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Die Erfindung betrifft Anordnung zur tomografischen Erfassung von plattenförmigen Objekten, insbesondere bestückte Leiterplatten. Sie kann besonders vorteilhaft für die zerstörungsfreie Prüfung solcher Objekte eingesetzt werden.
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Die zerstörungsfreie Prüfung von Objekten, wie dies hochkomplex aufgebaute Leiterplatten sind, ist aufgrund einer dichten und dabei auch mehrlagigen Ausbildung elektrisch leitender Verbindungen komplex und für die Qualitätssicherung von besonderer Bedeutung.
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Bei herkömmlichen Tomografieverfahren auf Röntgenbasis wird ein zu untersuchendes Objekt auf einer Linie zwischen Röntgenstrahlungsquelle und einem Detektor angeordnet und von der Röntgenstrahlung direkt durchstrahlt, wobei eine Rotation des Objektes um eine Achse oder eine Rotation von Röntgenstrahlungsquelle mit Detektor um das zu untersuchende Objekt erfolgen, um eine Vielzahl von Abbildungen aus unterschiedlichen Richtungen nutzen zu können.
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Ein solches Vorgehen bereitet aber bei plattenförmigen Objekten Probleme, die in zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Achsen eine deutlich größere laterale Ausdehnung, als zu der dritten zu den beiden senkrecht zueinander ausgerichteten Achsen ausgerichtete Achse aufweisen. Sie haben eine deutlich größere Länge und/oder Breite in Bezug zu ihrer Dicke.
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Mit der
DE 10 2007 045 797 A1 wurde daher vorgeschlagen, bei stationär angeordneter Röntgenröhre, die als Transmissionstarget-Röntgenröhre ausgebildet ist, diese so anzuordnen, dass ihre Hauptstrahlachse parallel zur Rotationsachse, um die ein flächiges zu untersuchendes Objekt gedreht wird, ausgerichtet sein soll. Die divergent austretende Röntgenstrahlung durchdringt das Objekt in einem Halbraum, der unterhalb der von der Oberfläche des Objektes bestrahlten Oberfläche angeordnet ist, und trifft auf einen entsprechend dort angeordneten Detektor auf. Mit dem Detektor können ortsaufgelöst Strahlungsintensitäten erfasst und daraus mit einer Bildrekonstruktionseinheit eine dreidimensionale Darstellung erstellt werden.
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Dieses bekannte System ist besonders für die Untersuchung an Objekten geeignet, bei denen die mit Röntgenstrahlung bestrahlte Oberfläche nicht oder nur geringfügig strukturiert ausgebildet ist. Dabei sind keine oder nur wenige Erhebungen oder Vertiefungen vorhanden, so dass der Röntgenfokus sehr nah an die bestrahlte Oberfläche herangeführt werden kann.
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Leiterplatten sind aber nicht nur mit elektrisch leitenden Strukturen und Verbindungen, sondern auch mit elektrischen sowie elektronischen Bauelementen bestückt, die über die eigentliche Oberfläche des Leiterplattenträgers überstehen. Dadurch ist es problematisch die Röntgenröhre ausreichend nah an die zu bestrahlende Oberfläche heranzuführen, so dass das Auflösungsvermögen, bei der ortsaufgelösten Detektion mit vergrößertem Abstand entsprechend verringert ist. Der einzuhaltende Abstand wird dabei von der am weitesten über die eigentliche Oberfläche überstehende Erhebung auf einem Objekt bestimmt. Es darf dabei bei der Rotation des Objekts zu keiner Berührung mit der Röntgenstrahlungsquelle kommen.
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Wird eine Röntgenstrahlungsquelle trotzdem näher an die zu bestrahlende Oberfläche des Objektes herangeführt, kann keine 360° -Auswertung durchgeführt werden, was ebenfalls nachteilig ist. Es treten so erhebliche Informationsverluste auf.
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Aus
JP 2010 08 52 51 A ,
US 3 621 246 A ,
JP 2004 13 29 31 A und
US 2009/0074136 A1 sind technische Lösungen bekannt, bei denen eine röntgentomografische Erfassung an sich um eine Rotationsachse drehenden Objekten durchgeführt wird.
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In
US 2009/0242744 A1 ist eine Anordnung zur Nutzung von Röntgenstrahlung bekannt.
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Ein Verfahren zur Abbildung dreidimensionaler Darstellungen mittels Computertomographie ist aus
JP 2003-329616 A bekannt.
