Статья для журнала Технологии в электронной промышленности, № 3’2012

Визуальный контроль качества пайки с помощью видеомикроскопа

 

 

 

 

    Одно из преимуществ технологии поверхностного монтажа компонентов — это возможность визуального контроля качества пайки. На протяжении многих лет основным инструментом для выполнения этой задачи является стереоскопический микроскоп. Он позволяет не только увидеть каждый контакт с большим увеличением, но и оценить его форму, благодаря объемному отображению. Однако, несмотря на серьезные усовершенствования стеромикроскопов, например создание безокулярных систем, у них есть принципиальные недостатки, ограничивающие их применение. Традиционные микроскопы, как правило, «смотрят» на объект только сверху. И оператор вынужден весь день работать в одной и той же позе, прильнув глазами к окулярам или линзе, что создает чрезмерную нагрузку на глаза и отражается на состоянии его позвоночника. Кроме того, без подключения внешней камеры невозможно цифровое документирование.

 

 

 

 

    Гораздо удобнее осуществлять визуальный контроль с помощью видеомикроскопа, особенно если он построен на базе Full-HD камеры высокого разрешения с четкой картинкой и естественной цветопередачей, например, такой как W10-HD шведской фирмы Optilia (рис. 1). Камера устанавливается на штатив, снабженный шарниром, который обеспечивает все степени свободы. Плата располагается под камерой или немного сбоку от нее на «плавающем» антистатическом столике с электромагнитным тормозом. Изображение передается в форме видеосигнала на Full-HD монитор. При обнаружении дефекта оператор останавливает столик и с помощью пульта управления «наезжает» на объект зум-объективом (рис. 2). Для предотвращения потери объекта из поля зрения камера снабжена лазерной указкой, направленной в зону фокусировки. При необходимости можно изменить угол зрения и таким образом увидеть проблемный компонент с разных ракурсов. Если нужно задокументировать дефекты, лучше подключать камеру не к монитору, а к компьютеру с Full-HD платой видеозахвата.

    Рис.1 Видеомикроскоп Optilia W10-HD

 

    Видеомикроскоп позволяет обнаружить любые характерные дефекты пайки или печатной платы, такие как непропай из-за отсутствия полной смачиваемости контактной площадки или вывода, микротрещины и отслоения в печатных проводниках и компонентах, недостаток или избыток припоя на контактах, перемычки, загрязнения, смещение компонентов, шарики припоя, «холодную» пайку, окисление контакта от перегрева и многое другое (рис. 3). Сохраненная фотография дефекта может быть добавлена в заключение ОТК, или ее можно переслать поставщику проблемного изделия.

    Рис.2 Управление видеомикроскопом W10-HD с помощью пульта

 

   Под контролем видеомикроскопа также удобно выполнять точные операции, например пайку миниатюрных компонентов. В отличие от традиционных стереомикроскопов видеокамера расположена в стороне от рабочей зоны и не мешает монтажнику выполнять точные операции (рис. 4). При этом человек может работать в удобной для него позе, поскольку при необходимости увидеть увеличенное изображение ему достаточно перевести взгляд с объекта на монитор, а не заглядывать в микроскоп, теряя при этом рабочую точку.

    Рис.3 Пример изображения — отсутствие полной смачиваемости контактов компонентов в верхнем ряду (непропай)

 

    Рис.4 Микроскоп с видеокамерой, расположенной в стороне от рабочей зоны

 

     Все вышесказанное относится к стационарному видеомикроскопу, установленному на штативе. Однако существуют еще мобильные видеомикроскопы, такие как Flexia той же фирмы Optilia (рис. 5), имеющие еще более широкое применение. Основное отличие мобильного видеомикроскопа — это возможность работы с руки (рис. 6), что избавляет от необходимости непременно располагать контролируемый электронный модуль на столе оператора. Вместо этого можно работать с платой, установленной в изделии. Антистатическое исполнение камеры позволяет это делать, не повреждая компоненты.

