Основные преимущества систем рентгенографической дефектоскопии серии Quadra™ (DAGE)

Вячеслав Фадеев, руководитель направления «Контрольное оборудование»
fadeev@dipaul.ru

Для проверки и отслеживания качества продукции и производственных процессов в электронной и полупроводниковой промышленности используются системы рентгеновского контроля. Не разрушая изделия, рентгеноскопия позволяет изучить те участки и соединения, которые невозможно исследовать оптически. Например, с помощью рентгена можно определить качество не только пайки компонентов, чьи выводы скрыты под корпусом: BGA, флип-чипы, CSP и другие, но и разварки кристалла в корпусах. Без таких технологий единственным способом отслеживания качества был бы разрушающий или оптический контроль.
В статье описаны основные преимущества систем рентгеноскопии на примере оборудования производства компании DAGE (серия Quadra).

Распознать

Прежде чем перейти к техническим и конструктивным особенностям данных систем, рассмотрим такой параметр, как минимальный размер распознаваемого объекта.

Распознавание объектов является одним из основных параметров оценки возможностей системы с точки зрения способности выявить мельчайшие дефекты, сохраняя целостность проверяемых компонентов. Зачастую под заявляемым уровнем распознавания объектов на самом деле маскируются лишь разрешение системы, размеры изображения и т. д., в то время как распознавание элементов — это то, что вы видите на самом деле, в режиме реального времени. Причем распознавание объектов в большой степени зависит от повторяемости системы или, другими словами, возможности системы генерировать стабильное рентген-излучение на протяжении всего цикла жизни рентгена без ухудшения характеристик.

Повторяемость полученного изображения чрезвычайно важный критерий, который достигается за счет беспрецедентного качества основных составляющих элементов рентген-оборудования, а именно трубок, детекторов и генераторов.

Одни из лучших показателей по параметру распознавания объектов (в микронах) демонстрируют системы производства компании Nordson — от 0,950 мкм (при использовании системы Quadra 3) до 0,100 мкм (Quadra 7). Для сравнения: показатели моделей других производителей едва достигают значения 0,350 мкм или даже 0,400 мкм (минимальный размер по стандарту JIMA). Для того чтобы наглядней представить указанные характеристики, можно сравнить упомянутые размерности с человеческим волосом, диаметр которого составляет около 75 мкм — соответственно, объект размером 0,1 мкм в 750 раз меньше тонкого волоска.

Возникает вопрос, как подтвердить заявленные показатели?

Это можно сделать двумя способами:

Рис. 1. Рентгеновский контроль позволяет проверить качество пайки компонентов, выводы которых скрыты под корпусом: BGA, флип-чипы, CSP и т. д. Рисунок демонстрирует наличие пустот в припое после процесса оплавления

1. Шаблон JIMA — распространенный в рентгеноскопии стандартный инструмент для определения разрешения системы и сравнения разных параметров между собой (рис. 2).

Рис. 2. Шаблон JIMA

Шаблон изготавливается травлением вольфрама на кремниевой подложке. Минимальный размер измеряемого элемента на шаблоне равен 0,4 мкм. Изображение минимального элемента образца можно легко увидеть на системе линейки Quadra (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Изображение минимального объекта образца Jima, получаемое на системе Quadra

2. Специальный шаблон (DAGE) — демонстрирует способность распознавания элементов, размеры которых меньше, чем у шаблонов JIMA, а также позволяет определить фактическое разрешение системы.

Рис. 3. Специальный шаблон DAGE — схематичное представление

Шаблон изготавливается методом ионного травленя вольфрама на кремниевой подложке. Минимальный размер элемента на шаблоне равен 0,1 мкм.

Рис. 4. Элемент шаблона DAGE размером 0,1 мкм

Рис. 5. Изображение шаблона DAGE, получаемое на системе Quadra 7 с указанием размерностей элементов

Таким образом, точность системы можно подтвердить на специализированных образцах JIMA или на других образцах, выполненных специально для подобных целей. Ниже представлена таблица с точностными характеристиками систем линейки Quadra, позволяющая оценить их возможности (размеры распознаваемых элементов) и тем самым определиться с выбором системы.

