【3D CT X-Ray】非破坏性立体断层扫描分析PCBA与BGA不良的原理

这两年【3D CT X-Ray】商业应用变得越来越有看头了，随着投入研发的厂商越来越多，机台费用也越来越便宜，但还不到亲民的程度就是了。另外，拥有【3D CT X-Ray】的实验室(Lab)也越来越多，188金宝搏苹果下载 接触过在台湾就至少有两家以上的实验室有【3D CT X-Ray】设备。

什么是【3D CT X-Ray】？

【3D CT X-Ray】顾名思义就是具有可以使X-Ray成像为3D图档能力的设备，其基本原理是透过X-Ray不同的深度聚焦扫描后用电脑计算来合成的3D立体图像。是不是隐约有点什么击中了心头？怎么好像似曾相似的感觉？没错！这就跟我们在医院经常听到的【CT】（台语说「钻隧道(碰空)」）用来做人体全身「电脑断层扫描」的功用是类似的仪器。这项技术一般称为【CT（Computerized Tomography) Scan，电脑断层扫描】。

2D X-Ray的能力有限

相信大家都很清楚，现在一般普遍电子工厂内已经存在的【2D X-Ray】能做的事情其实非常有限，大概就是看看积体电路IC内的金线或铜线的「wire bond」有无断线、断头，或查看印刷电路板的线路(trace)有无明显的开路(open)或短路(short)，以及BGA、QFN或LGA这类焊点藏在零件本体下方的零件有无焊接短路(short)，再来就是检查气泡(bubble)、孔洞(void)的大小有无超标…等现象。

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而那些真正让电子组装工厂制程工程师伤脑筋的HIP/HoP(枕头效应)、NWO(Non-Wet-Open，悬球开路)、BGA crack…等不良现象则难以用原来的【2D X-Ray】探查出来，虽然还是可以透过某些个人经验使用【2D X-Ray】来判断BGA有否空焊，但毕竟其能力真的非常有限。

另外，还有一种称之为2.5D的X-Ray，就是可以在不打开X-Ray设备盖子的情况下倾斜待测物的角度，让观察者可以透过有限的倾斜角度来观察BGA锡球的焊接情况，达到检查BGA空焊的能力，但这都很吃个人经验，而且误判率还很高。

【3D CT X-Ray】的基本原理与优点

【3D CT X-Ray】基本上会以45°/60°倾斜角旋转360°扫描样品一圈来形成3D影像，基本上扫描一张普通3D的X-Ray图片大概需要花10～15分钟来做事前的准备动作，然后再花15～20分钟完成扫描，然后再花5～10分钟来组合一张3D图档，所以要做出一张3D的X-Ray图片大概得花30分钟。

也因为3D影像是透过软体一层层将2D的影像合成3D图，所以只要使用合适的软体就可以对待测物体内部结构逐一切割及显现出不同深度的各层图像，精确使用的话也可以让微小缺陷更清晰地显现出来，进而达到判别缺陷的目的。

所以现在的【3D CT X-Ray】基本上可以比之前的【2D X-Ray】做到更精细的X-Ray扫描并呈现出3D的立体影像结果，因此可以比较简单的就检查到BGA的HIP/HoP(枕头效应)、NWO(Non-Wet-Open)这两个外观比较明显的焊接缺点，但如果是微裂纹(micro crack)则取决于我们对crack位置精度的掌握了。

之所以这么说，是因为每一次的【3D X-Ray】扫描大概都得花费30分钟左右的时间来完成一张立体图，如果想看「微裂纹」还得提高扫描的解析度，也就是得将扫描的区域限制在1～4颗BGA锡球左右的大小（视微裂纹缝隙大小而定），所以整体扫描下来可是很累人的，也很花时间，如果是委外的实验室，这个费用可不便宜，扫描一张图片大概得花NT15,000~NT30,000不等（费用需谘询实验室）。

