CN101065658B - 使用x射线微量分析来确定复杂结构的化学成分的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于使用微X射线荧光光谱法识别印刷线路组件中有害物质的方法，该印刷线路组件具有多个分立部件(图1)。使用微X射线荧光光谱法(μ-XRF)和/或X射线吸收精细结构(XAFS)光谱法作为检测分析仪，用于识别在电子设备中的有关材料。通过响应于参考数据库中的信息将设备或组件在X、Y和Z的方向上移动到探针下(130)，来确定在该组件上选定位置的元素组成(125)，以便分析所检验的设备或组件，该探针被设置在距用于分析的每个选定位置的最佳分析距离处(120)。然后，使每个选定位置处的所确定元素组成与参考数据库互相关，并且将所检测到的元素指定到该组件中的各种部件。
Description
发明领域
本发明通常涉及X射线光谱学，更具体而言，涉及X射线光谱学的自动化使用，用于检测和识别在印刷线路组件中的特定金属。
背景技术
欧盟(EU)的法规已经颁布了减少环境中有害化学品程度的法律。某些有害物质(RoHS)限用法令已经将在电子设备中使用的诸如铅、镉、汞、铬VI和一些溴系阻燃剂等材料作为目标。为了遵守这些制定的法规，就需要一种检测和识别电子设备中这些和其它的有害材料的方法。这种方法应当能够快速而准确地实现快速测试和短暂的周转时间，以便与全球电子制造业“快速上市”的需要一致。该检测方法还需要具有高度的成本有效性，并且在检测过程中使用其它的有害物质时，它不应当对环境带有任何负面的影响。
附图简述
在所附权利要求中阐明了相信是新颖的本发明的特征。但是，通过参考下文结合附图对本发明的详细描述，可以更好的理解本发明自身的结构和操作方法、以及本发明的目的和优点，本发明的详细描述叙述了本发明特定的示例性实施例，其中：
唯一的附图是描述了依据本发明特定实施例的决策树分析法的流程图。
具体实施方式
尽管本发明能够容许多种不同形式的实施例，在附图中显示了本发明的实施例，并且本文将以具体特定实施例的形式来描述本发明的实施例，但是，应当认识到，本文公开的内容是作为本发明原理的实例，而不是意味着将本发明限制为所显示和描述的特定实施例。在下文的叙述中，将使用类似的参考数字来描述附图中相同、相似或相应的元件。电子设备、印刷线路组件(PWA)和单独组件在过去往往已经包含了诸如Pb、Cr、Cd、Hg和Br的有关材料。本文公开的实施例采用微X射线荧光光谱法(μ-XRF)和X射线吸收精细结构(XAFS)光谱法作为检测方法，用于定位(localize)电子设备中的那些和其它有关材料。通过响应于参考数据库中的信息将设备或组件在X、Y和Z的方向上移动到探针下，来分析所检验的设备或组件，从而确定在组件上选定位置处的元素组成，该探针被设置在距用于分析的每个选定位置的最佳分析距离处。然后，使在每个选定位置处的确定的元素组成与参考数据库互相关(correlate)，并且所检测的元素被指定到组件中的各种部件。
在下文的描述中，为了方便起见，我们使用了术语“印刷线路组件”或“PWA”，但是应当认识到，这种方式的使用并不是出于限制，而应当认为是涵盖了在现有和未来电子设备中使用的这些以及其它类型的复杂组件，这些电子设备诸如是但并不局限于，电动机、电缆组件、显示器、开关、旋钮、壳体、扬声器、变换器等。现在参考图1，流程图描述了本发明的一个实施例，用于被分析有害化学品存在的样本或样品被直接放置100在μ-XRF或XAFS分析仪的腔室中。由于不具有诸如溅射等可能使用其它对环境有危险的材料的样品制备，因此，该方法允许快速的检测和识别。然后，访问105样品的计算机辅助设计(CAD)数据文件。(除了别的以外)该CAD文件还包含了在PWA上各种部件的物理尺寸、以及它们在印刷电路板上位置的数学表示，并且该CAD文件在分析过程中被用作参考数据库。CAD数据库和它们通常包含的信息，对于电子设备的设计和组件领域的普通技术人员来说是众所周知的，因此，这里将不对它们进行更进一步的阐述。