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Eine miniaturisierte Röntgenröhre mit einem Kühlsystem geht aus
US 2006/0171506 A1 hervor.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen eine hochaufgelöste röntgentomografische Erfassung an plattenförmigen Elementen, deren Oberfläche strukturiert ist, erreichbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur röntgentomografischen Erfassung von plattenförmigen Objekten, wie dies insbesondere bestückte Leiterplatten sind, wird ein Elektronenstrahl einer Röntgenröhre auf ein Röntgenstrahlung emittierendes Target gerichtet. Das mit der emittierten Röntgenstrahlung bestrahlte Objekt ist auf einem um eine Rotationsachse rotierenden Träger angeordnet. Die Rotationsachse des Trägers sowie die mittlere Längsachse einer Stabanode sind in Richtung auf das Target gerichtet und parallel zueinander ausgerichtet.
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Ein Röntgendetektor für die ortsaufgelöste Aufnahme von Abbildungen des rotierenden Objektes oder ein Detektionsbereich des Röntgendetektors zur Aufnahme von Röntgenabbildungen bei Drehung des Objekts um die Rotationsachse mit dem Träger aus verschiedenen Richtungen ist in einem Abstand neben dem Träger mit Objekt und so angeordnet, dass ein jeweils interessierender Bereich, der zur tomografischen Erfassung vorgesehen ist, auf dem Röntgendetektor vollständig abgebildet wird. Dabei sollte die bestrahlte Oberfläche des Röntgendetektors unterhalb der Ebene, in der die bestrahlte Oberfläche des Objektes angeordnet ist, angeordnet sein.
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Das Target ist dabei Bestandteil der Stabanode. In der Stabanode wird der von der Röntgenröhre emittierte Elektronenstrahl durch einen Hohlraum auf das Target gerichtet, so dass eine Positionierung der Stabanode zwischen auf der Oberfläche des Objektes ausgebildeten Erhebungen oder in in der Oberfläche des Objekts ausgebildeten Vertiefungen mit einem minimierten Abstand zwischen Target und Objektoberfläche erreichbar ist. Das Target und somit der Röntgenfokus sollte sich an oder im Bereich der Stirnfläche der Stabanode, die in Richtung zur zu bestrahlenden Oberfläche weist, angeordnet sein, um dadurch so nah wie möglich an der zu bestrahlenden Oberfläche des zu untersuchenden Objektes angeordnet zu sein.
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Mit dem Einsatz einer Stabanode ist es möglich, diese zwischen auf der zu bestrahlenden Oberfläche ausgebildeten Erhebungen oder in entsprechend im Objekt ausgebildete Vertiefungen einzuführen und so den Abstand zur zu bestrahlenden Oberfläche des Objektes so klein, wie möglich zu machen.
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Bei der Erfindung wird üblicherweise nicht das gesamte Objekt durchstrahlt und untersucht. Die Erfassung erfolgt in einem kleinen ausgewählten Bereich des Objektes, der untersucht werden soll bzw. von besonderem Interesse ist.
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Selbstverständlich können an einem Objekt mehrere solcher Bereiche erfasst und berücksichtigt werden, wobei die Erfassung unterschiedlicher Bereiche sukzessive erfolgt.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sollte auf dem drehbaren Träger ein Objekthalter vorhanden sein, mit dem durch eine Bewegung entlang zweier senkrecht zueinander ausgerichteter Achsen x und y der Abstand zwischen der Rotationsachse des Trägers und einem Bereich des Objektes, der zur tomografischen Erfassung vorgesehen ist, auf den die emittierte Röntgenstrahlung direkt auftrifft, minimiert werden kann. Dabei sollte die Ausrichtung so erfolgen können, dass eine Drehung des Objektes um zumindest nahezu vollständig 360 ° erreicht werden kann und sich dabei der Abstand des Fokuspunktes der Röntgenstrahlung zur Rotationsachse des Trägers in der durch die zwei Achsen x und y vorgegebenen Ebene bei der Rotation nicht oder nur sehr geringfügig ändert.
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Besonders vorteilhaft kann der Objekthalter und/oder der Träger auch in einer dritten senkrecht zu den beiden Achsen x und y ausgerichteten Achse z bewegt werden, wodurch der Abstand der zu bestrahlenden Oberfläche des Objektes und dem Röntgenfokus verändert werden kann. Dadurch ist es zusätzlich möglich den jeweiligen Abstand an einer Position des Objektes zu minimieren. Die Auflösung bei der Detektion für diesen zu untersuchenden Bereich des Objektes kann so erhöht werden.
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Die Positionierung des Objektes sollte mittels des Objekthalters mit einer Genauigkeit von mindestens 0,5 mm durchgeführt werden können. Die Bewegung des Objekthalters kann dabei mit zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Linearantrieben erfolgen.
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In der Oberfläche des Trägers oder des Objekthalters können nutenförmige Vertiefungen für eine definierte Anordnung von Trägerelementen, auf die das jeweilige zu untersuchende Objekt in einem Abstand zur Oberfläche des Trägers oder des Objekthalters aufgesetzt werden kann, ausgebildet sein.
