DE60022672T2

DE60022672T2 - Röntgentomographische bga ( ball grid array ) prüfungen

Info

Publication number: DE60022672T2
Application number: DE60022672T
Authority: DE
Inventors: Rohit Patnaik
Original assignee: Teradyne Inc
Current assignee: Teradyne Inc
Priority date: 1999-11-08
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2020-11-08
Also published as: CN1409816A; KR100522560B1; AU3792801A; DE60022672D1; JP2005142584A; JP4227959B2; WO2001035051A3; JP3665294B2; MXPA02004628A; CA2390068A1; WO2001035051A9; JP2008216265A; JP2003514233A; EP1236017B1; WO2001035051A2; ATE304695T1; KR20020079732A; EP1236017A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Prüfverfahren für Leiterplatten und insbesondere ein Prüfverfahren unter Verwendung von Vertikalschnittabbildung mittels horizontaler Schnittbilder.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Großteil der heutzutage hergestellten elektronischen Vorrichtungen umfasst eine oder mehrere Leiterplatten bzw. Platinen (printed circuit board), die ebenso als Schaltplatten bezeichnet werden können. Derartige Leiterplatten stellen üblicherweise Unterstützung für elektronische Vorrichtungen und Komponenten und Verbindungen zwischen diesen bereit. Eine Vorrichtung, die häufig auf Leiterplatten gefunden wird, ist eine integrierte Schaltung bzw. ein integrierter Schaltkreis, die bzw. der üblicherweise aus einem Halbleitermaterial besteht, das in einer Keramik- oder Kunststoffverpackung eingekapselt ist. Die Verpackung des integrierten Schaltkreises stellt Input- und Output-Pins (I/O-Pins) für das mechanische und das elektrische Verbinden des Halbleitermaterials des integrierten Schaltkreises mit leitfähigen Spuren bzw. Leitungen auf der Leiterplatte bereit. Mit den Fortschritten in der Halbleitertechnologie sind die Komplexitäten von integrierten Schaltkreisen zusammen mit den Verbesserungen der Leistung der Vorrichtungen gewachsen. Aufgrund der gesteigerten Komplexität der integrierten Schaltkreise werden immer mehr I/O-Pins benötigt.
Elektrische Verbindungen zwischen den I/O-Pins des integrierten Schaltkreises und der Leiterplatte werden üblicherweise durch ein Löten der I/O-Pins durch Durchgangslöcher (through holes) in der Leiterplatte und mehr und mehr auf leitfähigen Lötaugen (pads) auf der Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet.
Verfahren zum Prüfen bzw. Begutachten der elektrischen Verbindungen zwischen Komponenten, integrierten Schaltkreisen und Leiterplatten sind bekannt. Beispielsweise sind optische Prüftechniken sowohl manuell als auch automatisiert verwendet worden, um die Anordnung von Komponenten und integrierten Schaltkreisen und deren Verbindungen mit Leiterplatten zu prüfen. Optische Prüfverfahren können jedoch nicht dazu geeignet sein, adäquat die Verbindung zwischen bestimmten integrierten Schaltkreisen mit hoher Dichte und bestimmten Leiterplatten zu prüfen. Beispielsweise sind derartige Verfahren im Allgemeinen unzureichend für ein Prüfen der immer häufiger werdenden Vorrichtungen des BGA-Typs (Ball-Grid-Array Type).
Um Leiterplatten und Vorrichtungen des BGA-Typs hoher Dichte zu prüfen bzw. begutachten, werden oftmals Prüfsysteme unter Verwendung durchdringender Strahlung verwendet, von denen man glaubt, dass diese leistungsfähiger als optische Prüfsysteme sind. Techniken, die durchdringende Strahlung verwenden, wie beispielsweise Röntgenstrahlen, können möglicherweise dazu verwendet werden, um elektrische Verbindungen einer Vorrichtung des BGA-Typs zu prüfen, einschließlich sowohl peripherer Verbindungen als auch Verbindungen, die unter der Verpackung des integrierten Schaltkreises versteckt sind. Um ein Bild von Verbindungen herzustellen, die unter der Verpackung des integrierten Schaltkreises versteckt sind, sollte das Prüfsystem dazu geeignet sein, ein Querschnittshorizontalbild (hier ebenso als ein horizontales "Schnittbild" bezeichnet) bei einer Höhe zu erzeugen, bei der die I/O-Pins der Vorrichtung erfasst werden.
Prüfsysteme, die Röntgenstrahlen verwenden und die dazu geeignet sind, horizontale Schnittbilder zu erzeugen, sind bekannt. Beispielsweise werden in den US-PSen Nr. 5,097,492 und 5,594,770 zwei alternative Ansätze zum Erzeugen eines horizontalen Querschnittsbildes beschrieben. Die in US-PS Nr. 5,097,492 dargestellte Vorrichtung erzeugt ein horizontales Querschnittsbild unter Verwendung der Prinzipien der Schichtbildaufnahmen (laminography). Ein Nachteil dieser Technik besteht jedoch darin, dass das resultierende horizontale Querschnittsbild üblicherweise Verwischungsartefakte enthält, die durch Strukturen außerhalb der untersuchten Ebene erzeugt werden. Anstatt sich auf die Prinzipien der Schichtbildaufnahmen zu verlassen, zeigt US-PS Nr. 5,594,770 ein System, das die Prinzipien der Tomographie mit einem stationären Detektor einsetzt. Gemäß dieser Technik kann eine vorbestimmte Anzahl von achsenversetzten Übertragungsbildern erzeugt wer den und kombiniert werden, um ein horizontales Schnittbild einer untersuchten Ebene zu erzeugen.
