Технически Университет – София

Факултет по електронна техника и технологии Катедра „Микроелектроника”

маг. инж. Георги Александров Фърков

Оптимизиране на процедурите за контрол при повърхностния монтаж

АВТОРЕФЕРАТ на дисертационен труд за придобиване

на образователна и научна степен „Доктор”

по професионално направление

5.2 Електротехника, електроника и автоматика,

[Научна специалност: „Технология на електронното производство“]

Научен ръководител:

доц. д-р инж. Валентин Христов Видеков

Рецензенти:

1. проф. дтн инж. Стефан Иванов Куцаров

2. доц. д-р инж. Светозар Кръстев Андреев

СОФИЯ, 2016г.

2

Дисертационният труд е обсъден на заседание на катедрения съвет на катедра

„Микроелектроника“ към Факултет по електронна техника и технологии при Технически

Университет – София, проведено на 29.06.2016 г. (Протокол №7) и завършило с

положително решение за готовността за защита.

Научното жури и датата на защита са определени със заповед на Ректора на Технически

Университет – София № ОЖ-297/13.07.2016 г.

Авторът маг. инж. Георги Александров Фърков е задочен докторант в катедра

“Микроелектроника” на Технически Университет – София.

Защитата на дисертационния труд ще се състои на 07.11.2016 г. (понеделник) от 15:00

часа в конферентната зала на Библиотечно-информационния център (БИЦ) на Технически

университет – София.

Материалите по защитата се намират в канцеларията на Факултет по електронна техника

и технологии, блок 1, стая 1332А на Технически Университет - София.

Автор: маг. инж. Георги Александров Фърков

Заглавие: “Оптимизиране на процедурите за контрол при повърхностния монтаж”

Тираж: 30 бр.

Печатна база при Технически Университет - София

3

I. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Актуалност на темата

През последните 15-20 години сме свидетели на непрестанното развитие на електронните

и микроелектронните технологии [4]. С все по-широкото навлизане на пазара на портативни

и мобилни устройства, както и с все по-голямата роля на електрониката в различни области

като автомобилостроенето, медицината, индустриалната автоматизация и т.н., нараства

необходимостта от миниатюрна елементна база [7, 8], нови видове носители [6, 9], а оттам и

все повече средства за анализ и контрол.

Основен въпрос, който остава на дневен ред, е как времето и разходите за контрол да

бъдат оптимизирани и сведени до един разумен минимум. От една страна това е възможно с

детайлно анализиране на познатите методи за контрол [21] и предлагането на нови или

подобрени такива. Също така удачно би било да се предложат адекватни

решения/инструменти, с които човешката намеса се минимизира във времето и

необходимостта от висококвалифициран персонал не е толкова честа.

Цел и задачи на дисертационния труд

Целта на дисертационен труд е да бъдат изучени, анализирани и оптимизирани

процедурите за контрол на качеството в технологията на повърхностен монтаж във фирма

Фесто Производство ЕООД. Фокусът на изследванията и предложените подобрения ще бъде

главно върху процеси, които са бавни, скъпи и процеси изискващи подобрено качество на

анализ. Основното внимание ще бъде насочено към процесите за контрол свързани с

технологията на повърхностния монтаж, както и възможността на някои процеси да бъдат

прилагани и за други цели.

След направен анализ и отчитайки поставената цел авторът е формулирал следните

задачи:

1. Разработка на алгоритми и програми за автоматична оценка на геометрични размери

на панели с голям брой мултиплицирани платки. За целта е необходимо да се

проучат възможностите и да се използва мултисензорна трикоординатна

измервателна машина (ако е приложимо).

2. Създаване на графичен потребителски интерфейс за стартиране и конфигуриране на

измервателни програми от оператор (не е необходимо присъствието на специалист)

на мултисензорна трикоординатна измервателна машина. Необходима е и разработка

на формат на измервателния протокол, при който резултатите са прегледно /

4

специфицирано (по определен критерий) / представени, т.е. има вариант за

идентифициране на резултатите за всяка измерена платка.

3. Разработка на оптимизиран метод за изготвяне на металографски шлифове на

електронни компоненти и модули (образци с различни материали различаващи се по

физикомеханични свойства).

4. Определяне на методика за оценка режимите за обработка на металографски

шлифове на електронни компоненти и модули.

5. Определяне на алгоритъм за избор на режим за цифрово заснемане на металографски

шлифове – избор на тъмно или светло поле.

Структура и обхват на дисертационния труд

Дисертационният труд включва въведение, четири глави, заключение (обобщение на

приносите), списък на публикациите свързани с дисертационния труд и списък на

използваните литературни източници.

Публикуване на резултатите от дисертационното изследване

Авторът има 10 публикации свързани с дисертационния труд, като една е самостоятелна, а

останалите са в съавторство. Седем от работите са докладвани на международни научни

конференции - една в чужбина и шест в България, три статии са публикувани в български

списания.

II. СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Въведение

Технологията на повърхностния монтаж е водеща при производството на електронна,

комуникационна, компютърна, автомобилна и друга апаратура. Самата тя използва прoцеси

от машиностроене, роботика, химия, математика и други. През последните години се

създават нови типове корпуси на елементите, така че да са възможно най-малки или да е

възможно побирането на максимален брой изводи. В значителна степен това прави

съвременните печатни платки достатъчно комплексни и предизвикателни за процесните

инженери [10, 11]. На много стъпки от производствения процес, е необходимо провеждане

на качествен контрол [14, 15, 16], т.е. едно електронно производство в наши дни наред със

съвременните технологии на всяка цена се нуждае от инженери по качеството (напр.

специалисти по анализ на отказите), тясно специализирани кадри в областта на

материалознанието, от различни техники за контрол и възможност за извършване на широка

гама изследвания.

5

Глава 1 – Литературен обзор

В първата глава на дисертацията е разгледана технологията на повърхностен монтаж (SMT),

като е направен исторически преглед, обяснена е разликата спрямо конвенционалния монтаж

на компоненти в проходни отвори, представени са различните видове корпуси на

компоненти (Фиг.1.1.1), видовете изделия (Фиг.1.1.4.) и тенденции в SMT. Обърнато е

особено внимание на основните процесни стъпки като отпечатване на спойваща паста

(Фиг.1.1.6 и Фиг. 1.1.7.), поставяне на компонентите, спояване, както като оборудване, така и

като технологични особености [22].

Фиг.1.1.1. – Повърхностно монтирани

компоненти

Фиг.1.1.4. – Основни видове изделия при

технологията на повърхностен монтаж

Фиг.1.1.6. – Процес на отпечатване на

спойваща паста

Фиг.1.1.7. – Макроскопска снимка на

спойваща паста след процес на печат

6

Също така в детайли са разгледани основни неразрушаващи и разрушаващи методи за

контрол, които се използват в технологията на повърхностния монтаж. Например:

- Микроскопско и макроскопско изследване (Фиг. 1.2.2.)

- Рентгеново изследване – X-ray (Фиг. 1.2.18.)

- Компютърна томография - CT

- Оценка на геометрични размери с трикоординатни измервателни машини - CMM

- Електрически тестове – ICT, FP, FT

- Автоматични инспекции – AOI, SPI, AXI

- Металографски анализ на електронни и микроелектронни модули

- Електронна микроскопия – SEM

- Рентгенова дисперсионна спектроскопия - EDX.

Фиг.1.2.2. – Светлинен път в микроскопа Фиг. 1.2.18. - Система за изследвания с Х-лъчи

с висока резолюция

В последната част на са разгледани основните стандарти за качество в електронната

индустрия, както и характерни грешки, дефекти и индикатори на процеса при технологията

на повърхностен монтаж. Всяка характерна грешка или дефект е илюстрирана (Фиг.1.4.7.),

дадено е физично обяснение и възможни причини за поява.

Фиг.1.4.7. – Късо съединение

Глава 2 – Критичен анализ на методите за контрол

При тестването на електронни модули и изделия от съществено значение е степента на

комплекстност, нивата на дефекти, цената на въвеждането на допълнителни тестове в

сравнение с типичния процент брак и най-вече мястото в производствения процес, където

най-често се появяват дефектите [100]. Изборът на оптимален вариант за тестване се

основава най-вече на характерните особености на изделието и наличните методи за контрол

в конкретното производство, като в определени случаи е подходящ един метод или

комбинация от методи, а в други съвсем различен подход.

В Глава 2 на дисертацията са дефинирани основните понятия, които се използват при

определяне стратегията за тестване:

• Грешка

• Дефект

• Индикатор на процеса

• Потенциален дефект

• Рандеман

• Степен на дефектите

• Обхват или дълбочина на теста

• Брой открити дефекти

• Ефективност на теста

• Индекс на комплексност и др.

Обобщено сравнение между базовите методи за тестване и контрол на електронни изделия в

дисертационния труд е направено в Табл.2.1.1.

8

Табл. 2.1.1.

В таблица 2.1.1. е отбелязано също кои от методите за контрол използват техниките за

изготвяне на микрошлифове. Разбира се, съществуват и други методи, които не

представляват интерес за конкретния анализ и не са разгледани. От така оценената

способност на детекция може да се направи извода кой метод в коя област е най-силен.

Направено е също така подробно описание на предимствата и недостатъците на всички

разгледани методи за контрол в литературния обзор (Табл.2.1.2).

9

Метод

Предимства +++

Недостатъци - - -

ICT Лесно откриване на

производствени дефекти Скъпи тест-адаптери

Лесно генериране на тест-програми

Трудна промяна на тест-адаптерите

Лесно интерпретиране на резултатите

По-труден достъп при нови изделия

Сравнително бърз тест, подходящ за големи серии

Голям обем на логфайловете

FP Не се изисква специален тест-

адаптер Сравнително бавен тест, не е подходящ за много големи серии

Лесно и бързо реализиране на промени

В някои случаи не е възможно да се провеждат по-сложни тестове

Времето за разработка на теста е кратко

FT Много бърз тест Високи разходи за оборудване

Разходи за тест-адаптер Разходи за програмиране

Табл.2.1.2. (част от представената таблица в дисертацията)

Вижда се, че някои методи са по-подходящи за големи серии, други за по-млаки,

определени методи дават резултат много бързо, а при други е необходима специална

обработка на образците. Съществуват и такива, които имат специални изисквания за

заобикалящата среда. Всичко това е необходимо да бъде взето под внимание при избора на

конкретна тест-стратегия. Икономиката на нещата трябва да бъде последния задължителен и важен фактор, с който

трябва да се съобразяваме при избора на тест-стратегия. Икономическите модели са толкова

по-ефективни, с колкото повече параметри бъдат определени. Поради това събирането на

информация за нивата на дефектите, спектъра на дефектите и ефективността на тестване

трябва да бъдат с особено голям приоритет.

Глава 3 – Неразрушаващ контрол

Подходи за автоматизирано измерване на печатни платки

В тази част са представени различни подходи за измерване на физически размери на

ненаситени печатни платки и панели от мултиплицирани печатни платки. Сравнени са

10

конвенционалните методи за измерване с подобрени автоматизирани методи. Описани са

различни стратегии и възможности за измерване. Като резултат са представени по-важни

фрагмети от програми използвани в изследването.

Измерването на физически размери винаги е било ключова част от качествения контрол в

производството [119]. При по-малките на размер платки често се налага използването на

панели от мултиплицирани печатни платки с до 500 единични платки на панел. Типичен

пример е производството на сензори. Такива случаи правят традиционните ръчни методи на

измерване много бавни и скъпи, т.е. неефективни.

Необходимо е да се потърсят и предложат адекватни автоматизирани методи за

измерване. Някои автоматични трикоординатни измервателни системи могат успешно да се

използват при тази задача. Важно е да бъде избрана правилната стратегия за измерване.

Конвенционален ръчен метод за измерване на физични размери

Стандартният начин за ръчно измерване на печатни платки и панели с платки е

посредством използването на проектор или видео-измервателна система (Фиг.3.1.1). И в

двата случая частта се подравнява спрямо координатната система на измервателния уред и

се измерва от оператор в направления X и Y. Видеосистемите са оборудвани с камера,

монитор, различни типове обективи и горна/долна светлина. Графичната среда обикновено е

интуитивна и лесна за използване включително и от невисококвалифициран персонал.

Фиг. 3.1.1. Ръчна видео-измервателна система (ляво) и

измервателен проектор (дясно)

В зависимост от модела на апаратурата точността може да варира.

Като пример измервателната неопределеност на всяка ос може да бъде получена с

уравнение У3.1.1 (L е в мм):

E=(4,5+L/40), um ≤8um У3.1.1

11

Автоматизиран метод за измерване на физически размери

Друг измервателен подход, който дава редица предимства и възможности е използването

на мултисензорна трикоординатна измервателна машина [61]. Тези измервателни машини са

снабдени с няколко сензора, например сензор за докосване (1), камера(2) и лазер (3)

(Фиг.3.1.2).

Фиг.3.1.2. Трикоординатна измервателна машина с мултисензорна глава

В допълнение към горната и долната светлина на разположение е и сегментирана светлина

от кръгъл LED източник. Наличността на различни измервателни сензори предоставя

широки възможности за измерване на комплексни детайли. Машината е напълно

автоматична, но от операторите се изисква повече опит и познания, за да бъде съставена една

цялостна програма за измерване на определена част. Откъм хардуерен дизайн тези машини

най-често са портални (тип “мост”), с гранитна конструкция и оси с въздушни лагери.

Поради това се постига висока прецизност на измерванията. Налице е възможност за

измерване на големи серии от детайли.

Подходи за измерване и постигнати резултати

За изследването на подходите за измерване, описани в тази част е използвана

трикоординатна измервателна система Mahr OMS400 [113, 114] (виж Фиг. 3.1.4).

