RÖNTGEN

Einführung

Da Elektronik weiterhin kleiner wird und Komponenten immer kompakter werden, können traditionelle Prüfverfahren nicht mehr jeden Fehler erkennen. Hier kommt die Röntgenprüfung ins Spiel, indem sie einen zerstörungsfreien Einblick in die verborgenen Aspekte einer PCB-Baueinheit (PCBA) bietet.

Im Wesentlichen ermöglicht die Röntgenprüfung, durch die Platine 'hindurchzusehen'. Sie zeigt Leerräume unter Lötverbindungen, falsch ausgerichtete Komponenten, interne Brüche und sogar winzige Lötbrücken auf, die für das bloße Auge oder optische Prüfsysteme unsichtbar sind.

Diese Art der Prüfung ist besonders wichtig für fortgeschrittene Verpackungen wie Ball Grid Arrays (BGAs) und Quad Flat No-lead (QFN)-Komponenten, bei denen die kritischen Verbindungen unter der Verpackung liegen. Wenn diese Verbindungen versagen, steht die Funktionsfähigkeit der gesamten Platine auf dem Spiel. Aus diesem Grund ist die Röntgenprüfung zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der hochgradigen PCB-Fertigung in verschiedenen Branchen geworden.

Was ist Röntgenprüfung im PCB-Fertigungsprozess?

Die Röntgenprüfung ist eine zerstörungsfreie Prüfmethode, die niedrig dosierte Strahlung verwendet, um Bilder der internen Strukturen einer Leiterplatte aufzunehmen. Im Gegensatz zu optischen Werkzeugen, die nur die Oberfläche scannen, ermöglichen Röntgengeräte es Technikern und automatisierten Systemen, unter Komponenten und innerhalb der Schichten der Platine zu blicken.

Kernfunktionen der Röntgenprüfung:

- Erkennen von internen Fehlern (z. B. Risse, Leerräume)
- Überprüfen der richtigen Positionierung verborgener Verbindungen
- Bewerten der Lötzusammenhänge unter Paketen
- Messen der Materialdichte auf potenzielle Probleme

Durch das Durchleiten von Röntgenstrahlen durch die Platine und das Erfassen eines hochkontrastigen Bildes erscheinen dichtere Materialien wie Lot dunkler, während weniger dichte Materialien wie Glasfasern heller wirken. Dieser Kontrast offenbart winzige Mängel, die sonst unbemerkt bleiben würden.

Warum ist die Röntgenprüfung für moderne Elektronik wichtig.

Da sich die Technologie in Richtung Miniaturisierung bewegt, verbergen sich immer mehr kritische Lötzusammenhänge unter Komponentenpaketen. Traditionelle Methoden können diese Bereiche nicht effektiv prüfen.

Wichtige Gründe, warum Röntgen unerlässlich ist:

- Verstärkte Miniaturisierung: Platine sind dicht gepackt, wodurch nur Oberflächenprüfungen nicht ausreichen.
- Versteckte Verbindungen (BGA, QFN): Diese Komponenten zeigen ihre Anschlüsse nicht, daher ist eine visuelle Inspektion unmöglich.
- Hochverfügbarkeitsanforderungen: Luft- und Raumfahrt, Automobilbau und Medizingeräte erfordern fehlerfreie Verbindungen.
- Mehrschichtplatinen: Nur mit Röntgen kann ins Innere von Durchleitungen oder eingebetteten Komponenten geschaut werden.

Ohne Röntgenprüfung laufen Hersteller Gefahr, verborgene Schwächen zu übersehen, die die Leistung und Haltbarkeit des Endprodukts beeinträchtigen könnten.

Häufige durch Röntgen erkannte Defekte

Röntgen ist besonders gut darin, Probleme aufzudecken, die andere Methoden oft verpassen, einschließlich:

- Lötzellen: Luftblasen in den Lotverbindungen, die sich auf thermische und elektrische Leistung auswirken.
- Kalte Lotverbindungen: Schlechte Verbindungen, bei denen das Lot nicht vollständig haftet, was zu schwachen Verbindungen führt.
- Kopf-im-Kissen: Tritt bei der BGA-Verlötnung auf, wenn die Kugel und das Pastenlot nicht vollständig verschmelzen.
- Lötschweins: Unerwünschte Verbindungen, die zu Kurzschlüssen führen können.
- Verschiebung: Feine Verschiebungen von Komponenten wie BGAs oder Chips.
- Offene oder gebrochene Durchkontaktierungen: Interne Brüche, die ansonsten unsichtbar bleiben.