Die Theorie der Tomosynthese wird in der Literatur ausgiebig beschrieben. Unter Verwendung der Tomosynthese ist es möglich, horizontale Schnittbilder durch Testobjekte bei unterschiedlichen Brennpunktsebenen bzw. Fokalebenen zu erzeugen, die entlang einer vertikalen Achse angeordnet sind. Obgleich diese Technik beim horizontalen Durchleuchten des untersuchten Objekts und bei der Bestimmung der Qualität beispielsweise einer Lötverbindung vorteilhaft ist, kann wertvolle Information hinsichtlich der Korrelation zwischen mehreren horizontalen Schnittbildern verloren gehen. Insbesondere können wertvolle Defektsignaturinformationen, wie beispielsweise die Signatur von Hohlräumen (Lufttaschen), die sich über mehrere horizontale Schnitte erstrecken können, in einem einzelnen horizontalen Schnittbild sehr verdünnt sein, und zwar insbesondere dort, wo die horizontale Brennpunktsebene nicht durch das Zentrum des Hohlraums verläuft. Im Fall von mit Anschlüssen versehenen Vorrichtungen (leaded devices) können hohe Brücken (high bridges) auftreten, d.h. Brücken zwischen Pins, wobei die Brücken jedoch in einer höheren Ebene als die Filette bzw. Ausrundung auftreten. Da es nicht möglich sein kann, jeden Schnitt zu überprüfen, kann es sein, dass derartige Defekte bzw. Fehler übersehen werden.
Es wäre daher wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zum Prüfen elektrischer Verbindungen zu haben. Ein derartiges Verfahren wird im Allgemeinen durch Anspruch 1 bereitgestellt. Eine entsprechende Verwendung wird in Anspruch 19 bereitgestellt. In Anspruch 27 wird das Verfahren auf eine Lötmetallmenge angewendet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein vertikales Schnittbild einer BGA-Verbindung und eine Definition eines kartesischen Koordinatensystems für die Zwecke der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
2 zeigt die Synthese der Ebene eines vertikalen Schnittbildes anhand einer Reihe von Ebenen von horizontalen Schnittbildern bei unterschiedlichen Positionen entlang der Z-Achse hinsichtlich des in 1 definierten Koordinatensystems.
3 zeigt ein Beispiel für ein vertikales Schnittbild, das eine geneigte BGA-Vorrichtung zeigt.
4 zeigt zwei vertikale Schnittbilder einer BGA-Verbindung, wobei ein Bild einen angehobenen Ball und ein Bild einen Hohlraum zeigt.
5 zeigt eine geneigte Komponente mit einer Vielzahl von I/O-Pins, von denen jeder an einer anderen Position entlang der Z-Achse angeordnet ist.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer BGA-Verbindung, die die Anordnung von acht Lokalisierungsfenstern darstellt, von denen jedes zwei Ballkanten der BGA-Verbindung enthält.
7 zeigt ein verallgemeinertes Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Prüfverfahren unter Verwendung der vertikalen Schnittabbildung darstellt.
8 zeigt ein verallgemeinertes Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren zum Prüfen einer Verbindung darstellt.
9 zeigt ein Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren zum Prüfen einer BGA-Verbindung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER MOMENTAN BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen von Verbindungen unter Verwendung von Vertikalschnittinformationen bereitgestellt. Die Theorie der Tomosynthese und die Verwendung der tomosynthetischen Wiederherstellung bzw. Rekonstruktion ist ausführlich in der Literatur beschrieben. Unter Verwendung der Tomosynthese ist es möglich, horizontale Schnitte durch Objekte bei unterschiedlichen Fokalebenen bzw. Brennpunktsebenen zu synthetisieren. Der Fachmann kennt Techniken und Vorrichtungen zum Erzeugen derartiger horizontaler Schnittbilder. In diesem Zusammenhang wird auf die US-PSen Nr. 5,594,770, 5,097,492 und 4,688,241 verwiesen. Es ist anzumerken, dass die hierin verwendeten Begriffe horizontales Schnittbild und vertikales Schnittbild Datensätze bezeichnen, die Informationen enthalten, die mit einem Bild im Zusammenhang stehen, das tatsächlich angezeigt oder nicht angezeigt werden kann.
1 zeigt eine BGA-Verbindung mit einer Vielzahl von Positionen von horizontalen Schnittbildern entlang der Z-Achse, die durch gestrichelte Linien gekennzeichnet sind. Obgleich die Erzeugung von horizontalen Schnittbildern beim horizontalen "Durchsehen" durch das Objekt und beim Bestimmen der Qualität einer Lötmetallverbindung vorteilhaft ist, gehen wertvolle Informationen verloren, die die Informationen in den verschiedenen horizontalen Schnitten korrelieren. Wertvolle Defektsignaturinformationen, wie beispielsweise die Signatur von Hohlräumen (Lufttaschen), die sich über mehrere horizontale Schnitte erstrecken können, können in dem horizontalen Schnitt bedeutend verdünnt sein, und zwar je nach der Anzahl von analysierten horizontalen Schnittbildern und dem Abstand zwischen diesen. Im Allgemeinen werden lediglich einige wenige aussagekräftige Schnitte analysiert, und zwar typischerweise beispielsweise in der Ebene Lötauge/Komponente, Ball und Lötauge/Leiterplatte. Hohlräume zwischen horizontalen Schnittbildern können übersehen werden. Die Signatur eines Hohlraums beispielsweise ist jedoch recht stark in dem vertikalen Schnitt, da dieser Informationen aus verschiedenen horizontalen Schnitten einfängt.