Фиг. 3.1.4 – Tрикоординатна измервателна машина Mahr OMS400

Неопределеност съгласно

VDI / VDE 2617: E1 = (1,3 + L/400), um * L – измервателна дължина в mm

ISO 10360-2: E3 = (2,2 + L/300), um * L – измервателна дължина в mm

12

Измервателна машина OMS400 стандартно използва софтуерна среда за програмиране

MarSoft Vision 3D. Разработената програма в случая е за панел от 36 единични платки по

направление X и 3 единични печатни платки в направление Y (Фиг.3.1.7) [117]. В

дисертационния труд са представени по-важните части от кода на програмата.

Фиг. 3.1.7 - Графично представяне на измервания панел и референтни отвори

Всяка програма е необходимо да започне с подравняване на измерваната част. Това

означава, че машината трябва да изучи измерваната част и да премести своята координатна

система по така разположената част (координатната система на частта). За целта най-добре

ще послужат референтните отвори върху всяка една платка (Фиг.3.1.7), по които ще се

ориентира координатната система. Външните размери на панела се измерват на първо място

ако е необходимо. Следва измерване на единичните платки на панела. То представлява

последователно измерване на елементи от печатната платка (напр. линии, окръжности, ъгли

и т.н. – виж Фиг.3.1.8). Всички необходими размери след това могат да бъдат получени с

използването на подпрограма DISTANCE, която връща като резултат разстоянието между

два елемента.

Фиг 3.1.8. Измерване на метализиран отвор

от платка с камера

Фиг.3.1.9. Лазерно сканиране върху частично

фрезоване от печатната платка

13

Повечето, но не и всичките размери върху платките, могат да бъдат измервани с камерата

на машината. Понякога е необходимо и удачно използването и на лазера от мултисензорната

глава на машината в режим на сканиране или сензорите за докосване. Фиг. 3.1.9 представя

сканиране по контур с лазер върху повърхността на печатната платка. В този случай

контурът минава през частично фрезована област в печатната платка. От сваления профил

лесно може да се определи например дълбочината на фрезоване и желания ъгъл.

В случай, че е необходимо измерването на всички платки от панела, подпрограмата за

измерване на единичната платка трябва да се включи в циклично измерване. X_Step и Y_Step

са параметри, които дефинират офсета (отместването) на всяка платка по x и y направления.

Всеки нов цикъл започва с отместване на координатната система.

Когато е необходимо не цялостно измерване на панела, а селективно измерване, е удачно

да се използва друг подход. Потребителят може да определи конкретни платки от панела,

които трябва да бъдат измерени.

За прегледност и по-лесно четене на програмата редовете платки могат да бъдат

наименовани с букви, напр. A, B, C…, като всяка платка от конкретния ред се индексира с 1,

2, 3... . Подпрограмата за измерване на единична платка Single_board се извиква след

дефинирането на всяка платка, която е необходимо да бъде измерена. Програмният код за

двете стратегии за измерване е представен в дисертацията.

Обобщавайки може да се каже, че автоматизираният метод за измерване използвайки

трикоординатна измервателна машина е приложим за измерване на панели с

мултиплицирани печатни платки. Налице са значителни предимства като много висока

точност на измерванията, възможност за измерване на много голям брой детайли и

възпроизводимост.

Разбира се, това е съпроводено с използването на по-големи разходи за измервателна

екипировка, по-голямо време за програмиране на машината и необходимост от оператори с

повече опит и умения. Този метод не е най-удачния за единични и/или лесни измервания,

които много по-бързо биха били направени на ръчна система.

Отворени въпроси остават как резултатите могат да бъдат отпечатани ясно и прегледно в

протокол, както и как трикоординатната машина може да бъде обслужвана от оператори с не

толкова задълбочени познания към конкретната програмна среда.

Подобрения при автоматизирани измервания на печатни платки

В тази част са предложени допълнителни подобрения при автоматизираното измерване на

панели с мултиплицирани печатни платки. Разгледани са различни улеснения за работата с

трикоординатна измервателна система на оператори без инженерно образование и познания

14

за програмиране. Показани са варианти за създаване на графичен потребителски интерфейс и

разбираемо и подредено представяне на резултатите от измерване в протокол. Също така в

дисертацията са представени основни фрагменти от програмния код и илюстрации на

създадената графична среда [118].

Всяко едно производство днес е свързано с постоянен процес на оптимизиране –

намаляване на производствените разходи, разходите за персонал, транспорт, доработки и

брак и т.н. Много от процесите, които позволяват, биват автоматизирани. Това води до

редица предимства, но възникват и някои затруднения. В случая с трикоординатните

измервателни машини например се изисква създаване на измервателни програми от

квалифициран за това персонал на съответния програмен език. При качествения контрол в

серийното производство много често се налага машината да бъде обслужвана от

неинженерен персонал, който невинаги има съответните познания за работа в програмната

среда. Някои езици позволяват създаването на графичен потребителски интерфейс, като по

този начин зареждането на правилната програма за измерване на детайл, конфигурирането и

стартирането на машината се свежда до натискането на няколко бутона.

Графичен потребителски интерфейс

Предложеният графичен потребителски интерфейс (ГПИ), е създаден на трикоординатна

измервателна машина Mahr OMS400 с програмна среда MarSoft Vision 3D, версия 4.0. За

яснота е използван сравнително елементарен панел с 4 броя единични платки, но по аналогия

ГПИ може да се разшири и използва успешно и за по-голям брой платки на панел. На фиг.

3.2.2, 3.2.3 и 3.2.4 са представени някои от разработените прозорци за диалог с потребителя.

Основните елементи, от които са изградени, са описани в дисертацията с фрагменти от

програмния код, като са поставени съответните коментари.

Фиг.3.2.2 Прозорец за избор

режим на измерване

Фиг.3.2.3 Прозорец за

стартиране на пълно

измерване

Фиг.3.2.4 Прозорец за

стартиране на селективно

измерване

15

Възможно е и създаването на допълнителни прозорци, например при наличието на

разнообразни/голям брой детайли, с цел операторът да избере детайлa/номерa, който ще бъде

измерван.

Представяне на резултати от измерване

По подразбиране в доклада с резултати от измерване се включват всички измерени

елементи с техните стандартни наименования. При панели с голям брой платки това може да

генерира лист с резултати от няколко десетки страници. Такъв протокол, разбира се, е

неудобен, неефективен и объркващ. Необходимо е в протокола да бъдат вписани единствено

желаните размери по чертеж със зададен допуск (прави се със софтуерна настройка в

MarSoft Vision 3D) и да се използват ясни наименования на измерените елементи.

За по-добра подреденост при представянето на резултатите в доклада платките се

номерират например с индекси по X и Y или с буква в едното направление и цифра в

другото. За всички разработени подходи за измерване на панели в дисертацията са

предложени варианти (програми) как всяка платка да бъде индексирана и след процеса на

измерване в протокола лесно да могат да се локализират съответните резултати.