CAD数据库被连接(port)到在μ-XRF或XAFS分析仪中的控制器，用于实现由文件中的信息所驱动的一些分析仪功能。典型的，响应于在CAD数据库中的信息移动分析仪的工作台(stage)，以使样品在周围移动，以便分析仪探针可以‘看到’样品的所有必要区域。然后，通过使用基准标记或基准点，对样品进行配准(register)110，就可以确定样品关于分析仪的位置。尽管这个操作是可选的并且可以手动或自动地执行这个操作，但是，我们发现它对于实现全自动、以及使用通常在CAD数据库中设置的基准信息来配准样品是非常有用的。使用基准执行配准对于本领域的普通技术人员来说是已知的，这里为了获得成功效果，可以使用诸如光学扫描、激光配准、机械配准等机制。然后，通过在x和y轴中适当移动分析仪的工作台，将样品移动115到将要进行分析和扫描的第一位置。典型地，在PWA上的许多部件(如果不是所有部件的话)具有不同的尺寸和形状，并且当使用X射线分析技术时，保持在样品上的被分析区域与分析仪上探针之间的适当距离，对于实现准确分析是非常重要的。通过在z轴120上充分地调整或移动样品的工作台，就能实现最佳的分析距离，以便形成在探针与分析区域之间的适当距离。通过测高传感器来确定在样品与探针之间的距离，该测高传感器(altimetry sensor)诸如是摄影机、霍尔效应传感器、使用三角测量法的传感器、或其它光学装置。根据特定实施例，探针在分析过程中自动地移动，以便在分析的期间，使探针-样品的距离始终处于最佳距离。
取决于在分析中希望得到的分辨率，可以使用各种光束大小。较大的光束大小通常产生较低的分辨率，但覆盖了较大的区域。由于在大多数分析过程中，根据需要，必须在分辨率与覆盖区域之间进行选择。在使用μ-XRF进行分析的情况下，在表面区域中的化学元素对光束的激发能量起响应，并且发射出次级光子(secondary photons)，这些光子可以通过分析仪检测器来检测。一旦选择了分析参数，就以常规的方式执行125分析，并将关注的检测元素(如果发现它们的话)临时存储在分析仪计算机内的存储器中或者其它存储区域中。
在分析125第一位置之后，通过在CAD数据库中的信息驱动工作台，将样品移动到下一个位置130。注意到在某些实施例中，CAD数据库并不直接移动工作台，而是由μ-XRF分析仪中的控制器对数据库中的信息作出响应。替换的实施例允许CAD数据库直接控制工作台的移动。通过在z轴120上充分地调整或移动样品的工作台，就可以再次获得最佳的分析距离，以便形成在探针与分析区域之间的适当距离，并如前面的叙述，执行125第二位置的分析。在分析了第二位置之后，通过CAD数据库中的信息驱动工作台，将样品移动到下一个位置130。如果需要，就重复方框120、125和130(正如在流程图中循环内容的显示)，直到分析了样品上所有关注的位置。在分析135了最后的位置之后，将从分析的多个工作台中的信息与CAD数据库中的信息互相关140，以便指定对在PWA中各种部件所检测的各种元素的水平(level)。通过将光谱数据指定到一个或多个部件或位置，就能将在所有扫描期间、在每个相应的位置上获得的光谱数据指定到特定位置或部件。还可以创建145扫描区域或部件的元素图，该元素图显示了作为样品形貌函数的每个元素的存在或缺失，其中显示了在PWA上的各种部件，并且在CAD图上可以覆盖每个检测元素的水平。
在创建145元素图之后，查询CAD数据库，以确定在数据库中是否驻留了扫描区域或部件(方框150)。如果在数据库中存储了关注的区域(正如在紧接着框150下面的框图中‘是’分支的指示)，然后，使用90％、95％、或99％概率匹配统计技术，将从扫描中得出的信息与数据库中存储的信息进行比较155。由于在CAD数据库中包含了有关部件大小和形状和化学组成的信息，因此，该元素图和三维组成几何信息就提供了一种工具，采用该工具可以将样品上的部件与数据库中驻留的部件进行比较或匹配。例如，元素图可以指出在扫描样品上的某些电阻器拥有铜端子，以及包含镍和铬、并具有由二氧化硅制成的陶瓷底座的电阻元件。