Таблица. Возможности систем Nordson DAGE в распознавании объектов

Приблизить

Для того чтобы распознать объект размером 0,1 мкм, система должна обладать большим увеличением, которое в системах Quadra 7 равно 68 000 крат. На данный момент этот параметр остается недосягаемым для большей части аналогичного оборудования других производителей.

Разберем более подробно, из каких значений формируется максимальное общее увеличение установок.

Первое и самое важное значение — геометрическое увеличение.

Геометрическое увеличение (ГУ) системы — это соотношение расстояния от фокусной точки рентгеновской трубки до усилителя изображения и расстояния от фокусной точки рентгеновской трубки до исследуемого образца. ГУ напрямую зависит от физических величин, то есть от конструктива кабины (расположение детектора/усилителя изображения, поддона для образца и трубки).

Рис. 6. Геометрическое увеличение

Рис. 7. Геометрическое увеличение в системе Quadra

В системах Quadra 5 и Quadra 7 расстояние от фокусной точки рентгеновской трубки до усилителя изображения равно 443 мм, при этом минимальное расстояние от фокусной точки рентгеновской трубки до исследуемого образца составляет 0,17 мм, следовательно, максимальное геометрическое увеличение равно:

Второй не менее важный параметр оборудования для рентген-контроля — системное увеличение (СУ) — соотношение максимального размера изображения на экране и размера усилителя изображения, применяемого в системе.

Рис. 8.1. Максимальный размер изображения на экране в системе Quadra

Рис. 8.2. Максимальный размер усилителя изображения в системе Quadra

При этом важно, чтобы аппаратные средства (детектор и трубка) были достаточно технологичными. В таком случае программное обеспечение будет работать с качественным изображением, которое при увеличении не потеряет своей информативности. Иначе при максимальном увеличении пользователь увидит лишь несколько пикселей больших размеров на всем экране — например, при большом размере пикселя (100–125 мкм) и малом размере детектора.

Таким образом, имея небольшой детектор и достаточно крупный монитор, можно получить значительное СУ согласно приведенной ниже формуле. К сожалению, это не обеспечивает сохранения качества и глубины изображения на максимальном увеличении (вероятнее, наоборот — изображение будет непригодным к анализу).

В системах Quadra7 максимальный размер изображения на экране равен 500 мм, размер усилителя изображения составляет 184 мм (рис. 8), следовательно :

Из формулы следует, что СУ в системе Quadra 7 равно 68 000 крат. Еще раз заострим внимание на том, что данный параметр в других системах может быть гораздо больше, например, за счет значительного цифрового увеличения (через программные средства), однако во многих случаях это бесполезно из-за отсутствия качественного детектора. Таким образом, благодаря цифровому увеличению в некоторых системах общий показатель может достигнуть 250 000 и более крат, но анализ отображаемой информации в подобном случае невозможен из-за отсутствия детектора с соответствующим разрешением. Именно по этой причине для увеличения в 68 000 крат компания DAGE разработала детектор с матрицей 6,7 Мп, что сегодня является максимальным значением для детекторов в индустрии рентгеноскопии.

Изложенная информация подтверждает высокую технологичность систем рентгеноскопии производства DAGE, созданных и адаптированных для максимально детализированного анализа и инспекции различных объектов.

Но возникает закономерный вопрос: как удалось достичь таких впечатляющих результатов? Получить ответ позволит изучение технических и конструктивных особенностей систем Quadra.

Секрет трубки

Начнем с рентгеновской трубки, поскольку данный компонент не просто очередная инновация, а вершина инженерной мысли разработчиков DAGE, воплощенная в реальность.

Традиционно в рентген-установках используются трубки двух типов: открытого и закрытого. Трубки, в которых вакуум создается на заводе-изготовителе и которые там же герметизируются, относятся к закрытому типу (рис. 9).

Рис. 9. Схематичное изображение принципа работы рентгеновской трубки закрытого типа с отражательной мишенью

Описанные трубки имеют такие преимущества. как отсутствие обслуживания и повторяемость получаемого изображения на экране, которая достигается благодаря равномерному потоку электронов, бомбардирующих отражающий катод. Это возможно осуществить за счет большей плотности катода по сравнению с трубками других типов, оснащенными мишенью с тонким слоем вольфрамового напыления.

