Metody minimalizacji dawki promieniowania rentgenowskiego podczas inspekcji

Ostatnio w prasie fachowej ukazały się opracowania, podnoszące kwestię dawki promieniowania, jakiej podawane są komponenty podczas kontroli rentgenowskiej. Dawka promieniowania jest definiowana jako ilość energii zdeponowanej w jednostce masy badanego materiału. Jednostką dawki promieniowania jest 1 Gy (Gray) = 1 dżul/kg = 100 radów. Termin moc dawki jest używany do wskazania dawki na jednostkę czasu (np. Gy/min lub Rad/min). Mnożąc moc dawki przez czas, jaki urządzenie spędza w tym punkcie, otrzymujemy dawkę dla urządzenia. Przy bardzo dużych dawkach promieniowania - o wiele rzędów wielkości większych niż te, które można uzyskać podczas kontroli rentgenowskiej - duża ilość energii jest deponowana w matrycy krzemowej, co powoduje fizyczne uszkodzenie komponentu. Dla producentów elektroniki zagrożenie dawką promieniowania generowaną podczas kontroli rentgenowskiej nie polega na poważnej awarii, której wystąpienie jest zawsze pewne, ponieważ takich poziomów dawki praktycznie nie da się osiągnąć podczas kontroli rentgenowskiej w hali produkcyjnej. Zamiast tego potencjalne zagrożenie stanowią subtelniejsze mechanizmy awarii, np. przesunięcia bitów, utrata marginesu programu i kasowania, upływy itp., w przypadku których awaria urządzenia ma pewne statystyczne lub losowe prawdopodobieństwo wystąpienia, a uszkodzenia fizyczne nie są widoczne. Problem w przypadku produktów komercyjnych (commercial-off-the shelf, COTS) polega na tym, że awarie mogą wystąpić przy dawkach promieniowania o rzędy wielkości niższych niż dawka ‘poważnej awarii’, a zatem potencjalnie mieszczących się w dawkach generowanych podczas kontroli rentgenowskiej.

Należy jednak podkreślić, że niektóre urządzenia są bardziej wrażliwe na dawkę promieniowania niż inne, ale zdecydowana większość produkty są niewrażliwe na kontrolę rentgenowską. Trzeba też stwierdzić, że rzeczywiste progowe poziomy dawki promieniowania dla zdarzeń losowych są bardzo trudne do zdefiniowania. W rzeczywistości wartości podawane w literaturze różnią się o rzędy wielkości (Tabela 1) i dlatego mogą w rzeczywistości znacznie przekraczać to, co w praktyce można uznać za problem nawet podczas najbardziej rozbudowanej kontroli rentgenowskiej. Definicja efektu losowego oznacza, że ​​przekroczenie progu dawki nigdy nie jest pewne w przypadku pojedynczego urządzenia na konkretnej płycie. Przekroczenie progu dawki jedynie zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia awarii w całym cyklu produkcyjnym danego konkretnego urządzenia COTS.

Tabela 1. Przybliżone progi uszkodzeń spowodowanych losową dawką całkowitą dla różnych typów elektroniki komercyjnej.

Jeżeli konkretny komponent na płytce jest potencjalnie zagrożony, prawdopodobna dawka promieniowania przekazana podczas kontroli rentgenowskiej musi zostać oszacowana przed rozpoczęciem badań. Wymaga to rozważenia kilku czynników:

• Zrozumienia i pomiaru mocy dawki promieniowania, której każde urządzenie prawdopodobnie doświadczy w systemie rentgenowskim podczas różnych etapów kontroli
• Wiedzy na temat całkowitego czasu spędzonego przy każdej mocy dawki. W ten sposób można obliczyć skumulowaną dawkę dla każdego urządzenia w całej procedurze kontroli i porównać ją z odpowiednim progiem krytycznym. Należy również pamiętać, że dawka promieniowania dla półprzewodników jest kumulatywna, tak więc powtórzenie procedury kontroli podwoi dawkę dla komponentu. Powtórna kontrola, typowa po przeróbkach, może mieć zatem ważne implikacje dla podatnych komponentów.

Pomiar dawki promieniowania dla komponentów i jej późniejszych skutków zawsze był przedmiotem szczególnej troski w zastosowaniach kosmicznych i wojskowych, co skutkowało opracowywaniem komponentów odpornych na promieniowanie. Są one w stanie wytrzymać o kilka rzędów wielkości więcej promieniowania niż ich odpowiedniki komercyjne. Jednakże pierwotnym impulsem do ich opracowania były potencjalne uszkodzenia IC powstałe podczas kontroli rentgenowskiej zwykłych komponentów SMT, a szczególnego znaczenia nadała temu tematowi katastrofa World Trade Center. Pierwszym elementem był prawdopodobny wzrost częstotliwości i intensywności kontroli bezpieczeństwa na lotniskach, a drugim działania poczty USA (USPS), mające na celu sterylizację przesyłek pocztowych i paczek w odpowiedzi do prób rozpowszechniania wąglika.