Wie ergänzt Röntgen andere Prüfmethoden

Automatisierte Optische Prüfung (AOI) ist hervorragend für oberflächliche Überprüfungen – wie hochstehende passive Bauelemente oder fehlende Komponenten – kann aber nicht unter Chips sehen. Röntgen schließt diese Lücke:

- AOI: Schnell und effektiv für sichtbare Oberflächenfehler.
- Röntgen: Langsamere, detailliertere Prüfung, essenziell für verdeckte Verbindungen.
- ICT (In-Circuit-Test): Bestätigt elektrische Funktionsfähigkeit.
- Funktionsprüfung: Simuliert echte Nutzungsszenarien.

Gemeinsam schaffen diese Inspektionen ein mehrschichtiges Verteidigungssystem, das die Produktzuverlässigkeit erheblich steigert und Feldausfälle reduziert.

Arten von Röntgentechnologien (2D, 2.5D, 3D)

In der PCB-Assembly bieten verschiedene Röntgenwerkzeuge unterschiedliche Detail- und Prüftiefen:

• 2D-Röntgenabbildung:
– Erzeugt ein flaches, hochkontrastiges Bild.
– Ideal zur Erkennung großer Leerräume, Brücken oder Verschiebungen.
– Kosteneffektiv, aber ohne Tiefenwahrnehmung.

• 2.5D-Schrägsichtbetrieb:
– Erfasst Bilder unter einem Winkel, wodurch Anschlüsse unter BGAs sichtbar werden.
– Detaillierter als Standard-2D, dennoch schneller als volles 3D.

• 3D CT (Computed Tomography):
– Rekonstruiert die Platine in 3D, indem mehrere 2D-Schichten überlagert werden.
– Ideal für Mehrschichtplatinen und fortgeschrittene Fehleranalyse.
– Langsam und teurer, wird hauptsächlich für Prototypen oder kritische Fehlersuchungen verwendet.

Wie die Röntgenprüfung im PCBA funktioniert

Röntgenstrahlen dringen je nach Materialdichte unterschiedlich stark in die PCB ein. Lötmaterial und Kupfer erscheinen dunkler, während Glasfaser oder Kunststoff heller wirken. Dieser Kontrast hilft dabei, Anomalien wie Leerräume oder Risse zu identifizieren.

Unter der Platine befindliche digitale Detektoren erfassen das Bild, welches dann durch spezialisierte Software verarbeitet wird. Betreiber oder automatisierte Algorithmen analysieren das Bild mittels:

- Vergrößerungsansichten
- Querschnittsschichten
- Vergleich mit einem Referenzsample
- Automatische Defektklassifizierung

Dieser vereinfachte Workflow ermöglicht es Ingenieuren, Platine schnell zu bewerten und minimiert die Anzahl fehlerhafter Einheiten im Lieferantennetzwerk.

Häufige durch Röntgen erkannte Defekte

In der Praxis hilft Röntgen dabei aufzudecken:

• Versteckte Lötzusammenhänge (z. B. BGA, QFN, LGA)
– Kalte Lötzusammenhänge, unzureichendes Aufschmelzen, fehlende Kugeln.
• Leerräume und Brücken
– Leerräume, die die mechanische Stabilität verringern oder Wärmeabfuhrprobleme verursachen.
– Brücken, die zu Kurzschlüssen und Produktschäden führen.
• Falsch ausgerichtete & fehlende Komponenten
– Erkennung, ob Bauteile außerhalb des Zielbereichs oder gar nicht platziert werden.
• Interne Spur- und Viaunterbrechungen
– Identifiziert Risse in den Vias oder den inneren Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte vor der finalen Prüfung.

