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【3D CT X-Ray】非破壞性立體斷層掃描分析PCBA與BGA不良的原理
這兩年【3D CT X-Ray】商業應用變得越來越有看頭了，隨著投入研發的廠商越來越多，機台費用也越來越便宜，但還不到親民的程度就是了。另外，擁有【3D CT X-Ray】的實驗室(Lab)也越來越多，工作熊接觸過在台灣就至少有兩家以上的實驗室有【3D CT X-Ray】設備。
什麼是【3D CT X-Ray】？
【3D CT X-Ray】顧名思義就是具有可以使X-Ray成像為3D圖檔能力的設備，其基本原理是透過X-Ray不同的深度聚焦掃描後用電腦計算來合成的3D立體圖像。是不是隱約有點什麼擊中了心頭？怎麼好像似曾相似的感覺？沒錯！這就跟我們在醫院經常聽到的【CT】（台語說「鑽隧道(碰空)」）用來做人體全身「電腦斷層掃描」的功用是類似的儀器。這項技術一般稱為【CT（Computerized Tomography) Scan，電腦斷層掃描】。
2D X-Ray的能力有限
相信大家都很清楚，現在一般普遍電子工廠內已經存在的【2D X-Ray】能做的事情其實非常有限，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，或查看印刷電路板的線路(trace)有無明顯的開路(open)或短路(short)，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(short)，再來就是檢查氣泡(bubble)、孔洞(void)的大小有無超標…等現象。
（對於大陸那些盜文網站，複製貼上本站文章後，居然還改成自己公司的名字，感到無恥！文章內容部份防止複製編排可能造成您閱讀的不便，請見諒！）
而那些真正讓電子組裝工廠製程工程師傷腦筋的HIP/HoP(枕頭效應)、NWO(Non-Wet-Open，懸球開路)、BGA crack…等不良現象則難以用原來的【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。
另外，還有一種稱之為2.5D的X-Ray，就是可以在不打開X-Ray設備蓋子的情況下傾斜待測物的角度，讓觀察者可以透過有限的傾斜角度來觀察BGA錫球的焊接情況，達到檢查BGA空焊的能力，但這都很吃個人經驗，而且誤判率還很高。
【3D CT X-Ray】的基本原理與優點
【3D CT X-Ray】基本上會以45°/60°傾斜角旋轉360°掃描樣品一圈來形成3D影像，基本上掃描一張普通3D的X-Ray圖片大概需要花10～15分鐘來做事前的準備動作，然後再花15～20分鐘完成掃描，然後再花5～10分鐘來組合一張3D圖檔，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出不同深度的各層圖像，精確使用的話也可以讓微小缺陷更清晰地顯現出來，進而達到判別缺陷的目的。
所以現在的【3D CT X-Ray】基本上可以比之前的【2D X-Ray】做到更精細的X-Ray掃描並呈現出3D的立體影像結果，因此可以比較簡單的就檢查到BGA的HIP/HoP(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)則取決於我們對crack位置精度的掌握了。
之所以這麼說，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1～4顆BGA錫球左右的大小（視微裂紋縫隙大小而定），所以整體掃描下來可是很累人的，也很花時間，如果是委外的實驗室，這個費用可不便宜，掃描一張圖片大概得花NT15,000~NT30,000不等（費用需諮詢實驗室）。
3D CT X-Ray 的主要應用及限制，3D CT X-Ray 可以幫我們做到什麼事？
要了解【3D CT X-Ray】可以怎麼用就必須先了解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係：
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化學週期表上的原子序
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密度
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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。
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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，所以就可以很清楚的用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）也可以很明確的與矽晶片（矽的原子序：14）做出區別，但如果是COB打鋁線就很難與矽晶片做出區別了（鋁的原子序：13），因為兩者的原子序太過接近。
【3D CT X-Ray】的主要應用：
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IC封裝中的缺陷檢驗。例如：打金線的完整性檢驗、黑膠的裂痕、銀膠及黑膠的氣泡。
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印刷電路板及載板製程中可能產生的缺陷。例如：線路對齊不良或橋接，以及開路、電鍍孔製程品質檢驗、多層板各層線路配置分析。
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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。
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錫球陣列封裝(BGA)及覆晶片(flip chip)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/HoP、NWO、錫球氣泡。
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密度較高的塑膠材質破裂或金屬材質空洞檢驗。
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各式主、被動元件檢測分析。
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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 CT X-Ray】的其他應用：
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逆向工程：
其實【3D CT X-Ray】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機殼或是某些特殊技巧防止拆解的工藝，大部分都可以使用【3D CT X-Ray】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 CT X-Ray】來做全尺寸檢查，合成3D圖形後可以與原來的3D規格檔做比較，從而判斷允收或不良需要重工與否。
【3D CT X-Ray】的注意事項：
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大部分的【3D CT X-Ray】都會限制樣品尺寸的大小，不過一般手機板大多可以整個放進去，沒問題，但最好還是先確認一下尺寸，拼板可能放不進去。
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一般【3D CT X-Ray】掃描的時候會設定一個焦距的中心，距離中心越近的地方所照出來的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。
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一般的掃描大概需要30分種成像一張圖，但需要更精細要求時也可能3～4小時才會出來一張圖，基本上與取圖的頻率有關係，這個要是先溝通好。
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一般【3D CT X-Ray】設備的能力可以從kV/W單位來做初步判斷，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。
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一般的【3D CT X-Ray】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述，要達到最佳能力必須限縮在一定的範圍內，增加解析度。
下圖為使用【3D CT X-Ray】掃描BGA封裝後指定觀察的側面錫球品質結果。 
下圖為使用【3D CT X-Ray】掃描BGA封裝後指定觀察PCB面的錫球品質的結果。 
下圖為其他案例有錫球破裂(Crack)使用CT掃描後所呈現出來的樣貌。 
延伸閱讀：
如何由X-Ray來判斷BGA有否空焊
BGA錫球焊接缺點的幾種檢查方法
AOI可以測哪些電路板組裝的缺點？
用2D的X-Ray實例演練檢查BGA空焊問題
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訪客留言內容（Comments）
請教大大,
上一個問題中(BGA表面的金屬殼在照2D/3D-XRAY會有什麼影響嗎?)您回覆”如果金屬殼的材質為銅或是銀基材就可能會影響。”…
這是因為本文中您提到的原子序的緣故嗎?是否可以麻煩您再進一步詳述,
感恩!
一般工業用的X-ray可分成幾類
a. 2D X-ray: 快速缺陷檢測, 解析不會很高。有些會是2D X-ray, 不同角度拍攝後, 合成3D model, 號稱3D X-ray, 實則是偽3D。
b. 3D X-ray: 可以連續掃描。依照X-ray是open tube or close tube, 依照Pixal size, detector解析和大小, 電壓高低, 量測範圍等等，發展出不同的應用，在電子產業、電池與儲能、高精度醫材領域各有專門應用。有些強調不只檢測，還有量測功能。
c. 3D X-ray microscope (XRM): 3D X-ray和電子顯微鏡的結合。最高的解析的CT方案。在台灣也有電子產業使用。
如有任何興趣，歡迎交流。
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您網站提到國內有3d x-ray有兩家實驗室
搜尋有找到ㄧ家是宜特，請教另一家的廠商是哪家?
若能多知道幾家廠商，工作上就較容易找時間能配合上的廠商了
謝謝~~