На Фиг. 3.2.5 е показан примерен изглед на измервателния протокол:

Фиг. 3.2.5 – Фрагмент от измервателен протокол с подредено представяне на резултатите

(индексиране на всяка платка и съответната позиция)

Представените подобрения успешно могат да бъдат използвани при измерването както на

панели печатни платки, така и в повечето случаи на измерване на матрица от еднакви

механични детайли. За да бъде спазена стъпката при механичните детайли, е необходимо да

16

бъде използвано съответното приспособление за захващане. Подходът с графичен

потребителски интерфейс позволява самите програми да бъдат поръчвани например във

външна фирма, а машината да се обслужва от оператори, които нямат задълбочени познания

в областта на програмирането.

Резултати

Описаните алгоритми и програми са поетапно реализирани и внедрени във Фесто

Производство ЕООД в периода 2010г. – 2014г. Оценка за постигнатите резултати е показана

чрез примерен панел с 60 бр. мултиплицирани платки. Единичната платка в случая има два

специални размера, като е необходимо да бъдат измерени всички платки от панела.

След реално засичане на времената за измерване и обработка на данните, резултатите са

графично представени на Фиг. 3.4.2. Показаните данни са чистите времена за измерване и не

включват времето за стартиране на машината, времето за разработка на измервателната

програма и др., тъй като при измерване на големи серии панели те не оказват голямо

влияние.

В разгледания пример на панел с 60 мултиплицирани единични платки виждаме, че

необходимото време за автоматизирано измерване е едва 9,8% от времето за ръчно

измерване. За сравнение са представени резултати и от измерване на панели с по-голям брой

платки на панел при същия брой специални размери. От графиките се вижда, че с

увеличаване броя на платките в един панел автоматизирания метод става очаквано все по-

ефективен спрямо ръчния. В случая със 156 и 180 платки на панел времето за измерване

спада на съответно 9,3% и 9,2% от времето за ръчно измерване. От тези резултати става ясно,

че с автоматизирания подход на практика получаваме над 90% редукция на времето за

измерване. В допълнение отпада необходимостта от оператор през целия процес на

измерване, съответно общите разходи за измерване също намаляват.

С използването на автоматизирани методи на измерване документирането на резултатите

от измерване става по-пълно. А при наличието на количествени данни от процеса на

измерване е възможна тяхната статистическа обработка и оценка на способността на

процесите. В резултат на няколкогодишното прилагане на разработените програми за

автоматизирано измерване са натрупани данни, като примерен статистически анализ е

показан на Фиг.3.4.3.

17

Фиг.3.4.2. – Времена за измерване при различни

методи

Фиг.3.4.3 – Размер 3,3

(01.01.2013 – 31.12.2013)

От направените статистически анализи за период от три години се вижда, че през цялото

време способността на процеса на производителя на панелите е гарантирана (Cpk > 1,33)

въпреки малките вариации в различни периоди. При високата точност на измерване, която се

постига с използването на мултисензорната трикоординатна измервателна машина можем да

бъдем сигурни, че картината, която се наблюдава в статистическия анализ (напр. средна

стойност, стандартно отклонение и др.) е реална. За сравнение при ръчното измерване са

налице редица фактори, които повлияват резултатите от измерване, напр. натрупана умора в

операторите, разлика в измерванията между различни оператори, по-голяма субективна

грешка от измерване, разлика в заобикалящата среда.

За потвърждаване на приложимостта на разработените методики във фирма Фесто

Производство ЕООД е направен анализ на използваните там печатни платки по различни

класификации, например според броя на слоевете на платката, според вида на платката,

според броя платки на панел и според броя на специалните размери.

Основната част от печатни платки (89%), които се използват са твърди печатни платки с 2

до 8 слоя. Предимството в този случай е, че тези платки могат да бъдат поставени директно

върху масата на измервателната машина. Не са необходими допълнителни приспособления

за захващане, както при някои гъвкави, полугъвкави или твърдо-гъвкави платки. Значителна

част от платките са с голям брой единични платки на панел, което прави използването на

автоматизирани методи много ефективно и в повечето случаи наложително, когато става

въпрос за големи количества. Може да бъде заключено, че използването на описаните

18

подходи за измерване е напълно приложимо и препоръчително. В дисертацията резултатите

от анализа са представени и графично.

Глава 4 – Разрушаващ контрол

Метод за изготвяне на микрошлифове в електрониката

Контролът на процеса на спояване и анализът на грешката са важна част от осигуряване

на качеството в днешните производители на електроника. Съществуват много методи –

неразрушителни и разрушителни, всеки способен да открие различни дефекти и свойства.

Изговянето на металографски микрошлифове често се използва в електронната индустрия за

определяне или измерване на различни слоеве, структури на материали и дефекти като

пукнатини, пори, деламинация. Шлифовете се прилагат също така и при настройка на даден

технологичен процес. Такъв вариант е разгледан в [151], където е представена технология за

нанасяне на спойваща паста. Производителите на лабораторни консумативи предлагат

голямо разнообразие на продукти, които могат успешно да бъдат използвани в методите за

изготвяне на микрошлифове в електрониката. В тази част са описани всички процесни

стъпки, фокусирайки се върху особеностите при изготвянето на шлифове на електронни

компоненти и модули. В допълнение към традиционния метод за изготвяне е предложен

оптимизиран метод, като двата метода са сравнени. Специално внимание е обърнато на

намаляването на разходите и времената, както и употребата на нови типове консумативи,

например повърхности за шлайфане. Представени са резултати от изследванията, детайлно

описание на процесните параметри и анализа на изображенията.

Най-основната разлика между класическия металографски анализ и металографския

анализ на електронни устройства [69] е в типа на повърхността, която се обработва

(шлайфа/полира). По време на изготвянето на шлифове на електронни устройства по едно и

също време се обработват материали с много големи разлики в техните характеристики

(например твърдост). Това означава, че е необходим специален подход и използването на

някои специфични методи.

Основната цел на изследванията, описани в тази част е разработката на оптимизиран

технологичен метод за изготвяне на металографски микрошлифове на електронни

устройства. Методът трябва да осигурява необходимото качество на анализираната

повърхност, която в повечето случаи е метал, но също може да бъде интерфейс между метал

и диелектрик или метал-керамика, епоксидна смола и полимери и др. За тази цел е

необходимо да се оценят режимите на обработка на металографските шлифове и да се избере

правилния режим на наблюдение при микроскопския анализ.

Проблеми, които често се срещат по време на изготвянето на микрошлифове на

19

електронни образци са размазване на метали и полимери, замърсявания/включвания,

пукнатини в стъклени или керамични слоеве, както и вграждане на абразивни частици от

съответно използвания консуматив. Ето защо в тази глава ще бъдат изследвани, сравнени и

представени различни методи и процесни параметри на изготвяне на металографски

микрошлифове. Също така интерес представлява общата сума на разходите за изготвяне на

пробите. Времето за изготвяне, времето за което се изисква намесата на оператор,

количеството използвани консумативи за реализиране на целия процес и др. е необходимо да

бъдат оптимизирани и намалени.

