Instrukcja do laboratorium: Systemy Wytwarzania i Montażu
LABORATORIUM
Temat:
Diagnostyka połączeń w montażu elektronicznym
1. WPROWADZENIE
Pojecie montaż elektroniczny (montaż w elektronice) obejmuje bardzo szeroki zakres
czynności i etapów technicznych, które prowadzą do zbudowania funkcjonalnego urządzenia. Pola
kontaktowe struktury układu scalonego łączy się z końcówkami wyprowadzeń obudowy,
obudowany układ montuje się na płytce obwodu drukowanego lub innym nośniku w celu
połączenia go z pozostałym elementami zespołu. Zespoły łączy się ze sobą w funkcjonalne
pojedyncze urządzenie elektroniczne. Tak powstałe bloki można dalej kompletować w duże
urządzenie. Wszystkie te etapy montażu obejmują nie tylko połączenia mechaniczne
i zamknięcie części funkcjonalnych w obudowie, ale wymagają spełnienia podstawowych
wymogów połączeń takich jak rozprowadzenie sygnałów elektrycznych oraz zasilania wewnątrz
obudowy, a także rozwiązanie problemu chłodzenia. Stosowane są różne techniki połączeń, takie
jak zgrzewanie, lutowanie, klejenie i tworzenie złączy (np. rozłącznych). Ta różnorodność
technologiczna oraz zróżnicowanie obszarów, w których techniki montażu są stosowane wymusiła
stworzenie hierarchiczności poziomów montażu.
Zwykle przyjmuje się, że:
" Pierwszy poziom montażu dotyczy
wykonywania połączeń elektrycznych,
mechanicznych i cieplnych wewnątrz
układów scalonych (mikroukładów,
mikrosystemów) oraz obejmuje
problemy związane z zamontowaniem
struktury półprzewodnikowej w
obudowie i nadaniem jej cech
samodzielnego podzespołu odpornego
na działanie środowiska.
" Drugi poziom związany jest z montażem
nieobudowanych i obudowanych
układów scalonych, podzespołów
biernych i mikrosystemów na płytkach
obwodów drukowanych lub innych
Rys. 1: Poziomy montażu aparatury elektronicznej
nośnikach.
" Trzeci poziom dotyczy montażu płytek obwodów drukowanych, gotowych mikrosystemów i
innych podzespołów na poziomie bloku (kompletnego urządzenia elektronicznego).
Połączenia na trzecim poziomie montażu wykonywane są zwykle jako złącza, czyli
połączenia rozłączne. Połączenia zgrzewane, lutowane lub klejone wykonywane są zwykle na
pierwszym i drugim poziomie montażu. Diagnostyka tego typu połączeń wymaga stosowania
odpowiednich metod i specjalizowanych narzędzi.
1
Instrukcja do laboratorium: Systemy Wytwarzania i Montażu
2. METODY KONTROLI JAKOŚĆI POA

CZEC

2.1 Inspekcja optyczna
Pierwszym etapem w ocenie jakości połączeń lutowanych i klejonych jest kontrola
wizualna, którą przeprowadza się najczęściej, używając lupy o pojedynczym, dużym polu widzenia.
W normach zalecane jest stosowanie powiększenia od 2x do 15x. Główna wada kontroli optycznej
polega na tym, że jest ona subiektywna, zależna od osoby oceniającej.
Do oceny połączeń po lutowaniu (lub klejeniu) wielu wykonawców montażu stosuje
automatyczne systemy optyczne (ang. Automatic Optical Inspection AOI) lub automatyczną
kontrolę rentgenowską (AXI). Systemy AOI porównują zarejestrowane obrazy ze wzorcem i w ten
sposób mogą wykryć nieprawidłowości w nałożeniu pasty lutowniczej, kleju lub osadzeniu
elementów (Rys. 2).
Rys. 2: Automatyczne systemy optyczne do oceny prawidłowości druku pasty lutwniczej (lub kleju) i
osadzania elementu SMD
Urządzenia do automatycznej inspekcji optycznej (AOI) mogą pracować jako osobne
stanowiska kontrolne  typ Desktop (Rys. 3) lub w ciągu linii technologicznej wytwarzania
podzespołów elektronicznych  typ In-Line (Rys. 4).
Rys. 3: System AOI typu Desktop;
Rys. 4: System AOI typu In-Line;
model IP Inspection Pro firmy OMRON
model VT WIN II OMRON
2
Instrukcja do laboratorium: Systemy Wytwarzania i Montażu
Systemy inspekcji optycznej pozwalają jedynie na ocenę wizualną powierzchni płytek
obwodów drukowanych. Nawet zaawansowane systemy wielokamerowe, wykorzystywane do
oceny jakości wykonanych połączeń i ułożenia elementów w przestrzeni trójwymiarowej (3D), nie
pozwalają na przeprowadzenie analizy strukturalnej połączeń. W tym celu wykorzystywane są
systemy oparte nie na świetle optycznym, lecz na promieniowaniu rentgenowskim.