Ein weiteres Beispiel ist eine hohe Brücke (high bridge) zwischen zwei Pins einer mit Anschlüssen versehenen Vorrichtung. Da die Brücke nicht auf der Höhe des horizontalen Schnittes des/der Lötauges/Komponente ist, wird dieses bzw. diese oftmals übersehen, da es unpraktisch ist, jeden horizontalen Schnitt zu überprüfen, der erzeugt werden kann. Da es sich bei dem vertikalen Schnitt effektiv um eine Kombination von allen erzeugten horizontalen Schnitten handelt, kann die hohe Brücke detektiert werden.
Andere wertvolle Signaturinformationen, wie beispielsweise nicht-benetzende oder geneigte Komponenten, die in zweidimensionalen Schnitten oder sogar in horizontalen Schnitten nur schwierig zusehen sind, können unter Verwendung der hierin beschriebenen vertikalen Schnitttechnik detektiert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein System, das dazu geeignet ist, Daten zu sammeln, um ein horizontales Schnittbild auszubilden, verwendet, um derartige Daten zu sammeln. Die horizontalen Schnittbilddaten können sodann verwendet werden, um vertikale Schnittbilddaten zu erzeugen, wie dies nachstehend beschrieben wird.
Da jedes der horizontalen Schnittbilder bei verschiedenen Punkten entlang der Z-Achse, jedoch an denselben Punkten entlang der X-Achse und der Y-Achse erzeugt wird, ist es daher möglich, einen vertikalen Schnitt zu rekonstruieren, ohne die horizontalen Schnitte entlang X und Y registrieren bzw. speichern zu müssen. 2 zeigt die Synthese eines vertikalen Schnittes anhand einer Vielzahl von horizontalen Schnitten.
In der Richtung der Z-Achse wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zunächst versucht, das "beste" horizontale Schnittbild für die untersuchten Verbindungen bzw. für die untersuchte Verbindung zu lokalisieren. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine auf Software basierende Technik verwendet, die hierin als die Zfind-Methode bzw. das Zfind-Verfahren bezeichnet wird. Im Allgemeinen weist die Zfind-Methode zwei unterschiedliche bevorzugte Anwendungen auf. Erstens kann sie dazu verwendet werden, den besten horizontalen Schnitt für die Synthese eines vertikalen Schnitts zu identifizieren. Zweitens kann sie dazu verwendet werden, den besten horizontalen Schnitt für die Analyse von Defekten in Lötmetallverbindungen, BGA-Verbindungen, elektrischen Komponenten und dergleichen zu identifizieren. 8 zeigt ein verallgemeinertes Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren zum Untersuchen bzw. Überprüfen einer Verbindung, wie beispielsweise einer BGA-Verbindung, darstellt, das den Schritt des Lokalisierens des besten horizontalen Schnittes umfasst. Weitere Details hinsichtlich der Zfind-Methode werden nachstehend bereitgestellt.
Für die Vertikalschnittanwendung wird die Zfind-Methode zunächst dazu verwendet, die optimalste Position entlang der Z-Achse für die Synthese eines vertikalen Schnittbildes zu liefern, um die Verbindung bzw. die Verbindungen zu überprüfen. Während die Z-Position, die mittels der Zfind-Methode gefunden wird, im Zentrum des erwarteten vertikalen Schnitts gehalten wird, werden sodann mehrere horizontale Schnitte oberhalb und unterhalb des besten Schnittes dazu verwendet, den vertikalen Schnitt zu erzeugen. Ein vertikaler Schnitt wird synthetisiert, indem eine entsprechende Reihe von Pixels von jedem horizontalen Schnitt kombiniert wird, wobei diese übereinander gestapelt werden. Dies kann den vertikalen Querschnitt von beispielsweise der Reihe von Verbindungen einer Vorrichtung an einer bestimmten Position liefern, der durch (X, Y) spezifiziert ist. Es kann erforderlich sein, dass unterschiedliche vertikale Schnitte bei unterschiedlichen Positionen entlang der Y-Achse (X wird konstant gehalten) oder bei unterschiedlichen Positionen entlang der X-Achse (Y wird konstant gehalten) erzeugt werden, und zwar je nach der Orientierung des erwünschten vertikalen Schnittbildes. Der beste vertikale Schnitt kann unter Verwendung einer auf Software basierenden Technik bestimmt werden, die hierin als die XYfind-Methode bezeichnet wird und nachstehend beschrieben wird.
Mehrere Algorithmen werden hierin bereitgestellt, die Defekte auf der Grundlage ihrer Signatur in dem vertikalen Querschnittsbild detektieren. 3 zeigt ein Beispiel für ein vertikales Schnittbild einer geneigten BGA-Vorrichtung. Die Orientierung der Vorrichtung kann automatisch überprüft werden, und zwar unter Verwendung eines automatisierten Defekterkennungssystems, wie beispielsweise dem MV-6000 von der Firma Nicolet Imaging Systems, San Diego, Kalifornien, indem das vertikale Schnittbild hinsichtlich Defektsignaturen analysiert wird. Beispiele für derartige analytische Verfahren werden nachstehend beschrieben.
Zfind: Methode zum Auffinden des horizontalen Schnittes in der Fokalebene
Nachdem eine Reihe von Schnitten erzeugt worden ist, stellt sich die Frage, den richtigen Schnitt auszuwählen, da der Schnitt bei der geeigneten Fokalebene oder der geeigneten Position entlang der Z-Achse hinsichtlich von Defekten untersucht werden muss. Wie vorstehend bemerkt, kann Zfind nicht nur dazu verwendet werden, den besten horizontalen Schnitt für die Synthese eines vertikalen Schnittes zu identifizieren, sondern ebenso kann Zfind dazu verwendet werden, den besten horizontalen Schnitt für die Analyse von Defekten zu identifizieren.