Процесът на изготвяне на образци от електронната индустрия е разделен на няколко

стъпки. Всяка следваща стъпка трябва да бъде проведена по коректен начин, за да се

постигне задоволителен краен резултат. Основните стъпки са рязане, монтиране (заливане

със смола), шлайфане и полиране. Процесът на изготвяне трябва да бъде систематичен, за да

се осигурят възпроизводими резултати.

Рязане

В зависимост от размера или формата на материала, който ще бъде анализиран, в някои

случаи той трябва да бъде разрязан на по-малки части, за да може да бъде обработен по-

лесно. Взетата част трябва напълно да представлява мострата, от която е взета. За да се

улесни по-нататъшния процес е необходимо да се вземе по възможност равнинна част с

колкото е възможно по-малко деформации.

Един от най-подходящите методи за рязане е абразивното мокро рязане. То причинява

най-малко повреди по пробата във връзка с времето, необходимо за процеса. При този вид

рязане се използва диск, състоящ се от абразивни частици и свързващ агент. Също така се

използва и охлаждаща течност, за да се избегне повреда на мострата. В зависимост от това

какъв материал ще се разрязва (твърдост и пластичност) се използват различни видове

режещи дискове. Например силициев карбид (SiC), кубичен бор нитрид (CBN), алуминиев

оксид (Al2O3) и диамант (най-често използван при рязането на електронни устройства).

Монтиране/заливане със смола

В повечето случаи мострите се заливат със смола, за да се улесни боравенето с тях и да се

подобри крайния резултат. При процеса на заливане със смола се използват две техники –

горещо и студено заливане. Студеният процес е специално подходящ за монтиране на проби,

които са чувствителни към топлина и налягане. Ето защо той основно се използва при

анализа на електронни образци. Мострите се поставят в специална чашка, компонентите на

смолата се премерват прецизно, смесват се и с получената смола се залива обекта на анализ.

Епоксидните смоли имат най-слабото свиване от всички смоли за студено заливане.

Времената за втвърдяване са сравнително дълги, но тези смоли имат много добра адхезия

20

към повърхността на мострата и са напълно прозрачни.

Акрилните смоли са много лесни за употреба, с много кратки времена за втвърдяване и

слаба степен на свиване. Състоят се от самополимеризиращи се компоненти, които се

втвърдяват след добавянето на катализатор. Прозрачността не е толкова добра, колкото при

епоксидните смоли, но тя може да бъде значително подобрена ако заливането се прави при

определени условия.

Шлайфане

Шлайфането е първата стъпка от механичната обработка (отнемане) на материала.

Всъщност шлайфането премахва повредената или деформирана повърхност на материала

като причинява само малка част от нови деформации. Основната цел на тази процесна стъпка

е да приготви мострата с равнинна повърхност и минимална степен на повреди по

повърхността. Всички драскотини, причинени от шлайфането трябва да могат да бъдат

премахнати по време на полирането за максимално кратко време. Често процесът на

шлайфане се разделя на две стъпки – грубо и фино шлайфане.

Целта на грубото шлайфане е да уеднакви повърхностите на всички мостри независимо от

тяхното състояние и предишна обработка. В случай, че става въпрос за едновременна

обработка на група образци, монтирани в държач, по време на грубото шлайфане те трябва

да бъдат подготвени до едно и също ниво за следващите процесни стъпки. В повечето случаи

консумативите, които се използват по време на грубото шлайфане имат абразивни частици,

които отнемат материал от мострата много бързо. За охлаждащ агент най-често се използва

просто вода.

Финото шлайфане премахва деформациите, причинени от грубото шлайфане, като оставя

само малък брой драскотини и то такива, които ще могат да бъдат премахнати по време на

процеса полиране. В зависимост от твърдостта на материалите, финото шлайфане може да

бъде осъществено с абразивна хартия и вода или консумативи от по-ново поколение с

подобрени характеристики и диамантена суспенсия.

Полиране

Финалната и най-важна част преди микроскопското изследване е полирането. То трябва да

приготви образеца във възможно най-доброто състояние, така че да бъде показана

истинската структура без каквито и да е дефекти. Това може да бъде постигнато с няколко

допълнителни стъпки, използвайки поредица от все по-фини абразивни частици. По принцип

полирането може да бъде разделено на два подпроцеса – диамантено полиране и оксидно

полиране.

Използвайки диамантено полиране се постига възможно най-бързото отнемане на

материал и възможно най-добрата равнинност. Това се постига благодарение на уникалните

21

характеристики на диамантите, например тяхната твърдост.

Някои от анализираните материали, по-специално тези, които са меки и пластични

изискват и финално полиране. В повечето случаи напълно достатъчно е да се направи

оксидно полиране като такава финална стъпка. Оптимално качество на полиране може да

бъде постигнато с използването на Colloidal silica с размер начастиците от 0,04 um и pH от

9,8. Комбинацията от химическа активност и фина абразия резултира в повърхност, която е

абсолютно чиста от драскотини и деформации. На пазара се предлагат различни видове

Colloidal silica, които се използват в различни случаи. Някои от тях могат да се използват при

финалното полиранe на всякакви материали, а други се използват в комбинация с реагенти за

повишаване на химическата активност.

Оптимизиран (ефективен) метод за изготвяне

За да се проучи поведението на редица материали, които обикновено се срещат в

електронните изделия, предварително са избрани някои мостри – мед, няколко типа припой,

печатни платки с различна конфигурация на слоевете и други [133, 148, 149, 150]. Тези

мостри са разделени на групи и заляти заедно със смола (Фиг.4.2.1). Всяка мостра съдържа

комбинация от различни материали, за да се осигури обработка под едни и същи условия.

След всяка процесна стъпка се извършва микроскопско изследване и получените

изображения се сравняват, анализират и архивират. Използвани и сравнени са най-често

срещаните техники за засветяване в оптичната микроскопия, напр. наблюдение в режим на

светло поле и в режим на тъмно поле. Влиянието на промяната на някои процесни параметри

беше изучена, например промяната на параметър сила на натиск.

В днешно време има много производители, които предлагат богат асортимент от

консумативи. Някои от най-новите поколения консумативи бяха детайлно тествани.

Традиционният метод, който често се използва за изготвяне на микрошлифове на

електронни части се състои от много стъпки последователно изпълнявани една след друга.

Грубото и финото шлайфане обикновено се извършват със SiC шкурки, стартирайки от тип

#180, #320, #800 и стигайки до #1200 или дори #4000. Шлайфаните мостри се охлаждат с

вода. Някои подобрения в резултатите могат да бъдат постигнати използвайки SiC фолио

вместо стандартната SiC шкурка (на същата цена), например липса на набръчкване и по-

добра равнинност на консуматива. Следващият процес на полиране се прави с водно-

базирани монокристални или поликристални диамантени суспенсии и зелен охлаждащ

лубрикант. Най-често се използват 3 стъпки - полиране с 6um, 3um, and 1 um. Специално

внимание трябва да бъде обърнато за намиране и използване на оптималната пропорция

суспенсия/лубрикант.