通过使用统计匹配技术，就可以将与有关电阻器大小和形状的信息相组合的这个信息与数据库中的信息进行匹配，以确定该电阻器准确的零件号码和电阻值。执行判定，以确定它是否与材料清单(BOM)数据库160中存储的信息相匹配，如果答案为‘是’，那么就选择165其它的扫描位置或部件，并重复方框155、160和165的过程，直到完成扫描，在完成扫描的位置处，该分析结束170。如果对方框160处匹配判定的答案为‘否’，那么就以较高的分辨率重新扫描180关注的区域或部件，以便创建更详细或深入的分析。再次进行将从重新扫描中获得的信息与材料清单数据库的比较185，并且如果达到匹配，那么该分析移动到方框165中的其它位置，并继续执行按照前面所述的操作。如果答案为‘否’(即不匹配)，那么就将来自重新扫描的信息添加到CAD数据库190，以便在未来分析其它样品时，创建新的部件或区域位置进行参考。
现在返回到方框150，该情形是查询CAD数据库以确定在数据库中是否驻留了扫描区域或部件，如果答案为‘否’，那么就以较高的分辨率重新扫描195关注的区域或部件，以便创建更详细或深入的分析，并将来自重新扫描的信息添加到CAD数据库190，以便当分析未来的样品时，创建新的部件或区域位置进行参考。
目前已经描述了一个实施例，我们现在提供对所使用的设备和技术的附加叙述。通过在一些详细的过程中，更多的教导读者来介绍本文公开的内容，这并不会作为对发明的限制。对于元素绘图(mapping)，使用了微光束XRF系统Eagle IIμ-探针(R
ntgenanalytik MesstechnikGmbH，Taunusstein，德国)，该μ-探针装配有40瓦特铼电子管(40kV，1000μAmp)和100μm毛细管光学部件。在仪器的受计算机控制的工作台上放置样品(来自蜂窝电话的组件)，并抽(draw)成真空状态。采用两个视频显微镜(1∶10和1∶100放大率)，选择对元素绘图的区域，并且随后选择期望的元素。在两个分离的测量中，执行具有5∶2纵横比(长度∶宽度)的印刷线路板的扫描，并检验前侧和后侧。对于达到原子序数42(Mo)的元素，为了进行分析使用K辐射线。使用L辐射线来检测较重元素。为了确定Bi和Hg，还另外使用M辐射线。所选择的元素是：银、砷、铋、溴、镉、铬、汞、镍、铅、锑和锡。一个读取点的测量时间被设置成20毫秒，并且矩阵大小被设置成256×200。从所有的单光谱中，通过软件(EagleIIμ-探针的视觉XRF软件，版本3.308)编译总的光谱并计算元素分布曲线。曲线中的明亮区域对应高元素集中的部分。从来自测量的每个有关元素的μ-XRF测量中提取元素图，并将它变换为单色图。这些都被覆盖在板图信息上，以便确定哪些零件包含了什么元素。对所有关注的元素进行该操作。将检测到有关元素的每个测量点处的强度(intensity)与该零件的类型互相关。根据对每种类型零件的校准，对有关元素的浓度(concentration)产生了影响。在总光谱中记录了元素分布的分析结果，也就是，添加了从测量点中获得的所有单光谱。另外，从测量的数据中计算每个选择元素的元素图。因而，元素强度就被绘图为或强或弱的色彩。
已经定义了对获取数据的评价的合适过程，这包括从测量中获得的数据和在被调查不符合所公布合法法规的PWB上的部件数量的互相关。这种新方法所产生的一些优点是：在单一的分析中，该描述的方法能够处理更多种具有装配部件的PWB。使用光谱减法或其它手段，该方法可以定位(localize)除Br和Pb之外的元素。与传统的技术相比，该新的过程具有更低的成本和更快的速度。全部系统都能够自动执行，并且该系统允许直接检测与环境法规相违背的零件。基于这些结果和检测的相违背零件，就可以向供应商要求改正措施。通过这种途经，该途经不需要样品制备并且使用比较低廉的分析检测方法，就可以更容易、更有时间效率和以更低的成本实现在组装的PWB中，对重金属和溴化处理过的化合物的全面检测和定位。