Die Methode von Zfind besteht darin, selektiv, jedoch automatisch den untersuchten Bereich zu segmentieren und die Information zu verwenden, um, wie nachstehend definiert, eine Lötmetallmenge zu berechnen:
Die Summe wird für jedes der horizontalen Schnittbilder berechnet. Die Auswahl der Schnitthöhe muss gemäß dem Sampling-Theorem vorgenommen werden (Sample-Rate <= 2 * Wechselfrequenz). Die Summenwerte sind Signaturwerte für die Schnitte. Diese Signaturwerte werden sodann durchsucht, um ein bestimmtes Muster zu finden, um den "besten" Schnitt zu detektieren. Da es schwierig sein kann, den Untersuchungsbereich genau zu lokalisieren, beispielsweise aufgrund einer Verbiegung, werden horizontale Schnittbilder vorzugsweise bei mehreren Ebenen oberhalb, unterhalb und durch den angedachten Untersuchungsbereich synthetisiert. Das erwünschte horizontale Schrittbild für den bestimmten einen interessierenden Bereich kann sodann unter Verwendung der hierin beschriebenen Zfind-Methode identifiziert werden. Das erwünschte horizontale Schnittbild kann hierin als der "beste" Schnitt bezeichnet werden. Somit ist die Bezeichnung "der beste Schnitt" nicht dazu gedacht, einen qualitativen Vergleich der verschiedenen horizontalen Schnittbilder zu bezeichnen, sondern vielmehr das horizontale Schnittbild zu bezeichnen, das für eine Analyse des einen interessierenden Bereichs an der gewünschten Position entlang der Z-Achse angeordnet ist.
In einem Fall, wo der Untersuchungsbereich beispielsweise ein Teil einer BGA-Verbindung ist, kann der horizontale Schnitt, der durch das Zentrum des Balls verläuft, identifiziert werden, indem die Verteilung der Summenwerte für die synthetisierten horizontalen Schnittbilder überprüft werden. Insbesondere entspricht der Signaturwert in diesem Fall üblicherweise dem ersten signifikanten Peak in der Summenverteilung, nachdem das Rauschen herausgefiltert worden ist. Dieser Schnitt könnte verwendet werden, um Algorithmen für eine Analyse durchzuführen. Ein Schnitt besserer Qualität könnte auf die folgende Art und Weise erhalten werden. Nachdem der auffälligste Peak bestimmt worden ist, wird ein quadratischer Fit kleinster Quadrate verwendet, um diesen Peak und den nächsten Punkt unterhalb des Peaks und den nächsten Punkt oberhalb des Peaks zu fitten. Die Ableitung der gefitteten Gleichung wird gleich Null gesetzt, um das Maximum oder die optimale Höhe zu finden. Ein weiterer Schnitt bei der vorstehend berechneten optimalen Höhe wird mittels desselben ursprünglichen Satzes von achsversetzten Bildern erzeugt. Hierbei handelt es sich um den Schnitt, den die Algorithmen verarbeiten können, um die Signatur der Verbindungen zu analysieren und Defekte aufzufinden. Andere Signaturwerte für andere Typen von Untersuchungsbereichen ergeben sich für den Fachmann bei der Durchsicht dieser detaillierten Beschreibung.
Alternativ kann die Verteilung der Summenwerte durchsucht werden, um die Position entlang der Z-Achse aufzufinden, wo die Menge des Lötmetalls in dem Untersuchungsbereich, wie vorstehend berechnet, unter das Rauschniveau fällt. Diese Position entlang der Z-Achse würde im Allgemeinen der Ebene der Schnittstelle Lötauge/Anschluss entsprechen.
Um die Wahrscheinlichkeit für einen Erfolg bei der Identifizierung des besten Schnittes zu erhöhen, werden vorzugsweise einige unverdeckte Ankervorrichtungen bzw. Verankerungsvorrichtungen identifiziert. Die unverdeckten Ankervorrichtungen ermöglichen es, den Suchbereich zu beschränken, wodurch die Genauigkeit und die Geschwindigkeit verbessert wird.
Vertikale Schnitte
Der Vorgang zum Erzeugen eines vertikalen Schnittes, v, mittels der gegebenen horizontalen Schnitte u1,u2,u3....un ist folgendermaßen. Der horizontale Schnitt u1,u2,...,un ist definiert als
wobei i = Zahl des Schnittes und m,n Reihen und Spalten in jedem horizontalen Schnitt sind. Der vertikale Schnitt, v, kann sodann folgendermaßen definiert werden:
wobei z die Anzahl der horizontalen Schnitte ist und u1[0][0], u2[0][0], u3[0][0], ..., uz[0][0] entsprechende Pixels aus allen Schnitten sind.
Sobald die vertikale Schnittinformation synthetisiert worden ist, kann diese analysiert werden, um Defekte zu detektieren. 7 zeigt ein verallgemeinertes Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Kontrollverfahren bzw. Überprüfungsverfahren darstellt, das die Vertikalschnittabbildung verwendet. Hinsichtlich des Schrittes des Analysierens des vertikalen Schnittbildes werden nachstehend mehrere bevorzugte Methoden, die beispielsweise hinsichtlich einer BGA-Verbindung verwendet werden können, beschrieben, um Defekte aufgrund ihrer Signatur in einem vertikalen Schnitt zu detektieren.