22

Оксидното полиране е незадължителна стъпка, която се прави само когато е необходимо

или се изисква. Параметрите на традиционния метод са описани детайлно в Таблица Т4.2.1.

Най-големите недостатъци на този метод са големия брой процесни стъпки и краткия

живот на консумативите. Степента на отнемане на материал при SiC шкурки рязко намалява

след само 40 секунди употреба, което прави повторната употреба почти невъзможна.

Табл. 4.2.1-Традиционен метод Табл.Т4.2.2-Оптимизиран метод

Резултати, постигнати с традиционния метод за изготвяне на микрошлифове са

представени на Фиг.4.2.2. и Фиг.4.2.3.

За да бъде оптимизиран традиционния метод за изготвяне на микрошлифове на

електронни устройства, на първо място беше проучен пазара на консумативи. През

последните години водещите производители предлагат много консумативи за шлайфане и

полиране от по-нова генерация. Най-новите дискове за шлайфане имат повърхност със

сегментирана структура, специфично разработена за всяка фаза на шлайфане. Това позволява

минимизиране на количеството натрупан отнет материал при сравнително висока степен на

отнемане и оптимална равнинност. Според спецификацията на тези артикули тяхната

употреба води до по-малък брой процесни стъпки, намаляване на времето за приготвяне и

разходите, по-добро качество на обработените образци.

За да бъде изследван процеса на изготвяне на шлифове на електронни модули с

консумативи от по-ново поколение, бяха направени опити с различни видове повърхности за

шлайфане, а също така беше проверено влиянието на най-важните процесни параметри. В

Таблица Т4.2.2 са показани подходяща последователност и процесни параметри за постигане

на подобни и по-добри резултати в сравнение с традиционния метод. Стъпките на грубо и

фино шлайфане са направени със сегментирана повърхност MD-Primo и MD-Largo (Фиг.

4.2.5.), разработени от датската фирма Struers.

23

Фиг. 4.2.1 – Образци от изследването Фиг.4.2.5 – Дискове за шлайфане

MD-Primo е диск за шлайфане с абразив SiC и свързващо вещество. Предназначен е

основно за шлайфане на цветни метали и меки материали с твърдост в обхвата HV 40-250.

Този консуматив винаги се използва с водно охлаждане и е наличен в две разновидности –

Primo 120 и Primo 220, съответстващи на нормалните SiC шкури от същия тип. Primo 120 се

използва в случай на по-големи образци, където е необходима по-голяма степен на отнемане

на материал и мострите са хванати в държач. Primo 220 обикновено се използва с по-малки

мостри и по-меки материали. Един диск за шлайфане MD-Primo замества между 50-60 SiC

шкурки.

MD-Largo е композитен диск за фино шлайфане в една стъпка. Проектиран е да бъде

използван за фино шлайфане на меки материали в обхвата HV 40-250 или за шлайфане на

меки композити. Животът на този диск за фино шлайфане в сравнение със SiC шкурки е

екстремно по-висок. MD-Largo може да бъде използван на мястото на 900-1000 броя

нормални шкурки. По време на шлайфането с този диск се използват диамантени суспенсии

и лубрикант или продукти от тип “всичко в едно”, например Struers DiaPro. Тази течност е

специално разработена за употреба с такъв вид дискове за шлайфане и по същество съдържа

диамантени частици и лубрикант. При употреба на тези консумативи времето за изготвяне на

пробите може да бъде съкратено средно до 30% и в допълнение да бъде постигната отлична

равнинност, запазване на ръба и възпроизводимост. Това най-вече се дължи на правилната

пропорция диамант/лубрикант. Не на последно място по този начин в дозиращата система се

спестява една позиция, която може да бъде използвана за слагането на друг консуматив. Фиг.

4.2.6 и Фиг. 4.2.7 представят някои от резултатите, постигнати с оптимизирания метод за

изготвяне на металографски микрошлифове на електронни устройства.

24

Фиг.4.2.2. - Статус на мострата при

различни процесни стъпки, наблюдение в

режим на тъмно поле

Фиг.4.2.6. - Статус на мострата при различни

процесни стъпки, наблюдение в режим на

светло поле

Фиг.4.2.3. - Статус на мостра след полиране

с 6 um, наблюдение при тъмно поле (ляво) и

светло поле (дясно)

Фиг.4.2.7. - Окончателен статус на образеца

след полиране с 1um, наблюдение в режим на

тъмно поле (ляво) и светло поле (дясно)

Оценка на режимите за обработка и избор на режим за заснемане

При полирането целта е да се получи максимално гладка повърхност без драскотини и

неравности. Обикновено в машиностроенето за целта се измерва грапавостта на

повърхността – Ra, Rz [134]. При металографските шлифове в електрониката е характерен

сравнително малкия размер на образците – в някои случаи под 500 um. Използването на

профиломери за грапавост не е удачно по две причини:

Причина 1: Стандартната профилограма е с неравномерен мащаб по вертикала и

хоризонтала. На Фиг. 4.3.2. е представена профилограма на шлифован образец като

профилът е снет по протежение шлифа на медната писта.

Причина 2: Механичните профиломери оставят следи върху фоторезисти и други меки

материали. Диаметърът на иглата не позволява да се идентифицират драскотини с размер

под нейния радиус на закръгление.

25

Същевременно, ако искаме да анализираме цялата повърхност би следвало да се направи

сканиране с профиломера, обхващащ определена площ. Такъв режим съществува при атомно

силовите микроскопи, но в случая на разглежданото изследване това е икономически

необосновано. Следователно най-удачно е оценката на шлифовете да се извършва на база

оценка на оптичното изображение.

Оценката на режимите на обработка се извършва на база оценка на количеството

надрасквания (които трябва да бъдат минимизирани) и контраст на границата на различните

среди (материали). Това се отнася и за границата на интерметалните съединения. Разликата в

контраста след съответната обработка може да бъде оценена на база черно-бяло изображение

или чрез цветно филтруване.

Изображенията от всяка процесна стъпка на проведените изследвания са направени с

светлинен микроскоп Olympus BX51M и анализирани със софтуери Olympus Stream, Corel

PhotoPaint, Pixel Profile и Excel. Използвайки някои от инструментите на софтуерите (виж

Фиг.4.3.3.) е възможно да се оцени повърхността на микрошлифа и да се сравни с

предишната стъпка.

Линейният профил показан на Фиг.4.3.4 е представен в три канала (RGB). Прилага се

процедура за определяне на броя драскотини на единица дължина. Това се прави локално за

определена част (материал) от изображението. От цветовия спектър се изтегля определен

цвят, който се обработва числено. Фиг.4.3.5. показва отделен спектър на синия цвят като

функцията е нормализирана. Нормализирането се прави като максимума за дадена графика

се приема за 1 и спрямо него се представя линията за цялата дължина. Това позволява

сравнение на различни изображения. Сравнението се прави с преброяване на пресичанията

на цветовата функция с линията на ниво 85%, като е възможно избиране и на други нива.

Резултатът разделен на 2 представлява броя на драскотините.