总之，本文公开的实施例提供了一种检验在电子设备中使用的印刷线路组件或其它复杂结构的方法，用于遵守RoHS法律，这些实施例并不是用来限制本发明的范围。该XRF允许使用溴作为指示元素，用于识别溴化过的阻燃添加剂，诸如八溴联苯、十溴代联苯、八溴联苯氧化物、十溴代联苯氧化物、和四溴双酚A，并允许使用铬作为Cr VI的指示元素。
尽管通过引用在实际分析中使用的特定细节和参数对本发明进行了描述，但是应当认识到，这些内容是作为实例来提供的，而不是出于限制目的，当然很可能出现来自这些设置和数值的变化，这些变化仍然涵盖在本发明的范围和精神内。从前面叙述的观点，本领域的普通技术人员将很明显得到许多替换、修改、置换和变形，这是很显然的事实。因此，这意味着本发明包含了正如在所附权利要求书的范围内涵盖的所有这种替换、修改和变形。
Claims (18)
1.一种用于使用微X射线荧光光谱法识别印刷线路组件中有害物质的方法，该印刷线路组件具有多个分立部件，所述方法包括：
a)通过响应于在参考数据库中的信息将探针移动到所述组件上，分析所述印刷线路组件，以确定所述印刷线路组件上选定位置处的元素组成，所述探针被设置在距用于分析的每个选定位置基本上最佳的分析距离处；和
b)使所述选定位置处的所确定元素组成与所述参考数据库互相关，以将检测到的元素指定到所述印刷线路组件上的各种部件。
2.根据权利要求1的方法，其中通过测高传感器，将所述探针保持在所述基本上最佳的分析距离处。
3.根据权利要求2的方法，其中所述测高传感器包括摄影机、霍耳效应传感器、或三角测量传感器。
4.根据权利要求1的方法，其中响应于在描述所述印刷线路组件形貌的所述参考数据库中的信息，所述探针被保持在所述基本上最佳的分析距离处。
5.根据权利要求1的方法，进一步包括：通过所述印刷线路组件上的一个或多个基准位置，使所述印刷线路组件最初相对于所述探针进行配准。
6.一种扫描X射线微量分析的方法，包括：
a)提供具有变化高度的表面形貌的样品；
b)使用微X射线荧光光谱学来分析所述样品，其中探针可以在X、Y和Z轴中移动，并且其中在Z轴中执行移动，以便在每个变化的样品高度处，使所述探针保持在距所述样品基本上最佳的分析距离处；和
c)其中X和Y的探针移动是响应于包含涉及样品上各种位置的信息的数据库，以实现所述样品中检测到的元素与所述数据库中信息的互相关。
7.根据权利要求6的方法，其中通过测高传感器，所述探针被保持所述基本上最佳的分析距离处。
8.根据权利要求7的方法，其中所述测高传感器包括：摄影机、霍耳效应传感器、或三角测量传感器。
9.根据权利要求6的方法，其中响应于描述所述样品形貌的参考数据库中的信息，所述探针被保持在所述基本上最佳的分析距离处。
10.根据权利要求6的方法，包括，在(a)之后，通过在所述样品上的一个或多个基准位置，使所述样品相对于所述探针进行配准。
11.根据权利要求6的方法，其中所述样品是具有多个分立部件的印刷线路组件。
12.一种用于微量分析的方法，包括：
a)提供具有变化高度的表面形貌的样品；
b)在分析腔室中放置所述样品；和
c)通过响应于参考数据库的探针来分析多个位置处的所述样品，其中所述探针可在X、Y和Z轴中移动，并且，其中在Z轴中执行移动，以便在所述多个位置的每个位置处，使探针保持在距所述样品的最佳分析距离处。
13.根据权利要求12的方法，其中通过测高传感器，将所述探针保持在所述最佳分析距离处。
14.根据权利要求13的方法，其中所述测高传感器包括摄影机、霍耳效应传感器、或三角测量传感器。
15.根据权利要求12的方法，其中通过使所述探针的X和Y的移动与包含关于所述样品形貌参考信息的数据库互相关，使所述探针保持在所述最佳分析距离处。
16.根据权利要求12的方法，其中所述样品是具有多个分立部件的印刷线路组件。
17.根据权利要求12的方法，其中使来自在(c)中执行的分析中的信息与所述数据库中多个位置的每个位置互相关。
18.根据权利要求12的方法，进一步包括：在(b)之后，通过所述样品上的一个或多个基准位置，使所述样品相对于所述探针进行配准。
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