 

    Рис.5 Видеомикроскоп Flexia

  

    Для предотвращения дрожания рук и возможности плавного «наезда» камеры на объект Flexia снабжена телескопическим штоком. Достаточно упереть шток в свободное место на плате, и камера получает все степени свободы, что позволяет осмотреть объект со всех сторон. Видеомикроскоп Flexia имеет широкий выбор сменных объективов. Это может быть зум-объектив с переменным коэффициентом увеличения от 10 до 100, а также 100, 170, 250 или 500-кратные объективы с фиксированным фокусным расстоянием. Все объективы снабжены круговой светодиодной подсветкой из белых долговечных светодиодов (рис. 7). При использовании объективов высокой кратности лучше воспользоваться штативом (рис. 8) или специальным стеклянным рассеивателем, который надевается на объектив.

    Рис.6 Применение видеомикроскопа Flexia без штатива

  

    Рис.8 Работа видеомикроскопа Flexia со штатива

 

    Рис.7 Сменные объективы 

 

    Последний вариант особенно удобен для контроля печатных проводников. Оператор просто опускает видеомикроскоп на плату, а рассеиватель фиксирует фокусное расстояние, обеспечивая четкое изображение, и при этом еще пропускает свет. Особенность цифровых видеомикроскопов заключается в том, что они позволяют не только визуально контролировать объект, сохраняя изображения, но и выполнять бесконтактное измерение объекта с точностью до 1,2 мкм. Для этого перед операцией необходимо проделать несложную процедуру калибровки с помощью калибровочной линейки. Режим измерений поддерживает специальная программ OptiPix, базовая версия которой поставляется со всеми цифровыми камерами Flexia. Программа позволяет измерить расстояния между двумя точками, радиус окружности по трем точками, а при наличии микрометра вертикального перемещения еще и толщину лакового покрытия (рис. 9).

 

    Рис.9 Бесконтактные измерения с помощью видеомикроскопа Flexia

  

    Рис.10 Flexia с объективом бокового зрения

 

    Особое место в функциональных возможностях видеомикроскопов Flexia занимает контроль BGA-компонентов. Для этого на камеру устанавливается оптическая головка бокового зрения (рис. 10), позволяющая заглянуть подзапаянный BGA-корпус. Работу можно выполнять как с руки, так и со штатива. Шарики BGA лучше видны на светлом фоне. Фоновая подсветка обеспечивается специальной головкой или оптоволоконным фонарем (рис. 11). Система Flexia дает возможность контролировать микро-BGA и CSP-компоненты с просветом высотой всего 0,15 мм и со свободной зоной вокруг компонента шириной в 1мм. Антистатический координатный столик позволяет плавно перемещать головку вдоль компонента и таким образом контролировать весь ряд выводов (рис. 12). 

    Рис.11 Flexia с модулем фоновой подсветки BGA

   

    Рис.12 Перемещение платы с BGA с помощью координатного столика для просмотра всего ряда шариков

 

    Оператор может оценить качество пайки по внешнему виду BGA-шариков. При использовании неверного термопрофиля, а также при нарушении технологии флюсования и установки компонента могут возникнуть характерные дефекты, такие как смещение, непропай, перемычка, слияние шариков, загрязнения, «холодная» пайка и перегрев (рис. 13). Кроме того, программа OptiPix позволяет измерить высоту шарика. После правильной пайки она должна уменьшиться на 10–20%.

    Рис.13 Пример изображения BGA — наличие посторонних включений

 

    Часто возникает вопрос, какой метод контроля лучше: визуальный или рентгеновский? Однако такое сравнение не совсем корректно, так как эти методы оценивают разные параметры объекта. Так, например, трехмерная рентгенограмма прекрасно передает форму запаянных шариков, а видеомикроскоп позволяет увидеть их поверхность и отследить «холодную» пайку или перегрев. Рентген не пропустит пустоты, зато на мониторе лучше видны места соединений шариков с контактными площадками платы и следы коррозии. Таким образом, эти методы лучше не противопоставлять, а дополнять один другим.