這兩年【3D X-Ray】商業應用變得越來越有看頭了，而且投入研發的廠商也越來越多，所以機臺費用也就越來越便宜，但還不到親民的程度就是了。另外，擁有【3D X-Ray】的實驗室(Lab)也越來越多，深圳宏力捷接觸過的在臺灣就至少有兩家實驗室有【3D X-Ray】。

【3D X-Ray】顧名思義就是具有可以使用X-Ray成像3D圖檔的能力，所以這項技術一般也稱為【CT（Computerize Tomography) Scan，電腦斷層掃描】，這名稱怎么似曾相似，是的，這就跟我們在醫院經常聽到的【CT】用來做人體「電腦斷層掃描」是類似的儀器。

 

2D X-Ray的能力有限

相信大家都很清楚，現在一般普遍PCBA電子工廠內已經存在的【2D X-Ray】能做的事情非常有限，大概就是看看積體電路IC內的金線或銅線的「wire bond」有無斷線、斷頭，電路板的線路(trace)有無明顯的短路，以及BGA、QFN或LGA這類焊點藏在零件本體下方的零件有無焊接短路，再來就是檢查氣泡(bubble)、孔洞(void)的大小有無超標…等現象。

 

而真正讓PCBA電子工廠制程傷腦筋的HIP(枕頭效應)、NWO(Non-Wet-Open)、Crack…等不良現象難以用原來的【2D X-Ray】探查出來，雖然還是可以透過某些個人經驗使用【2D X-Ray】來判斷BGA有否空焊，但畢竟其能力真的非常有限。

 

3D X-Ray CT 的基本原理與優點

【3D X-Ray CT】基本上會以45°/60°傾斜角旋轉360°掃描樣品一圈，基本上掃描一張普通的3D的X-Ray圖片大概得花10～15分鐘來做事前的淮備動作，然后花15～20分鐘掃描，然后再花5～10分鐘來組合一張3D圖，所以要做出一張3D的X-Ray圖片大概得花30分鐘。

 

也因為3D影像是透過軟體一層層將2D的影像合成3D圖，所以只要使用合適的軟體就可以對待測物體內部結構逐一切割及顯現不同深度的各層圖像，精確使用的話也可以將微小缺陷能更清晰地顯現出來，進而達到判別缺陷的目的。

 

所以現在的【3D X-Ray CT】基本上可以比之前的【2D X-Ray】做到更精細的X-Ray掃描并呈現出3D的立體影像結果，因此可以比較簡單的就檢查到BGA的HIP(枕頭效應)、NWO(Non-Wet-Open)這兩個外觀比較明顯的焊接缺點，但如果是微裂紋(micro crack)則取決于我們對crack位置精度的掌握了。

 

之所以這么說是因為每一次的【3D X-Ray】掃描大概都得花費30分鐘左右的時間來完成一張立體圖，如果想看「微裂紋」還得提高掃描的解析度，也就是得將掃描的區域限制在一～四顆錫球左右的大?。ㄒ曃⒘鸭y縫隙大小而定），所以整體掃描下來可是很累人，也是時間的，如果是委外實驗室，這個費用可不便宜，掃描一張圖片大概得花NT15,000~NT30,000（不保證）不等。

 

3D X-Ray CT 的主要應用，可以幫我們做到什么事

要了解【3D X-Ray CT】可以怎么用就必須先了解X-Ray成像的特性基本上與被探查材料的下列三個特性有著極大的關系：

?　化學周期表上的原子序

?　密度

?　厚度

這個其實也很好理解，一般來說原子序越大的材料，表示其原子的組成就越大，X-Ray就越難以穿越，所以成像也就越黑，密度及厚度也都是類似的道理，因為X-Ray就是一種能量，阻礙越大就越不容易通過。

 

所以IC封裝中如果有孔洞、氣泡，因為黑膠與孔洞有著明顯的密度差異，所以可以很清楚的用X-Ray分辦出孔洞的位置，而IC封裝中的金線（金的原子序：79）、銅線（銅的原子序：29）也可以很明確的與硅晶片（硅的原子序：14）做出區別，但如果是COB打鋁線就很難與硅晶片做出區別了（鋁的原子序：13），因為兩者的原子序太過相近。

 

【3D X-Ray CT】的主要應用：

?　IC封裝中的缺陷檢驗如：打金線的完整性檢驗、黑膠的裂痕、銀膠及黑膠的氣泡。

?　印刷電路板及載板制程中可能產生的缺陷，例如：線路對齊不良或橋接以及開路、電鍍孔制程品質檢驗、多層板各層線路配置分析。

?　各式電子產品中可能產生的開路，短路或不正常連接的缺陷檢驗。 

?　錫球陣列封裝及覆晶片封裝中錫球的完整性檢驗：比如錫球變形、錫裂、錫球空冷銲、錫球短路、HIP、NWO、錫球氣泡。

?　密度較高的塑膠材質破裂或金屬材質空洞檢驗。

?　各式主、被動元件檢測分析。

?　各種材料結構檢驗分析。比如：合金的材質分析、玻璃纖維編織角度分析

 

【3D X-Ray CT】的其他應用：

?　逆向工程： 

其實【3D X-Ray CT】除了可以拿來檢查一些我們看不到的地方，它其實還可以拿來做逆向工程分析，比如說有些使用超音波黏死的殼子或是某些特殊技巧防止拆解的工藝，大部分都可以使用【3D X-Ray CT】將之一層一層解開。

?　成品檢查： 

這個一般用在精密機械加工件，有些尺寸及精度要求比較高的工件，可以使用【3D X-Ray CT】來做全尺寸檢查，合成3D圖形后可以與原來的3D規格檔做比較，從而判斷允收或不良需要重工與否。

 

【3D X-Ray CT】的注意事項：

?　大部分的【3D X-Ray CT】都會限制樣品尺寸的大小，不過一般手機板都可以整個放進去，沒問題，但最好還是先確認一下尺寸。

?　一般【3D X-Ray CT】掃描的時候會設定一個焦距的中心，距離中心越近的地方照出來的X-Ray會越清晰，而距離焦距中心越遠的地方，就會越有模糊的Fu。

?　一般的掃描大概需要30分種成像一張圖，但某些更精細的要求也可以3～4小時才會出來一張圖，基本上與取圖的頻率有關系，這個要是先溝通好。

?　一般【3D X-Ray CT】機器的能力可以從kV/W的做初步判斷，數字越大能量越強，也就越有能力穿過更厚、密度更高的材料，當然雜訊排除能力也是重點。

?　一般的【3D X-Ray CT】的影像解析度都可以達到0.5~0.7um(微米)及nm(奈米)級的體素能力，但就如同前面篇幅所續，要達到最佳能力必須限縮在一定的范圍內。
 

下圖為使用【3D X-Ray CT】掃描BGA封裝后指定觀察的側面錫球品質結果。 

 

下圖為使用【3D X-Ray CT】掃描BGA封裝后指定觀察PCB面的錫球品質結果。 

 

下圖為其他案例有錫球破裂(Crack)使用CT掃描后所呈現出來的樣貌。