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Der Träger, der Objekthalter und/oder Trägerelemente auf denen das Objekt auf dem Träger oder Objekthalter angeordnet ist, sollte(n) aus einem Werkstoff mit kleiner Absorption für die emittierte Röntgenstrahlung gebildet sein. Dies sind z.B. Werkstoffe die mit Elementen kleiner Massenzahl gebildet sind. So können beispielsweise Polymere, insbesondere Acrylglas eingesetzt werden.
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Nutenförmige Vertiefungen und Trägerelemente können kreisringförmig oder als Teilkreissegmente ausgebildet sein. Mehrere nutenförmige Vertiefungen können mit unterschiedlichen Radien in verschiedenen Abständen zur Rotationsachse des Trägers ausgebildet sein. Je nach Größe eines zu untersuchenden Objektes können dann Trägerelemente in nutenförmige Vertiefungen eingesetzt werden, so dass das jeweilige Objekt bei der Bestrahlung und Drehung um die Rotationsachse des Trägers sicher gehalten werden kann. Die Trägerelemente können dabei so dimensioniert sein, dass sie mit ausreichender Höhe über den Träger überstehen und das jeweils zu untersuchende Objekt in der richtigen Höhe angeordnet ist, so dass ein großer Teil der auf das Objekt gerichteten Röntgenstrahlung auf den Detektor auftrifft. So können als Trägerelemente zylinderförmige Elemente eingesetzt werden, die in mit entsprechenden Radien ausgebildete nutenförmige Vertiefungen mit einer Stirnseite eingeführt werden können. In jedem Fall sollte dafür Sorge getragen sein, dass eine planparallele Ausrichtung des Objektes in der senkrecht zur Rotationachse des Trägers ausgerichteten Ebene eingehalten ist.
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Die auf das Objekt gerichtete Röntgenstrahlung durchdringt zuerst das Objekt und anschließend einen Bereich eines Trägerelements, bevor sie auf den Detektor auftrifft. Es tritt lediglich eine kleine Abschwächung der Röntgenstrahlung infolge Absorption des Trägerelementwerkstoffs auf. Die auf das Ergebnis einen sehr kleinen Einfluss hat.
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Günstig ist es, wenn das an der Stabanode angeordnete Target aus Diamant gebildet und seine Oberfläche, auf die der Elektronenstrahl der Röntgenröhre gerichtet ist, mit einer dünnen Schicht aus Wolfram beschichtet ist. Eine Diamantscheibe weist verbesserte thermische Eigenschaften auf, was insbesondere die thermische Leitfähigkeit, die für eine verbesserte Wärmeabfuhr sorgen kann und das thermische Ausdehnungsverhalten zutrifft.
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Eine Diamantscheibe kann auch in einem Winkel gegenüber der Ebene, die mit den Achsen x und y bestimmt ist, ausgerichtet sein. Dadurch kann der Einfallswinkel der auf das Objekt auftreffenden Röntgenstrahlung vorteilhaft beeinflusst werden, um den zur tomografischen Erfassung vorgesehenen Bereich des Objektes möglichst vollständig auf dem Detektor abbilden zu können.
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Die Stabanode soll zumindest im Bereich, der in Richtung auf die Objektoberfläche weist, eine maximale laterale Ausdehnung senkrecht zur Rotationsachse des Trägers von 10 mm aufweisen. Dadurch kann ein sehr kleiner Abstand zur zu bestrahlenden Oberfläche des Objektes eingehalten werden, da die Stabanode zwischen Erhebungen oder in Vertiefungen am jeweiligen Objekt eingeführt werden kann.
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Bei der Erfindung kann vorteilhaft eine Mikrofokusröntgenröhre eingesetzt werden, die mit einer elektrischen Spannung im Bereich 80 kV bis 150 kV, bei einer Targetleistung im Bereich 2 W bis 15 W betrieben werden kann.
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An der Stabanode kann auch eine Kühlung vorgesehen sein, mit der eine Überhitzung vermieden sowie die thermische Stabilisierung des Targets erreicht werden kann, was zu einer sicheren unverzerrten Erfassung von Abbildungen bei der Detektion führt.
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Durch den erreichbaren kleinstmöglichen Abstand zwischen der Stabanode, von der die Röntgenstrahlung emittiert wird, und dem zu untersuchenden Objekt kann ein signifikanter Gewinn an Auflösungsvermögen bei der röntgentomografischen Erfassung an plattenförmigen Objekten, die an der Oberfläche strukturiert ausgebildet sind, erreicht werden. Es können so Fehler erkannt werden, die mit herkömmlichen Aufbauten und Vorgehensweisen nicht erkannt werden konnten. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Stabanode ist in fast allen Fällen eine Erfassung im vollständigen Winkelbereich von 360 ° bei Drehung des jeweiligen Objektes, durch ein erreichbares freies rotieren, möglich.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann ein schmaler seitlicher Bereich der divergent emittierten Röntgenstrahlung mit großem Öffnungswinkel ausgenutzt werden, um durch eine schräge Durchstrahlung den jeweiligen zu untersuchenden Bereich eines Objektes auf dem Detektor abbilden zu können.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung und
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels eines bei der Erfindung einsetzbaren Trägers mit Objekthalter.