Но у данного оборудования есть и недостаток — большой размер фокального пятна, что сказывается на точности системы и становится причиной малого геометрического увеличения из-за большого расстояния от фокального пятна до исследуемого образца. Та же конструктивная особенность влияет на интенсивность излучения: поскольку с физически крупного катода тяжелее выбить электроны (превратив их в рентген-излучение), необходимо использовать бóльшую мощность излучения выходного потока электронов с трубки, а это не всегда возможно и целесообразно с точки зрения износа данного узла.

Трубки открытого типа (обслуживаемые трубки) позволяют добиться большего увеличения и разрешения в сравнении с закрытыми трубками с отражающей мишенью. Их можно обслуживать (есть доступ к расходным материалам — мишени и нити). В трубках открытого типа вакуум создается масляным вакуумным насосом, который поставляется вместе с системой рентгеновского контроля и так же, как и вакуумная трубка, нуждается в постоянном техническом обслуживании.

Рис. 10. Схематичное изображение принципа работы рентгеновской трубки открытого типа с прострельной мишенью

Если сравнить конструкции обоих типов трубок, то предпочтение следует отдать трубке открытого типа, так как она обладает двумя основными преимуществами:

Рис. 11. Геометрическое увеличение в трубках открытого и закрытого типа

Учитывая технологии трубок закрытого и открытого типа, специалисты компании Nordson DAGE разработали рентгеновскую трубку QuadraNT (NanoTech), не требующую обслуживания и объединяющую достоинства обеих технологий. В данную разработку было инвестировано более 30 млн евро и несколько лет исследований.

Рис. 12. Рентгеновская трубка QuadraNT

Конструктивно QuadraNT схожа с рентгеновской трубкой открытого типа, но одним из принципиальных отличий является применение в качестве катода не вольфрамовой нити, а бериллиевого кристалла.

Рис. 13. Бериллиевый кристалл

Традиционно для создания электронов, необходимых для рентгеновского излучения, используется вольфрамовая нить. При подаче высокого напряжения нить нагревается и физически искажается из-за сильного нагрева, вследствие чего качество потока электронов ухудшается, происходит рассеивание пучка испускаемых электронов. То есть с течением времени плотность потока значительно ухудшается из-за искажения формы поверхности нити, что является естественным процессом для данной технологии. Таким образом в трубке открытого типа необходимо центрировать расходящийся пучок как можно уже, чтобы получить такое же фокальное пятно, как при новом катоде. В итоге все эти технологические составляющие серьезно влияют на качество и повторяемость получаемого изображения при одних и тех же параметрах трубки в разное время использования катода. На рис 14 показана зависимость потраченной энергии за сутки для получения равномерного выходного потока электронов. Из графика видно, что системе приходится достаточно часто регулировать ток на трубке, что приводит к более быстрому износу данного узла и, как следствие, сказывается на качестве ее дальнейшей работы.

Рис. 14. Стабильность трубки открытого типа при 24 ч эксплуатации

В то же время бериллиевый кристалл лишен такого недостатка, как деформация при эксплуатации, благодаря чему обеспечивается максимально стабильный поток электронов, а значит, изображение становится ярче и четче.

Рис. 15. Стабильность QuadraNT при 24 ч эксплуатации

Еще одно значительное преимущество применения в качестве катода бериллиевого кристалла — срок его службы. Вольфрамовая нить, применяемая в трубках открытого типа, приходит в негодность менее чем за 100 ч работы, после чего требуется замена, которую следует проводить в чистых помещениях для предотвращения загрязнения внутренностей трубки. К тому же из-за сложности данной процедуры она должна выполняться квалифицированным персоналом: при замене катода, имеющего очень малые размеры, необходимо совместить ось катода и ось бериллиевого окна. Ошибка в ходе операции недопустима, иначе неверно установленный катод (даже с небольшим смещением) выйдет из строя в несколько раз быстрее. А это означает новую замену, очередную разборку трубки и, как следствие, ускорение износа всей конструкции.