1. Offener oder angehobener Ball/Anschluss
Wie sich 4 entnehmen lässt, kann eine Messung der Höhe (h) des Balls in einer BGA-Verbindung verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Ball offen oder angehoben ist. Eine bevorzugte Methode bzw. ein bevorzugtes Verfahren fährt folgendermaßen fort. Ein rechteckiges Fenster wird vertikal über den vertikalen Schnitt einer Verbindung angeordnet. Ein Profil der Verbindung in dem Untersuchungsbereich wird bestimmt. Diese Daten in jeder der Spalten in einer Reihe werden gemittelt, um einen Punkt in einem resultierenden Profilvektor, P, zu liefern. Dies wird für alle Reihen des Profils durchgeführt. Der resultierende Vektor wird sodann verwendet, um einen Differenzvektor zu berechnen, der folgendermaßen definiert ist diff_vector = p[I] – p[I + 2] für I = 0,N, wobei N die Anzahl der Reihen des Profils ist. Die Differenz hinsichtlich der Positionen des Maximums und des Minimums liefert die Höhe in Pixeln. Die gemessene Höhe kann mit einem Schwellenwert verglichen werden, um eine qualitative Einschätzung der Verbindung zu liefern. Die Position von jedem der Anschlüsse könnte berechnet werden, indem der Mittelpunkt zwischen der Maximumposition und der Minimumposition berechnet wird. Ein Vergleich der relativen Positionen der Mittelpunkte liefert defekte Pins.
2. Ungenaue Filette
Eine Messung der Breite (w) bei unterschiedlichen Höhen der Anschlüsse und der Filette kann vorgenommen werden, um zu bestimmen, ob die Filette passend ausgebildet ist. Dies kann gemessen werden, indem ein rechteckiges Fenster über den vertikalen Schnitt einer Lötmetallverbindung angeordnet wird und dessen Breite bei dieser Position gemessen wird. Dies wird sodann vorzugsweise bei mehreren Punkten entlang der Z-Achse wiederholt, einschließlich der Punkte, die den Lötaugen, der Filette und der Ballmitte entsprechen. Die maximalen und die minimalen Breiten würden anzeigen, ob die Verbindung Defekte aufweist, beispielsweise würde ein Mangel an Filette an der Kante des Balls eine kleinere Breite liefern.
3. Hohlräume
Die Position eines Hohlraums und dessen Messung sind gut koordiniert. Der Hohlraum wird ohne Weiteres in einem vertikalen Schnitt lokalisiert und dessen Größe in Pixeln gemessen. Ein Verfahren zum Detektieren von Hohlräumen läuft folgendermaßen ab. Die Hohlraumfläche wird zunächst segmentiert. Eine Segmentierung, wie diese hierin verwendet wird, bezeichnet das Unterteilen eines Bereichs, der einen interessiert, in Segmente oder Flächen, so dass jedes Segment bzw. jede Fläche eine Eigenschaft aufweist, die dieses bzw. diese von deren Nachbar unterscheidet. In diesem Fall erscheint die Fläche des Hohlraums in dem Bild sehr viel heller als der Hintergrund, wobei es sich um Lötmetall und/oder den Ball handelt. Die Hohlraumbereiche müssen dahingehend identifiziert werden, dass diese in einem Grauintensitätsbereich liegen. Der segmentierte Bereich wird sodann hinsichtlich der Konnektivität folgendermaßen überprüft. Alle Pixel, die das in Frage stehende Pixel umgeben, werden verbunden. Ein Satz von Pixeln in einem Bereich wird als verbunden angesehen, wenn jedes Pixel in diesem Bereich mit allen anderen Pixeln in diesem Bereich verbunden ist. Unter verbunden wird verstanden, dass in einem Bereich S ein Pixel p und ein Pixel q verbunden sind, wenn ein Weg von p nach q besteht und sowohl p als auch q zu dem Satz von Pixeln im Bereich S gehören. In einigen Fällen können mehrere Hohlräume aufgefunden werden. Jeder dieser Hohlräume wird isoliert und seine Größe wird für die Analyse berechnet. Der Bereich um die Verbindung kann manchmal zusammen mit dem Hohlraum segmentiert werden. Dieser Bereich um die Verbindung muss verworfen werden, da es sich hierbei nicht um einen Hohlraum handelt.
4. Geneigte Vorrichtung
Eine geneigte Vorrichtung kann ohne Weiteres gemessen werden, indem in dem vertikalen Schnitt die Pins an gegenüberliegenden Enden der Vorrichtung (oder irgendwelche oder alle dazwischen liegenden Pins) gemessen werden und der Winkel zwischen diesen entweder mittels einfacher Trigonometrie oder mittels einer Regressionsanalyse berechnet wird.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Identifizieren einer geneigten Vorrichtung erfolgt folgendermaßen. Eine Lokalisierungsvorrichtung, wie diese unter dem vorstehenden Punkt 2 definiert worden ist, wird verwendet, um das Zentrum der Verbindung zu lokalisieren. Sobald die Zentren von allen Verbindungen, die einen interessieren, lokalisiert worden sind, werden die Werte als die Position entlang der Z-Achse zusammen mit den Positionen entlang der X- und der Y-Achse, die mit derselben Lokalisierungsvorrichtung, wie vorstehend beschrieben, gewonnen werden, einer lineare Gleichung, wie beispielsweise der nachstehenden Gleichung, bereitgestellt: z[I] = a*x[I] + b*y[I] + c,wobei
I = Verbindungszahl 1,N;
a, b, c Koeffizienten sind, die mittels der Daten bestimmt werden, und
x[I],y[I],z[I] die Position entlang der X-, Y-, Z-Achse der Verbindung ist.
Das Berechnen von (dz/dx) und (dz/dy) stellt ein Maß für die Neigung der Vorrichtung bereit.
3 zeigt ein vertikales Schnittbild einer geneigten BGA-Vorrichtung und 5 zeigt ein alternatives Verfahren zum Analysieren der vertikalen Schnittbilddaten. Wie sich 5 entnehmen lässt, kann eine geneigte Vorrichtung identifiziert werden, indem die Zentren von Bällen an gegenüberliegenden Enden der BGA-Vorrichtung identifiziert werden und die Positionen entlang der Z-Achse der Ballzentren verglichen werden.