Фиг.4.3.3. - Създаване на линеен профил

в софтуера Olympus Stream

Фиг.4.3.4. - Линеен профил в софтуер за анализ

на изображения Olympus Stream

26

Освен липсата на драскотини, за

шлифовете от съществено значение е

наличието на контраст в изображението.

Контрастът е необходим както за

качествено определяне границата на

отделните елементи (припой/смола,

платка/мед, интерметално съединение /

припой), така и за правилно измерване на

размерите. Контрастът може да бъде

оценен чрез измерване цветовите стойности на отделните пиксели от изображението. В

числено изражение контрастът може да бъде определен като отношение на промяната в

нивото на сигнала за даден цвят “Ep” към пикселите, в които се извършва промяната “Np”:

K=dEp/dNp У4.3.4.

При оценка на нивото на обработка (полиране) критерият контраст е основен.

Обработката на цифровото изображение, както при анализа на Фиг.4.3.3. – Фиг. 4.3.5.,

може да бъде използвана и за избор на режим за цифрово заснемане (тъмно или светло поле).

На практика е възможно заснемането на две изображения в съответния режим (Фиг.4.3.15а. -

BF и Фиг.4.3.16а. - DF). Построява се линия в зоната на интерес при двата режима на

наблюдение и се сваля линейният профил.

Фиг. 4.3.15а. – Изображение, заснето в

режим на светло поле (BF)

Фиг. 4.3.16а. – Изображение, заснето в

режим на тъмно поле (DF)

След числената обработка на профилите се построява графика на нормализираните

функции при режим на светло поле и тъмно поле (Фиг.4.3.17.). Броят на драскотините се

27

установява в случая на нива съответно 85% и 15%, като по този начин еднозначно се

определя подходящия режим за цифрово заснемане – тъмно поле.

Фиг. 4.3.17. – Нормализирани функции при режим

на светло и тъмно поле

Резултати

Качеството на повърхността на образците, обработени с описания оптимизиран метод е

напълно приемливо и сравнимо или по-добро от това, постигнато с традиционния метод.

Особено внимание трябва да се обърне на намаления брой процесни стъпки (от 8 на 4) и

съответно по-малкия брой използвани консумативи. По този начин се намаляват значително

времената за обработка и необходимото време за присъствие на оператор (Фиг.4.4.1.), което,

разбира се, се отразява в намаляване на общите разходи за изготвянето на проба – в този

случай средно около -20% (Фиг.4.4.2.).

Фиг.4.4.1.Оптимизация на времето Фиг.4.4.2. - Оптимизация на разходите

Обикновено се интересуваме от постигането на прецизна картина на структурата на

изследваната мостра. От друга страна идеален резултат без никакви дефекти в близост до

повърхността (истинска структура) е възможен само теоретично. Дори използвайки най-

добрите методи за обработка, върху повърхността на металографския микрошлиф ще има

28

минимални деформации. Тези микроповреди обаче не се виждат с оптиката на светлинния

микроскоп и не повлияват резултатите от изследването. В повечето случаи е необходим

допустим резултат от изготвянето и всяка следваща обработка от необходимото е просто

увеличаване на общите разходи за анализ.

Използването на най-евтините консумативи не винаги е гаранция за най-ниска цена на

мостра. Особено значими са животът на всеки консуматив и качеството на повърхността,

което се постига с него. Например, ако грубото шлайфане е включено в използвания метод

само заради голямата степен на отнемане на материал, следващата стъпка на фино шлайфане

може да е необходимо да бъде удължена значително, за да се премахнат деформациите,

причинени от предишната стъпка. Това, разбира се, трябва да бъде взето предвид при

калкулиране на общите време и разходи.

Взимайки предвид експерименталните резултати от всички анализирани мостри може да

бъде направен извода, че изложеният оптимизиран метод за изготвяне на микрошлифове е

приложим и също така представлява един по-добър подход в сравнение с традиционния

метод. Очакваното намаление на времето за изготвяне и разходите за консумативи е

потвърдено и значимо без компромис в постигнатото качество на повърхността.

Не на последно място е друг важен фактор. По-голямата част от консумативите, напр.

лубриканти, диамантени суспенсии, в това число и отнетия материал се отвеждат в

канализацията или е необходимо да бъдат използвани системи за пречистване. Обикновено

по-новите генерации консумативи представляват съвкупност от материали, които са по-

щадящи природата. Техният намален брой в допълнение допринася за опазване на околната

среда.

Приноси на дисертационния труд

1. Разработени са алгоритми и програми за измерване (оценка на геометрични размери)

на панели с мултиплицирани печатни платки с мултисензорна трикоординатна

измервателна машина Mahr OMS400.

2. Разработен е графичен потребителски интерфейс за конфигуриране и стартиране на

измервателни програми от оператор и начини за подредено представяне на

резултатите в доклад при измерване на панели с мултиплицирани печатни платки на

трикоординатна измервателна машина Mahr OMS400.

3. Разработен е оптимизиран метод за изготвяне на металографски микрошлифове на

електронни компоненти и модули (образци с различни материали, различаващи се по

физикомеханични свойства).

4. Разработена е методика за оценка режимите на обработка на металографски

микрошлифове на електронни компоненти и модули.

29

5. Разработен е алгоритъм за избор на режим за цифрово заснемане на металографски

микрошлифове – избор на тъмно или светло поле.

Oписаните приноси са разработени за целите на конкретния производствен процес и

внедрени във фирма Фесто Производство ЕООД, гр. София.

Статии и публикации, свързани с дисертацията

1. Farkov G., M. Camminadi, Approaches for Automated PCB measurements, XIX

International Scientific Conference Electronics ET 2010, September 22 – 24, 2010, Sozopol,

Bulgaria, Annual journal of Electronics V4 N1 2010 Sofia ISSN1313-1842 pp. 127-129

2. Videkov V., G.Farkov, B.Tzaneva, I.Vrublevski, Investigation of nanostructured objects

using cross-section techniques, XIX International Scientific Conference Electronics –

ET2010, September 22 – 24, 2010, Sozopol, Bulgaria, Annual journal of Electronics V4 N1

2010 Sofia ISSN1313-1842 pp. 130-132

3. Видеков В., Б.Цанева, Ал. Ячовски, Иг. Врублевски, Г. Фърков, Изследване

термичната устойчивост на наноструктурни мембрани за МЕМС, Деветнадесета

национална научно-техническа конференция с международно участие

“Автоматизация на дискретното производство” АДП 2010, Созопол, юни 2010г.,

ISSN-13 10-3946, стр. 403-409

4. Видеков В., Б.Цанева, Иг.Врублевски, Ал.Ячовски, Г.Фърков, Оценка параметри на

наноструктурирани мембрани, ХХ Национален научен симпозиум с международно

участие „Метрология и метрологично осигуряване 2010” Созопол 9-13 септември

2010, Сборник доклади ISSN 1313-9126 стр. 178-182

5. Видеков В., Цанева Б., Врублевски И., Фърков Г., Чернякова К. Технологични схеми