Срок эксплуатации бериллиевого кристалла составляет более 10 000 ч, что в 100 раз превышает показатели вольфрамовой нити. Это позволило компании DAGE сделать свою рентгеновскую трубку необслуживаемой (неразборной), что исключает время простоя и увеличивает рентабельность систем Quadra. При этом, благодаря применению безмасляных вакуумных необслуживаемых насосов в системах рентгеноскопии компании DAGE, не требуется создавать вакуум «с нуля».

Совокупность преимуществ рентгеновской трубки QuadraNT позволяет говорить о ней как об одной из лучших не только по качеству получаемого изображения, но и по удобству и экономичности эксплуатации.

Детектор — под себя

Создав рентгеновскую трубку QuadraNT, инженеры DAGE не остановились на достигнутом и разработали один из лучших детекторов на данный момент — плоскопанельный AspireFP.

Рис. 16. Плоскопанельный детектор AspireFP

Следует обратить внимание, что большинство изготовителей промышленных систем рентгеноскопии не выпускают собственные детекторы, применяя уже имеющиеся устройства сторонних производителей, которые как правило разработаны для медицинских систем рентгеноскопии. Для данных детектороыв характерны невысокие показатели работы и непродолжительный срок службы (начинают выгорать пиксели на матрице).

Детектор AspireFP создан для промышленных систем Quadra, и срок его эксплуатации соответствует времени использования всей системы (не менее 10 лет). Помимо высокой надежности детектор обладает превосходным разрешением — 6,7 Мп. Специалисты отрасли знают, что сегодня это самое высокое разрешение среди любых аналогичных детекторов. Подобные характеристики позволяют регистрировать мельчайшие детали инспектируемых объектов — качество получаемого изображения сложно переоценить (рис. 17).

Рис. 17. Изображения, получаемое на системе Quadra (DAGE)

Искусство перемещения

Необходимо упомянуть о расположении и взаимодействии рентгеновской трубки, детекторе и рабочем столе в системе Quadra, так как и здесь компания DAGE разработала и запатентовала уникальную систему перемещения детектора.

Для выполнения инспекции образца, размешенного под углом, производители систем рентгеноскопии применяют разные методы манипулирования.

Рис. 18. Классический метод получения изображения под углом

Некоторые компании делают детектор статичным и размещают его под рабочим столом, при этом рентгеновская трубка подвижна и перемещается по осям X и Y, а рабочий стол кроме перемещения по осям X, Y и Z может вращаться и вокруг оси Z. При работе с такой компоновкой оператору крайне сложно удержать в поле зрения инспектируемый участок образца, поскольку при вращении рабочего стола вокруг оси Z вращается весь образец.

DAGE создала максимально простую и эффективную систему инспекции под углом. В данном случае рентгеновская трубка неподвижна и установлена под рабочим столом, который перемещается по осям X, Y и Z. Детектор движется по полукруглой направляющей по оси X, сама направляющая может наклоняться в любом направлении по оси Y.

Рис. 19. Система инспекции под углом от компании DAGE

Рис. 20. Вид конструкции в системе Quadra

Такая конструкция позволяет перемещать детектор вокруг инспектируемой области на 360, в свою очередь инспектируемая область находится в поле зрения оператора, независимо от расположения детектора в пространстве.

Рис. 21. Система Quadra 7

Единая система уникальных технологий

Исследования рынка специалистами компании «Диполь» позволяют нам сделать вывод, что сегодня производитель Nordson DAGE остается единственным изготовителем систем неразрушающего рентгенографического контроля, предлагая собственные технологии «закрытого цикла» (трубка/детектор/генератор), объединенные в единую систему в машинах Quadra.

Простота использования — важнейшее качество, позволяющее эксплуатировать оборудование Quadra™ без интенсивного обучения персонала. С помощью удобного интерфейса оператор способен без особой сложности захватывать наиболее подробные изображения.

С начала выпуска в 2016 году революционная серия Quadra™ оказывает значительное влияние на рынок аналогичных машин, устанавливая эталон качества трубок нового поколения, а также детекторов и генераторов, изготовленных компанией Nordson DAGE по собственной запатентованной технологии.

Набор перечисленных решений предлагает заказчику низкозатратную систему, не нуждающуюся в постоянном техническом обслуживании и обладающую лучшим в отрасли качеством получаемого изображения.