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Mit der 1 soll ein Aufbau eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung veranschaulicht werden. Dabei wird ein Elektronenstrahl von der Röntgenröhre 1 auf ein Target (nicht gesondert dargestellt, dass in/an einer Stabanode 2 angeordnet ist gerichtet und von dort Röntgenstrahlung auf die Oberfläche einer an der Oberfläche mit elektronischen Bauelementen bestückte Leiterplatte als plattenförmiges Objekt 3 gerichtet. Die emittierte Röntgenstrahlung durchdringt das Objekt in einem zu untersuchenden Bereich und trifft divergent auf den Röntgendetektor 6 für eine ortsaufgelöste Aufnahme von Abbildungen, des um die mit der strich-punktierten Linie erkenntlich gemachte Rotationsachse rotierenden Objektes 3, auf. Die divergent ausgerichteten Röntgenstrahlen sind mit ihren Grenzen mit dem durch die Strichlinien begrenzten Bereich kenntlich gemacht.
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Das Objekt 3 liegt dabei auf einem zylinderförmigen Trägerelement 4 aus Acrylglas auf, das auf einem Objekthalter 8 formschlüssig in nutenförmigen Vertiefungen gehalten ist. Der Objekthalter 8 kann wie mit den Pfeilen verdeutlicht in zwei Achsen y und y translatorisch bewegt werden, um eine Ausrichtung der Stabanode 2 auf einzelne gewünschte tomografisch zu untersuchende Bereiche des Objektes bei gleichzeitig geringstem Abstand der Stabanode 2 und/oder des Röntgenfokus von der Oberfläche des Objektes 3 im zu untersuchenden Bereich zu erreichen. Auch der Abstand der Stabanode 2 mit Röntgenfokus von der Rotationsachse, um die das Objekt 3 gedreht wird, kann so minimiert werden.
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Durch den Einsatz der Stabanode 2 kann der Röntgenfokus in Bereichen zwischen Erhebungen, die durch elektronische Bauelemente, die über die eigentliche Oberfläche der Leiterplatte als Objekt 3 überstehen, eingeführt werden, wodurch die erreichbare Auflösung der mit dem Röntgendetektor erfassten Abbildungen vergrößert werden kann.
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Der Objekthalter 8 ist auf dem drehbaren Träger 5 angeordnet. In nichtdargestellter Form ist auch eine zusätzliche Bewegung des Trägers 5 mit Objekthalter 8 und Objekt 3 senkrecht zur mit den Achsen x und y gebildeten Ebene also in eine z-Richtung möglich, um den Abstand der Stabanode 2 mit Röntgenfokus zur Objektoberfläche unter Berücksichtigung der Oberflächenstruktur minimieren zu können.
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Mit der Darstellung wird außerdem deutlich, dass der Röntgendetektor 6 unterhalb der Objektoberfläche angeordnet sein sollte, was zumindest für einen Bereich des Röntgendetektors 6 zutreffen sollte, um die gewünschten Abbildungen bei der röntgentomomografischen Untersuchung eines sich drehenden Objektes 3 mit erhöhter Auflösung erhalten zu können.
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In 2 ist ein Beispiel eines Trägers 5 mit einem darauf angeordneten Objekthalter 8 gezeigt. Der Objekthalter 8 kann entlang zweier senkrecht zueinander ausgerichteter Achsen x und y bewegt werden, so dass eine Ausrichtung des zu untersuchenden Bereichs des Objektes 3 in Bezug zur Rotationsachse des Trägers 5 erreicht werden kann.
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An der in Richtung Röntgenröhre 1 bzw. Stabanode 2 weisenden Oberfläche des Objekthalters 8 sind nutenförmige Vertiefungen 7 ausgebildet. Es ist erkennbar, dass einige nutenförmige Vertiefungen 7 als Kreisring mit unterschiedlichen Radien ausgebildet sind. In diese kann jeweils ein zylinderförmiges Element als Trägerelement 4 mit einer Stirnseite eingeführt werden. Das Objekt 3 kann dann auf der gegenüberliegenden Stirnfläche eines zylinderförmigen Trägerelements 4 aufliegen. Die Wandstärke der Trägerelemente 4 ist dabei an die Breite der nutenförmigen Vertiefungen 7 angepasst, so dass ein Einführen in die nutenförmigen Vertiefungen 7 und dabei auch eine ausreichende Führung und Standsicherheit möglich werden.