2.2 Inspekcja rentgenowska
Wysoko zaawansowane automatyczne urządzenia rentgenowskie mogą dostarczyć danych
dotyczących nie tylko średnicy, wielkości powierzchni czy kształtu połączeń lecz również
informacji o ich strukturze wewnętrznej np. procentowej zawartości pustych przestrzeni, wielkości i
ilości mikropęknięć itp. Pozwala to na prowadzenie automatycznej kontroli i odrzucanie
podzespołów z połączeniami wadliwymi.
Metoda rentgenowska badania struktury wewnętrznej połączeń lutowanych opiera się na
zjawisku promieniowania rentgenowskiego (ang. X-Ray), które jest emitowane przez lampę
rentgenowską umieszczoną nad badanym zespołem elektronicznym. Promieniowanie
rentgenowskie propaguje się po liniach prostych (Rys. 5), tworząc obraz w skali szarości zależnej
od stopnia pochłaniania promieniowania przez badane obiekty. Zwykle systemy tego typu posiadają
detektory obrazu (analogowe lub cyfrowe) umieszczone w stałej odległości od czoła lampy.
Odpowiednie powiększenie uzyskuje się poprzez zmianę położenia próbki wzdłuż osi optycznej
systemu. Im bliżej czoła lampy rentgenowskiej znajduje się badany obiekt, tym większe uzyskuje
się powiększenie.
Rys. 5: Schemat działania metody rentgenowskiej w badaniach połączeń
Przykład okna programu komputerowego do analizy jakości wykonania różnych połączeń w
montażu elektronicznym pokazano na rys. 6. Przykład wadliwego połączenia struktury BGA
pokazano na rys. 7.
3
Instrukcja do laboratorium: Systemy Wytwarzania i Montażu
Rys. 6: Okno programu quality|assurance by phoenix|x-ray do diagnostyki
rentgenowskiej połączeń w montażu elektronicznym
Rys. 7: Wady połączenia struktury BGA ujawnione kontrolą rentgenowską
4
Instrukcja do laboratorium: Systemy Wytwarzania i Montażu
2.3. Zgłady metalograficzne
Bardzo przydatne są dane bazujące na zgładach metalograficznych połączeń bezpośrednio
po lutowaniu (lub klejeniu) i po próbach przyspieszonego starzenia. Zgłady metalograficzne (Rys.
8) pozwalają na dokładną ocenę kształtu i wypełnienia lutem (bądz
klejem) oraz na ocenę wad
wewnętrznych połączenia lutowanego (klejonego) i ewentualnych wad wewnętrznych płytki
obwodu drukowanego spowodowanych, na przykład zbyt wysokimi temperaturami procesu
lutowania lub zbyt dużym skurczem polimeryzacyjnym kleju. Jest to badanie niszczące i może być
prowadzone w celu optymalizacji technologii lutowania lub dla wybranych próbek, do statystycznej
kontroli procesu.
Rys. 8: Zgłady metalograficzne połączeń lutowanych wykonanych w montażu przewlekanym i
powierzchniowym
Podobne rezultaty, jednakże bez niszczenia próbek można uzyskać metodą rentgenowskiej
tomografii komputerowej.
2.4. Rentgenowska tomografia komputerowa
Zmiana kąta padania promieniowana na obiekt i tworzenie serii rejestracji w tzw. tomografii
komputerowej pozwala na otrzymywanie obrazów przestrzennych. Zwykle, zmianę kąta padania
promieni uzyskuje się poprzez rotację badanego obiektu w jednej osi, bez zmiany jego położenia
przez przesunięcie. Zasadę działania rentgenowskiego tomografu komputerowego z detektorem
płaskim pokazano na rys. 9.
Rys. 9: Zasada działania rentgenowskiej tomografii komputerowej
5
Instrukcja do laboratorium: Systemy Wytwarzania i Montażu
Rekonstrukcja trójwymiarowego obiektu odbywa się na podstawie serii otrzymanych
obrazów 2D oraz informacji z systemu obrotu obiektu (CNC). Dane te zostają przetwarzane w
wysoce specjalizowanych programach komputerowych. Otrzymane obiekty można przedstawiać
zarówno w formie trójwymiarowego modelu (Rys. 10), jak również w formie przekrojów wzdłuż
wybranych płaszczyzn  podobnie jak ma to miejsce w przypadku zgładów metalograficznych.
Rys. 10: Przykładowy wynik badań metodą komputerowej tomografii rentgenowskiej 
trójwymiarowa rekonstrukcja obiektu
Rys. 11: Przykładowy wynik badań metodą komputerowej tomografii rentgenowskiej  przekrój
przez połączenia klejone rezystora SMD z płytką obwodu drukowanego.
PRZEBIEG ĆWICZENIA  według wskazań prowadzącego
6