Vorteile der Röntgenprüfung in der PCB-Assembly

Die Röntgenprüfung bietet mehrere überzeugende Vorteile:

1. Nicht zerstörerische Untersuchung
– Platine bleiben nach der Prüfung voll funktionsfähig, was es ermöglicht, bei Bedarf 100%-Prüfungen durchzuführen.
2. Gründliche interne Sichtbarkeit
– Macht dichte Mehrschicht-Platinen und versteckte Komponentenpakete für Qualitätsbewertungen transparent.
3. Frühe Fehlererkennung
– Reduziert teures Nacharbeiten und Gewährleistungsansprüche, indem Fehlstellen früh im Fertigungsprozess erkannt werden.
4. Verbesserte Zuverlässigkeit & Konformität
– Erfüllt strenge Branchenstandards für Luft- und Raumfahrt, Automobilbau und Medizingeräte, um eine konsistente Qualitätsausgabe zu gewährleisten.

Einschränkungen und Herausforderungen

Trotz seiner Vorteile hat die Röntgenprüfung bestimmte Nachteile:

• Gerätekosten
– Hochauflösende Systeme können teuer im Kauf, Betrieb und Wartung sein.
• Fachkenntnisse des Operators
– Qualifizierte Techniker sind erforderlich, um Maschinen einzustellen und Ergebnisse genau zu interpretieren.
• Begrenzte Durchsatzrate
– Selbst die automatisierte Röntgenprüfung kann langsamer sein als AOI oder ICT, was zu Flaschenhälse in Hochleistungslinien führen könnte.

Beste Praktiken für die Umsetzung

Um den Einfluss der Röntgenprüfung zu maximieren:

• Wählen Sie das passende System:
– 2D oder 2,5D für schnelle Überprüfungen, 3D für komplexe Analysen.
• Trainieren Sie Betreiber oder Automatisieren Sie:
– Stellen Sie durch standardisierte Praktiken oder automatisierte Fehlererkennungssoftware eine konsistente Interpretation sicher.
• Integrieren Sie mit MES- & SPC-Systemen:
– Sammeln Sie Echtzeit-Fehlerdaten für kontinuierliche Verbesserungen.
• Erwägen Sie Pilotstudien:
– Einige Hersteller führen Fallstudien durch, die zeigen, dass Röntgen die Defektraten bei BGAs um bis zu 40 % senken kann, wodurch die Rentabilität vor einer vollständigen Einführung validiert wird.

Schlussfolgerung

Da sich die Elektronikverpackungstechnologie weiterentwickelt, muss Qualitätsicherung Schritt halten. Die Röntgenprüfung ist unerlässlich zur Identifizierung verborgener Lötzugaben, Brücken und internen Schichtschäden – Probleme, die die Geräteleistung oder -sicherheit in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau und Medizin gefährden können.

Obwohl Röntgensysteme sorgfältige Investitionen und Expertise erfordern, lohnt sich der Ertrag durch eine bessere Produktqualität, geringere Ausfallraten und zufriedene Kunden. Wenn Sie Ihre Prüfstrategie stärken möchten, überlegen Sie, Röntgentechnologien hinzuzufügen oder auszubauen, um wettbewerbsfähig zu bleiben und verlässliche, innovativste Elektronikkomponenten bereitzustellen.

Aufruf zum Handeln:

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Häufig gestellte Fragen

1. Was ist der Hauptzweck der Röntgenprüfung in der PCB-Assembly?
– Sie erkennt versteckte Fehler wie Lötzusatzhohlräume, Brücken und interne Brüche. Dies ist entscheidend für BGAs, QFNs und Mehrschichtplatten, bei denen die Verbindungen oft verborgen sind.
2. Wie unterscheidet sich Röntgen von AOI bei der PCB-Inspektion?
– AOI überprüft oberflächliche Fehler mit Kameras und Licht, während Röntgen „durch“ die Platine schaut, um unter den Komponenten und in den Durchkontakten zu inspizieren.
3. Ist eine Röntgenprüfung sicher für elektronische Komponenten?
– Ja. Die gering dosierte Strahlung schadet den Komponenten nicht, wodurch eine 100%-Inline- oder Offline-Inspektion ohne Beschädigung der Platinen möglich ist.
4. Kann eine Röntgenprüfung Probleme in Mehrschicht-PCBs finden?
– Absolut. Röntgen zeigt interne Fehler wie Durchkontaktbrüche oder Entlagerung auf, die für optische Methoden unsichtbar bleiben.
5. Brauchen alle PCBs eine Röntgenprüfung?
– Nicht unbedingt. Es ist am nützlichsten für dichte Platine mit verborgenen Verbindungen oder für Produkte, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern. Einfachere Designs könnten allein auf AOI und andere Methoden setzen.