5. Brücken
Die Positionen von Brücken in unterschiedlichen Ebenen zwischen zwei Verbindungen können in einem vertikalen Schnitt wirksam erkannt werden. Dieser Defekttyp kann übersehen werden, wenn lediglich einige der horizontalen Schnitte betrachtet werden, um eine effektive Bestimmung des Vorhandenseins oder der Abwesenheit einer Brücke zu machen. Ein bevorzugtes Verfahren läuft folgendermaßen ab: Ein rechteckiges Fenster mit einer Größe, die in etwa der Höhe des vertikalen Schnitts und dem Abstand in der Breite entspricht, wird zwischen den Verbindungen angeordnet. Der Bereich wird segmentiert, um die Brücke zu isolieren. Die Anzahl von segmentierten Pixeln in allen Reihen jeder Spalte wird gezählt. Wenn alle Spalten positive (> 0) Zählungen aufweisen, dann fasst man die beiden Verbindungen als durch eine Brücke verbunden auf.
6. Ungenügend/überschüssiges Lötmetall
Die Menge von Lötmetall kann bei unterschiedlichen Ebenen des/der Anschlusses/Filette berechnet werden, um die Qualität der Filette zu bestimmen. Dies kann dabei behilflich sein, unzureichende Filette zu bestimmen.
Ein bevorzugtes Verfahren läuft folgendermaßen ab: Ein rechteckiges Fenster wird über der Verbindung bei 3 Positionen angeordnet – Lötauge, Filette und Ball. Der Bereich, der einen interessiert, wird extrahiert. Die Lötmetallmenge wird folgendermaßen berechnet:
wobei i die Intensität des Pixels und h das Histogramm des Pixels ist.
Zusätzliche BGA-Messtechniken
Da zirkuläre Komponenten des BGA- und des FCA-Typs immer populärer werden, gibt es einen immer größeren Bedarf für automatisierte Überprüfungen dieser Raster-Arrays (grid arrays). Eine der maßgeblichen Eigenschaften von BGAs oder FCAs ist deren runde Form. Eine gut ausgebildete BGA-Verbindung ist kreisförmig. Daher zeigt die Abweichung der BGA- oder FCA-Verbindung von einem erwarteten Kreis die Güte der Verbindung an. 9 zeigt ein Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren zum Überprüfen bzw. zur Kontrolle einer BGA-Verbindung darstellt. Nachstehend wird das bevorzugte Verfahren zum Einschätzen der Qualität einer solchen Verbindung beschrieben:

1. Die BGA-Verbindung wird durch irgendeine auf Schwerpunkten basierende Groblokalisierungsvorrichtung lokalisiert. Bei dieser Position handelt es sich um einen guten Ausgangspunkt für den nachstehenden Schritt 2. Die Pixel, die den BGA-Ball repräsentieren, werden segmentiert oder von dem Hintergrundsbild (in diesem Fall beispielsweise eine Leiterplatte) getrennt. Die x-Positionen von allen segmentierten Pixeln werden sodann summiert und sodann durch N geteilt (wobei N die gesamte Anzahl von segmentierten Pixeln darstellt)
Die y-Positionen von allen segmentierten Pixeln werden sodann summiert und sodann durch N geteilt (wobei N die gesamte Anzahl von segmentierten Pixeln darstellt)
Die XY-Position der Verbindung kann nicht gut genug sein, da ein Hohlraum oder andere Artefakte in dem Bild eine bedeutende Abweichung von dem tatsächlichen Zentrum des Objekts bewirken können. Eine Feinlokalisierungsvorrichtung ist dann erforderlich, um eine bessere Position zu finden.
2. Eine Feinlokalisierungsvorrichtung wird verwendet, um die in dem vorstehenden Paragraph 1 gefundene Position zu verbessern. Diese Position muss trotz eines Rauschens und trotz eines Durcheinanders (clutter) in dem Bild oder trotz Holräumen in dem Ball gut sein. Eine bevorzugte Feinlokalisierungsvorrichtung wird mit BGA-Refine dargestellt, die nachstehend im Software-Appendix 1 beschrieben wird. Wie in 6 dargestellt, werden Lokalisierungsfenster positioniert, indem das lokalisierte Zentrum der Verbindung berücksichtigt wird. Die Versetzungen der Lokalisierungsfenster werden auf der Basis des Durchmessers des Balls berechnet. Die Ballkanten werden unter Verwendung rechteckiger Lokalisierungsfenster bei vier Positionen entlang der X-Achse angeordnet, die durch das Zentrum des Balls verlaufen, sowie an vier Positionen entlang der Y-Achse, die durch das Zentrum des Balls verlaufen. An jeder der acht Positionen wird die Ballkante detektiert, indem ein 5-Punktableitungsfinder auf beiden Seiten des Balles verwendet wird, wie dies in 6 dargestellt ist, und das Zentrum als der Mittelpunkt der zwei Positionen bestimmt wird. Die x-Positionen der Fenster 5, 6, 7 und 8 werden gemittelt, um die neue x-Position zu liefern. Die y-Positionen der Fenster 1, 2, 3 und 4 werden gemittelt, um die neue y-Position zu liefern. Die neue x-, y-Position ist das Zentrum des Balls. Die 5-Punktableitung ist nachstehend definiert. Alle Pixel in einem der vorstehenden Fenster werden extrahiert. Im Falle eines Fensters in der x-Richtung wird ein Spaltenprofil gefunden, indem alle Pixels in allen Reihen für irgendeine bestimmte Spalte gemittelt werden. Dies wird für alle Spalten durchgeführt, um ein Profil zu liefern. Eine 5-Punktableitung wird sodann auf das gesamte Profil folgendermaßen angewendet: Out[I] = 2*(P[I + 4] – P[I]) + (P[I + 3] – P[I + 1]) für (I = 1, Größe des Profils)
3. Sobald die Verbindung genau lokalisiert worden ist, wird der Durchmesser der BGA bei 4 oder mehr unterschiedlichen Winkeln gemessen. Wenn die Anzahl der verwendeten Winkel gesteigert wird, dann erhöht sich die Berechnungszeit, wobei sich jedoch die Genauigkeit der qualitativen Bestimmung ebenso erhöht. Die gemessenen Durchmesser werden notiert. Der tatsächliche Durchmesser des Balls wird bereitgestellt. Die Abweichung der gemessenen Durchmesser von den erwarteten Durchmessern wird durch eine Summe der Quadrate der Abweichungen gemessen. Mit anderen Worten: die Abweichung beträgt
wobei

D

= erwarteter Durchmesser von jedem Ball

d[i]

= gemessene Durchmesser für (i = 1,N)

N

= Anzahl der Durchmessermessungen.

