eigenschaften in Auflösung und Graustufenumfang kann natürlich ein größerer Abschnitt der Baugruppe als vorher inspiziert und analysiert werden. Weil man mögliche Fertigungsdefekte auf den Boards bei niedrigerer Vergrößerung sehen kann, werden zusätzliche Bilderfassungen mit höherer Vergrößerung überflüssig. Dies erlaubt insgesamt eine höhere Inspektionsgeschwindigkeit mit größerem Durchsatz, ohne Einbußen an die Inspektionssicherheit. Die hier eingesetzte Technik mit dem digitalen Bilddetektor ist auch aus einem anderen Grund sowohl für die Systemhersteller als auch die Anwender zusätzlich attraktiv. Ähnlich wie in der digitalen Fotografie werden die Eigenschaften und Daten von Detektoren ständig verbessert, aber die Preise für solche Sensoren sinken mindestens im gleichen Tempo. Deshalb kann es sein, dass der CMOS-FPD zur künftig dominierenden Detektortechnologie wird, doch der neue Standard mit überragendem Preis-Leistungs-Verhältnis in der Baugruppeninspektion ist derzeit der digitale Bildverstärker.

EPP 462