3D CT X-Ray 的主要应用及限制，3D CT X-Ray 可以帮我们做到什么事？

要了解【3D CT X-Ray】可以怎么用就必须先了解X-Ray成像的特性，基本上与被探查材料的下列三个特性有着极大的关系：

• 化学週期表上的原子序
• 密度
• 厚度

这个其实也很好理解，一般来说原子序越大的材料，表示其原子的组成越大，X-Ray就越难以穿越，所以成像也就越黑，密度及厚度也都是类似的道理，因为X-Ray就是一种能量，阻碍越大就越不容易通过。

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所以IC封装中如果有孔洞、气泡，因为黑胶与孔洞有着明显的密度差异，所以就可以很清楚的用X-Ray分办出孔洞的位置，而IC封装中的金线（金的原子序：79）、铜线（铜的原子序：29）也可以很明确的与硅晶片（硅的原子序：14）做出区别，但如果是COB打铝线就很难与硅晶片做出区别了（铝的原子序：13），因为两者的原子序太过接近。

【3D CT X-Ray】的主要应用：

• IC封装中的缺陷检验。例如：打金线的完整性检验、黑胶的裂痕、银胶及黑胶的气泡。
• 印刷电路板及载板制程中可能产生的缺陷。例如：线路对齐不良或桥接，以及开路、电镀孔制程品质检验、多层板各层线路配置分析。
• 各式电子产品中可能产生的开路、短路或不正常连接的缺陷检验。 
• 锡球阵列封装(BGA)及覆晶片(flip chip)封装中锡球的完整性检验。比如锡球变形、锡裂、锡球空冷銲、锡球短路、HIP/HoP、NWO、锡球气泡。
• 密度较高的塑胶材质破裂或金属材质空洞检验。
• 各式主、被动元件检测分析。
• 各种材料结构检验分析。比如：合金的材质分析、玻璃纤维编织角度分析

【3D CT X-Ray】的其他应用：

• 逆向工程：
  其实【3D CT X-Ray】除了可以拿来检查一些我们看不到的地方，它其实还可以拿来做逆向工程分析，比如说有些使用超音波黏死的机壳或是某些特殊技巧防止拆解的工艺，大部分都可以使用【3D CT X-Ray】将之一层一层解开。
• 成品检查：
  这个一般用在精密机械加工件，有些尺寸及精度要求比较高的工件，可以使用【3D CT X-Ray】来做全尺寸检查，合成3D图形后可以与原来的3D规格档做比较，从而判断允收或不良需要重工与否。

【3D CT X-Ray】的注意事项：

• 大部分的【3D CT X-Ray】都会限制样品尺寸的大小，不过一般手机板大多可以整个放进去，没问题，但最好还是先确认一下尺寸，拼板可能放不进去。
• 一般【3D CT X-Ray】扫描的时候会设定一个焦距的中心，距离中心越近的地方所照出来的X-Ray会越清晰，而距离焦距中心越远的地方，就会越有模煳的Fu。
• 一般的扫描大概需要30分种成像一张图，但需要更精细要求时也可能3～4小时才会出来一张图，基本上与取图的频率有关系，这个要是先沟通好。
• 一般【3D CT X-Ray】设备的能力可以从kV/W单位来做初步判断，数字越大能量越强，也就越有能力穿过更厚、密度更高的材料，当然杂讯排除能力也是重点。
• 一般的【3D CT X-Ray】的影像解析度都可以达到0.5~0.7um(微米)及nm(奈米)级的体素能力，但就如同前面篇幅所述，要达到最佳能力必须限缩在一定的范围内，增加解析度。

下图为使用【3D CT X-Ray】扫描BGA封装后指定观察的侧面锡球品质结果。

下图为使用【3D CT X-Ray】扫描BGA封装后指定观察PCB面的锡球品质的结果。

下图为其他案例有锡球破裂(Crack)使用CT扫描后所呈现出来的样貌。

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延伸阅读：
如何由X-Ray来判断BGA有否空焊
BGA锡球焊接缺点的几种检查方法
AOI可以测哪些电路板组装的缺点？
用2D的X-Ray实例演练检查BGA空焊问题

• LTS低温焊锡可靠度验证

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