Der vorstehend erhaltene Wert ist die Summe der Quadrate der Fehler aufgrund der Abweichung der Filettenform von dem erwarteten Idealfall. Je kleiner die Summe ist, umso besser ist die Verbindung. "Gute" BGA-Filetten weisen einen Wert in der Nähe von 0 auf, während "schlechte" große Werte aufweisen. Die tatsächliche Trennung kann statistisch mittels der Verteilung der Daten hinsichtlich "guten" und "schlechten" Verbindungen bestimmt werden. Zum Zweck des Bereitstellens zusätzlicher Details hinsichtlich einer momentan bevorzugten Ausführungsform ist eine Ausführungsform einer auf Software basierenden Lösung für diese Bestimmung der Lötmetallqualität im nachstehenden Software-Appendix 2 bereitgestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dieses Verfahren zum Bestimmen der Qualität einer BGA-Verbindung auf Daten von einem synthetisierten horizontalen Schnittbild angewendet. Alternativ kann das Verfahren auf ein tatsächliches Schnittbild angewendet werden, das unter Verwendung einer durchdringenden Strahlungstechnik erzeugt worden ist, wie beispielsweise Laminographie.
XYfind: Verfahren zum Finden des richtigen vertikalen Schnittes
Wie vorstehend bemerkt, kann die Tomosynthese verwendet werden, um horizontale Schnittbilder durch ein Objekt bei unterschiedlichen Fokalebenen zu synthetisieren. Mittels dieser Daten, die in den horizontalen Schnittbildern enthalten sind, können unterschiedliche vertikale Schnittbilder in einem Bereich erzeugt werden, der einen interessiert, indem die Position entlang der X-Achse oder entlang der Y-Achse verschoben wird. Eine bevorzugte Technik zum Finden der richtigen Position, an der der vertikale Schnitt vorzunehmen ist, wird durch das nachstehende Verfahren bereitgestellt.
Das Verfahren XYfind besteht darin, selektiv, jedoch automatisch den Bereich der Verbindung zu segmentieren und die Informationen zu verwenden, um eine Lötmetallmenge zu berechnen, wie dies nachstehend definiert ist:
Die Summenwerte werden für jedes Bild der vertikalen Schnittbilder berechnet. Das Sampeln der Schnitte muss gemäß dem Sampling-Theorem bzw. Abtast-Theorem durchgeführt werden (Samplerate <= 2 * Wechselfrequenz). Die Summenwerte sind Signaturwerte für die Schnitte. Diese Signaturwerte werden sodann durchsucht, um ein bestimmtes Muster zu finden, um den besten Schnitt zu detektieren. Das erste signifikante Maximum ist die ungefähre Position des optimalsten Schnitts. Die Signaturwerte dieses Schnitts und dessen Position entlang der Z-Achse werden zusammen mit den Werten und der Position eines Schnitts oberhalb und eines Schnitts unterhalb des auffälligsten Maximums genommen. Unter Verwendung des Fit-Verfahrens der kleinsten Quadrate wird das Modell einer quadratischen Gleichung an die Daten gefittet und deren Maximum wird bestimmt, indem die Ableitung gleich Null gesetzt wird. Der Suchbereich für das optimalste X (oder Y) ist durch die Anschlussbreite oder den Balldurchmesser und den Abstand der Vorrichtung definiert. Hierbei handelt es sich um den Suchbereich auf beiden Seiten der Verbindung oder der Reihe von Verbindungen, die in Frage stehen. Um die Erfolgswahrscheinlichkeiten für das Identifizieren des besten Schnittbildes zu erhöhen, werden vorzugsweise einige unverdeckte Ankervorrichtungen identifiziert. Die unverdeckten Anker erlauben es, den Suchbereich zu beschränken, was die Genauigkeit und die Geschwindigkeit des Prüfens steigert.
Software-Appendix 1:
Software-Appendix 2:

Claims

Prüfverfahren unter Verwendung von Vertikalschnittabbildung, wobei das Prüfverfahren die folgenden Schritte umfasst: das Sammeln von Daten, die einer Vielzahl von horizontalen Schnittbildern entsprechen, die sich durch ein Untersuchungsobjekt erstrecken, wobei der Schritt des Sammelns von Daten das Aufbringen von durchdringender Strahlung auf das Untersuchungsobjekt und das Detektieren von Strahlung umfasst, die durch das Untersuchungsobjekt durchtritt, das Definieren eines vertikalen Untersuchungsbereichs mittels der Daten, wobei der Schritt des Definierens des vertikalen Untersuchungsbereichs das Lokalisieren eines besten horizontalen Schnittbildes, das durch den Untersuchungsbereich verläuft, sowie das Lokalisieren eines besten vertikalen Schnittbildes umfasst, und Erzeugen eines vertikalen Schnittbildes auf der Basis von Daten, die aus dem vertikalen Untersuchungsbereich stammen.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens des vertikalen Schnittbildes das Zusammensetzen des vertikalen Schnittbildes aus horizontalen Schnittbildern oberhalb und unterhalb des besten horizontalen Schnittbildes umfasst.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Lokalisierens des besten horizontalen Schnittbildes das Berechnen einer Lötmetallmenge für wenigstens zwei horizontale Schnittbilder innerhalb von jedem Bild der wenigstens zwei horizontalen Schnittbilder umfasst.
Prüfverfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Lokalisierens des besten horizontalen Schnittbildes ferner das Überprüfen einer Verteilung der berechneten Lötmetallmengen umfasst.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Lokalisierens des besten horizontalen Schnittbildes das Identifizieren einer oder mehrerer Ankervorrichtungen in den horizontalen Schnittbildern umfasst.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Definierens des vertikalen Untersuchungsbereichs das Lokalisieren eines besten vertikalen Schnittbildes umfasst.
Prüfverfahren nach Anspruch 6, wobei das Lokalisieren des besten vertikalen Schnittbildes das Berechnen einer Lötmetallmenge für wenigstens zwei vertikale Schnittbilder innerhalb von jedem Bild der wenigstens zwei vertikalen Schnittbilder umfasst.
Prüfverfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Lokalisierens des besten vertikalen Schnittbildes ferner das Überprüfen einer Verteilung der berechneten Lötmetallmengen umfasst.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren den weiteren Schritt des Analysierens des vertikalen Schnittbildes umfasst, um zu bestimmen, ob ein Defekt vorhanden ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 9, wobei das Analysieren des vertikalen Schnittbildes das Bestimmen umfasst, ob eine BGA-Verbindung angehoben ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 10, wobei das Bestimmen, ob die BGA-Verbindung angehoben ist, umfasst: das Bestimmen eines Höhenmaßes der BGA-Verbindung und das Vergleichen der Höhe mit einem Schwellenwert.
Prüfverfahren nach Anspruch 10, wobei das Bestimmen, ob die BGA-Verbindung angehoben ist, umfasst: das Berechnen eines Mittelpunkts für eine Vielzahl von benachbarten BGA-Verbindungen und das Vergleichen von wenigstens zwei der berechneten Mittelpunkte miteinander.
Prüfverfahren nach Anspruch 9, wobei das Analysieren des vertikalen Schnittbildes das Bestimmen umfasst, ob eine Lötmetallfilette richtig ausgebildet ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 9, wobei das Analysieren des vertikalen Schnittbildes das Bestimmen umfasst, ob ein Hohlraum vorhanden ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Bestimmens einer Größe des Hohlraums umfasst, wenn der Hohlraum vorhanden ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 9, wobei das Analysieren des vertikalen Schnittbildes das Bestimmen umfasst, ob eine Vorrichtung geneigt ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 9, wobei das Analysieren des vertikalen Schnittbildes das Detektieren umfasst, ob eine Brücke vorhanden ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 9, wobei das Analysieren des vertikalen Schnittbildes das Detektieren umfasst, ob eine unzureichende Menge von Lötmetall vorhanden ist.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Überprüfung einer BGA-Verbindung, folgende Schritte umfassend: das Auffinden eines Orts der BGA-Verbindung, das Verbessern des Orts unter Verwendung einer Feinlokalisierungsvorrichtung, das Messen einer Vielzahl von Durchmessern durch die BGA-Verbindung bei vorgegebenen Winkeln in einem Schnittbild und das Anwenden einer Regel, um die gemessenen Durchmesser mit einem erwarteten Durchmesser zu vergleichen.
Verwendung nach Anspruch 19, wobei die Vielzahl von Durchmessern an dem lokalisierten Zentrum der BGA-Verbindung gemessen werden.
Verwendung nach Anspruch 19, wobei der Schritt des Auffindens der Position der BGA-Verbindung das Anwenden einer schwerpunktbasierten Groblokalisierungsvorrichtung auf das Schnittbild umfasst.
Verwendung nach Anspruch 19, wobei die Feinlokalisierungsvorrichtung umfasst: das Aufbringen einer Vielzahl von Lokalisierungsfenstern über der BGA-Verbindung, das Lokalisieren von zwei Ballkanten innerhalb eines Lokalisierungsfensters und das Bestimmen eines Mittelpunkts zwischen den zwei Ballkanten.
Verwendung nach Anspruch 22, wobei das Lokalisieren von zwei Ballkanten innerhalb eines Lokalisierungsfensters das Anwenden einer Ableitungskantensuchvorrichtung auf einer der beiden Seiten der BGA-Verbindung umfasst.
Verwendung nach Anspruch 23, wobei der Schritt des Lokalisierens von zwei Ballkanten innerhalb des Lokalisierungsfensters für jedes Fenster der Vielzahl von Lokalisierungsfenstern wiederholt wird.
Verwendung nach Anspruch 19, wobei die Regel das Berechnen einer Summe in der folgenden Form umfasst:
wobei D ein erwarteter Durchmesser ist und d[i] die gemessenen Durchmesser sind.
Verwendung nach Anspruch 25, wobei die Regel ferner das Vergleichen der Summe mit einem Schwellenwert umfasst.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Lokalisierens eines besten horizontalen Schnittbildes aus der Vielzahl von horizontalen Schnittbildern umfasst: das Berechnen einer Lötmetallmenge innerhalb von jedem Bild der wenigstens zwei horizontalen Schnittbilder für wenigstens zwei der horizontalen Schnittbilder und das Überprüfen einer Verteilung der berechneten Lötmetallmengen.