и конструкции на наноструктурирани мембрани за МЕМС, Научни известия „Съюз по

машиностроене” година ХІХ, брой 4/124, юни 2011, ISSN-1310-3946, стр. 438-442

6. Stratev A., Farkov G., Videkov V., Optical Control of Laser Cut Stencils, XLVI

International Scientific Conference on Information, communication and energy systems and

technologies, Proceedings of Papers, V2, Serbia, Nish, 2011, ISBN 978-86-6125-3, pp. 529

– 532

7. Фърков Г., Подобрения при автоматизирани измервания на печатни платки, ХХII

Национален научен симпозиум с международно участие „Метрология и метрологично

30

осигуряване 2012”, Созопол, 10-14 септември 2012, Сборник доклади ISSN 1313-9126,

стр. 327-329

8. Videkov V., Stratev A., Farkov G. Optical Control through Stencils Cutting in Surface

Mount Technology, XLVII INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE ON

INFORMATION, COMMUNICATION AND ENERGY SYSTEMS AND

TECHNOLOGIES 2012, Proceedings of papers, ISBN: 978-619-167-002-4, Sofia, V1, pp

232-235

9. Videkov V. Stratev A., Farkov G., New method for application of soldering paste „No

Stencil Printing” ®, Elektrotechnica&Elektronica vol. 47. No 1-2/2012 pp. 2-6

10. Farkov G., Videkov V., Cost-efficient metallographic preparation methods of electronic

components and assemblies, Elektrotechnica&Elektronica Vol. 49. No 7-8/2014 pp. 20-26

Използвана литература в автореферата

4 Hollomon, J., Blackwell, G., Surface Mount Technology for PC Boards, Delmar Cengage Learning, 2005

6 Coombs, C., Holden, H., Printed Circuits Handbook, McGraw-Hill Education, 2016

7 Sjoberg, J., Aranda, R., Geiger, D., Mohammed, A., Kurwa, M., Miniaturization with the Help of Reduced Component-to-Component Spacing, SMT Magazine, 05.2015

8 Coleman, W., Stencil Printing of Small Apertures, SMT Magazine, 04.2013

9 Reise, W., Ritz, K., Flexible und starrflexible Leiterplatten, Eugen G. Leuze Verlag, 2006

10 Gerlach, B., Bearbeitung von Leiterplatten - Mechanisches Bohren, Laserbohren, Fräsen und Ritzen, Eugen G. Leuze Verlag, 2003

11 Rahn, A., Erfassung von Lötprofilen - Methodik, Fehlerquellen, Messtoleranzen, Eugen G. Leuze Verlag, 2008

14 Tuerck, A., In-Line Solder Penetration Testing with 3D X-ray Inspection, SMT Magazine, 06.2015

15 Olympus Application Note - Sectioning Analysis for Ball Grid Array (BGA) Surface Mounting of Semiconductor Package using the Olympus OLS4100 Laser Confocal Microscope, Olympus, 2016

16 Stratev A., Farkov G., Videkov V., Optical Control of Laser Cut Stencils, XLVI International Scientific Conference on Information, communication and energy systems and technologies, 2011

31

21 Manufacturing Test Strategy Cost Model User's Guide, NEMI Board Assembly Technical Integration Group, 2003

22 Prasad, R., Surface mount technology – principles and practice, Kluwer Academic Publishers, 2002

61 Christoph, R., Neumann, H.J., Multisensor-Koordinatenmesstechnik, Süddeutscher Verlag onpact, 2013

69 Weidmann, E., Guesnier, A., Bundgaard, H., Metallographic preparation of microelectronics (application note), Struers A/S, Copenhagen, Denmark, 2005

100 Amit, V., Effective Test Strategies for Modern Printed Circuit Boards, Teradyne Inc., 2001

117 Farkov G., M. Camminadi, Approaches for Automated PCB measurements, XIX International Scientific Conference Electronics ET 2010, 2010

118 Фърков Г., Подобрения при автоматизирани измервания на печатни платки, ХХII Национален научен симпозиум с международно участие „Метрология и метрологично осигуряване 2012", 2012

119 Froehlich, W., Optische Geometriemessung im Electronic Packaging, Kolloquium, Dresden, 2005

134 Табенкин, А.Н., Тарасов, С.Б., Степанов, С.Н., Шероховатость, волнистость, профиль – международный опит, Издательство Политехнического университета, 2007

151 Videkov V. Stratev A., Farkov G., New method for application of soldering paste „No Stencil Printing” ®, Elektrotechnica&Elektronica vol. 47. No 1-2/2012

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторът би искал да изкаже своите най-сърдечни благодарности към научния

ръководител доц. д-р инж. Валентин Видеков за подкрепата през целия период на

докторантурата.

Също така авторът би искал да изкаже специални благодарности за подкрепата и

съдействието по различни въпроси свързани с докторантурата на:

г-н Георги Атанасов, Фесто Производство ЕООД, София, България

г-н Арно Куюмджиян, Фесто Производство ЕООД, София, България

г-н д-р Вичо Вичев, Фесто Производство ЕООД, София, България

г-н Георги Митев, Фесто Производство ЕООД, София, България

г-н д-р Александър Ширлетов, Фесто Производство ЕООД, София, България

г-н Марко Каминади, University of Applied Sciences, Gelsenkirchen, Germany

г-н Христо Иванов, S.E.M. Technologies, София, България.

32

RESUME

Optimization of quality control methods in the surface mount technology

During the last 15 to 20 years we are witnessing the constant development of electronic and

microelectronic technologies. Portable and mobile devices enter the market more and more widely.

In addtition the electronics increasing its role in fields such as automotive and medicine industry,

industrial automation, etc. There is a necessity of newer miniature components, new types of PCBs

and of course more possibilities for quality control and analysis.

A major topic nowadays is how control time and costs can be optimized and reduced to a

reasonable minimum. On one hand this is possible with a detailed analysis of already known control

methods and designing new or suggesting improved ones. Appropriate is to offer adequate solutions

and tools that minimize the operator times and generally reduce the necessity of highly qualified

personnel.

The aim of the dissertation is quality control procedures used in surface mount technology at

Festo Production LTD to be studied, analyzed and optimized. The focus of the research and

suggested improvements is mainly on processes that are slow, expensive and require improved

quality of analysis. Special attention will be paid to control methods associated with surface mount

technology, especially automated measurements using three-coordinate measuring machines and

the preparation of metallographic cross sections of electronic and microelectronic specimens.

In the dissertation there are several solutions for automated measurement of panels containg

multiplied PCBs using multisensor threecoordinate measuring machine and some additional

improvements such as graphical user interface for configuration and starting of measuring

programs, as well as adequate ways of presenting the measurement results.

In addition to the traditional method of cross section preparation, optimized preparation method

is proposed, where the process steps have been reduced from 8 to 4 and thus reduction of process

times and total cost is achieved.

Finally, presented are methodology to evaluate and compare each process step during cross

section preparation and ways to determine the appropriate observation method, e.g. dark field or

bright field microscopic observation.