Czynniki wpływające na dawkę promieniowania podawaną próbce podczas inspekcji

• Moc dawki i odległość: Moc dawki promieniowania zmienia się proporcjonalnie do odwrotności kwadratu odległości. Innymi słowy, jeśli podwoisz odległość, moc dawki zmniejszy się czterokrotnie w stosunku do pierwotnej wartości. Potrojenie odległości spowoduje zmniejszenie mocy dawki dziewięciokrotnie itd. Zatem odległość, jaka dzieli urządzenie od źródła promieniowania rentgenowskiego podczas rutynowej kontroli, będzie miała ogromny wpływ na moc dawki.
• Moc dawki i moc lampy : Moc dawki promieniowania emitowanego przez lampę rentgenowską zależy również od mocy źródła. Moc oblicza się na podstawie iloczynu potencjału przyspieszającego użytego do uderzenia elektronu w cel (zwanego kV) i prądu w żarniku, który generuje elektrony. kV jest również miarą mocy penetracji promieniowania rentgenowskiego. Im wyższe napięcie kV, tym silniejsze jest promieniowanie rentgenowskie. Parametry te służą do ustawienia lampy na odpowiednich poziomach, aby uzyskać obraz o dobrym kontraście w detektorze. W rozsądnym przybliżeniu, moc dawki jest liniowa wraz z mocą źródła, a zatem wraz z podwojeniem mocy, moc dawki również wzrasta
• Moc dawki i filtracja wiązki : Technika inspekcji rentgenowskiej wymaga, aby padająca wiązka promieniowania rentgenowskiego była absorbowana w różnym stopniu przez materiały o różnej gęstości w znajdujące się na płytce. Oprócz osłabienia siły wiązki promieniowania rentgenowskiego poprzez przejście przez materiał, następuje również modyfikacja widma energii promieniowania rentgenowskiego. Efekt ten można wykorzystać do znacznego zmniejszenia dawki dla urządzeń. Na przykład materiał płytki PCB lub materiał obudowy urządzenia może chronić podatny krzem poprzez filtrowanie wiązki promieni rentgenowskich.Celowe zastosowanie dodatkowej filtracji, poprzez umieszczenie pewnej grubości materiału bezpośrednio przed próbką, może również poprawić czułość detekcji. Osiąga się to poprzez optymalizację kontrastu niektórych materiałów w próbce, takich jak miedź używana jako ścieżki w PCB i lutowie używane do połączeń, bez zwiększania dawki trafiającej do krzemu. Dzięki zastosowaniu odpowiednich filtrów dawkę dla podatnych komponentów można drastycznie zmniejszyć bez uszczerbku dla jakości obrazu niezbędnej do oznaczeń analitycznych. Optymalny filtr do inspekcji rentgenowskiej, który działa jako filtr górnoprzepustowy (energetyczny), powinien idealnie mieć liczbę atomową w zakresie Z = 30–35, czyli kilka razy większą niż Cu (Z = 29). Ponieważ podatnym składnikiem w urządzeniach jest zazwyczaj krzem (Z = 14), to cynk (Zn) ma najlepsze właściwości w zastosowaniach półprzewodnikowych i PCB. Wynika to z faktu, że jego profil absorpcji promieniowania rentgenowskiego blokuje promieniowanie rentgenowskie o niskiej energii, które zwiększa dawkę promieniowania trafiającą do krzemu, nie poprawiając jakości obrazu. Tymczasem ścieżki miedziane i lutowie w PCB są nadal dobrze obrazowane przez promieniowanie rentgenowskie o wyższej energii.

Podsumowanie - metody minimalizacji dawki

Aby zminimalizować dawkę promieniowania emitowaną podczas kontroli rentgenowskiej, należy rozważyć poniższe kroki:

• Zwiększ odległość między próbką a ogniskiem lampy.
• Umieść dodatkową filtrację między próbką a źródłem promieniowania rentgenowskiego. Sugerowane jest użycie (~ 100–150 mikronów). Zmniejszy to dawkę o współczynnik ~ 100-krotności lub pozwoli 100-krotnie wydłużyć czas inspekcji, jeśli to konieczne, bez nadmiernego pogorszenia jakości obrazu.
• Zminimalizuj czas inspekcji, automatyzując procedurę w jak największym stopniu, tak aby badane były tylko te obszary, które tego wymagają.
• Rozważ konieczność kolejnych lub powtórzonych inspekcji, np. po przeróbkach.
• Wykonaj potwierdzające pomiary dawki, aby potwierdzić swoje wyliczenia teoretyczne

Żródło: Considerations for Minimizing Radiation Doses to Components During X-ray Inspection Autorzy: David Bernard, Rabans Lane, Richard C. Blish © Nordson

Zapraszamy na nasze nowe wydarzenie, Hardware Forum 2026, 14-15 maja 2026. Zapisz się już dziś i skorzystaj z oferty early bird: