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1、天马行空官方博客：http:/ ；QQ:1318241189；QQ 群：175569632BGA 器件及其焊点的质量控制随着科学技术的不断发展，现代社会与电子技术息息相关，超小型移动电话、超小型步话机、便携式计算机、存储器、硬盘驱动器、光盘驱动器、高清晰度电视机等都对产品的小型化、轻型化提出了苛刻的要求。要达到达一目标，就必须在生产工艺、元器件方面着手进行深入研究。 SMT(Surface Mount Technology 表面安装)技术顺应了这一潮流，为实现电子产品的轻、薄、短、小打下了基础。SMT 技术进入 90 年代以来，走向了成熟的阶段，但随着电子产品向便据式小型化、网络化和多媒体化方
2、向的迅速发展，对电子组装技术提出了更高的要求，新的高密度组装技术不断涌现，其中BGA(Ball Grid Array 球栅阵列封装)就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。本文试图就 BGA 器件的组装特点以及焊点的质量控制作一介绍。1 BGA 技术简介 BGA 技术的研究始于 60 年代，最早被美国 IBM 公司采用，但一直到 90 年代初，BGA 才真正进入实用化的阶段。 在 80 年代，人们对电子电路小型化和 I/O 引线数提出了更高的要求。虽然 SMT 使电路组装具有轻、薄、短、小的特点，对于具有高引线数的精细间距器件的引线间距以及引线共平面度也提出了更为严格的要求，但是由于受到加
3、工精度、可生产性、成本和组装工艺的制约，一般认为 QFP(Quad Flat Pack 方型扁平封装)器件间距的极限为 0.3mm，这就大大限制了高密度组装的发展。另外，由于精细间距 QFP 器件对组装工艺要求严格，使其应用受到了限制，为此美国一些公司就把注意力放在开发和应用比 QFP 器件更优越的 BGA 器件上。精细间距器件的局限性在于细引线易弯曲、质脆而易断，对于引线间的共平面度和贴装精度的要求很高。 BGA 技术采用的是一种全新的设计思维方式，它采用将圆型或者柱状点隐藏在封装下面的结构，引线间距大、引线长度短。这样， BGA 就消除了精细间距器件中由于引线问题而引起的共平面度和翘曲的问
4、题。JEDEC(电子器件工程联合会)(JC-11)的工业部门制定了 BGA 封装的物理标准，BGA 与 QFD 相比的最大优点是 I/O 引线间距大，已注册的引线间距有 1.0、1.27 和 1.5mm，而且目前正在推荐由 1.27mm 和 1.5mm 间距的 BGA 取代 0.4mm-0.5mm 的精细间距器件。 BGA 器件的结构可按焊点形状分为两类：球形焊点和校状焊点。球形焊点包括陶瓷球栅阵列 CBGA(Ceramic Ball Grid Array)、载带自动键合球栅阵列 TBGA(Tape Automatec Ball Grid Array)塑料球栅阵列 PBGA(Plastic B
5、all Array)。 CBGA、TBGA 和 PBGA 是按封装方式的不同而划分的。柱形焊点称为 CCGA(Ceramic Column Grid Array)。 BGA 技术的出现是 IC 器件从四边引线封装到阵列焊点封装的一大进步，它实现了器件更小、引线更多，以及优良的电性能，另外还有一些超过常规组装技术的性能优势。这些性能优势包括高密度的 I/O 接口、良好的热耗散性能，以及能够使小型元器件具有较高的时钟频率。 由于 BGA 器件相对而言其间距较大，它在再流焊接过程中具有自动排列定位的能力，所以它比相类似的其它元器件，例如 QFP，操作便捷，在组装时具有高可靠性。据国外一些印刷电路板制
6、造技术资料反映， BGA 器件在使用常规的 SMT 工艺规程和设备进行组装生产时，能够始终如一地实现缺陷率小于 20(PPM)，而与之相对应的器件，例如 QFP，在组装过程中所形成的产品缺陷率至少要超过其10 倍。综上所述， BGA 器件的性能和组装优于常规的元器件，但是许多生产厂家仍然不愿意投资开发大批量生产 BGA 器件的能力。究其原因主要是 BGA 器件焊接点的测试相当困难，不容易保证其质量和可靠性。 2 BGA 器件焊接点检测中存在的问题 目前，对以中等规模到大规模采用 BGA 器件进行电子组装的厂商，主要是采用电子测试的方式来筛选 BGA 器件的焊接缺陷。在 BGA 器件装配期间控制
7、装配工艺过程质量和鉴别缺陷的其它办法，包括在焊剂漏印(Paste Screening)上取样测试和使用 X 射线进行装配后的最终检验，以及对电子测试的结果进行分析。满足对 BGA 器件电子测试的评定要求是一项极具挑战性的技术，因为在 BGA 器件下面选定溯试点是困难的。在检查和鉴别 BGA 器件的缺陷方面，电子测试通常是无能为力的，这在很大程度上增加了用于排除缺陷和返修时的费用支出。据一家国际一流的计算机制造商反映，从印刷电路板装配线上剔除的所有 BGA 器件中的 50以上，采用电子测试方式对其进行测试是失败的，它们实际上并不存在缺陷，因而也就不应该被剔除掉。电子测试不能够确定是否是 BGA
8、器件引起了测试的失效，但是它们却因此而被剔除掉。对其相关界面的仔细研究能够减少测试点和提高测试的准确性，但是这要求增加管芯级电路以提供所需的测试电路。 在检测 BGA 器件缺陷过程中，电子测试仅能确认在 BGA 连接时，判断导电电流是通还是断?如果辅助于非物理焊接点测试，将有助于组装工艺过程的改善和 SPC(Statistical Process Control 统计工艺控制) 。 BGA 器件的组装是一种基本的物理连接工艺过程。为了能够确定和控制这样一种工艺过程的质量，要求了解和测试影响其长期工作可靠性的物理因素，例如：焊料量、导线与焊盘的定位情况，以及润湿性，否则试图单单基于电子测试所产生
9、的结果进行修改，令人格忧。 3 BGA 器件检测方式的探索 测试 BGA 器件连接点的物理特性和确定如何才能始终如一地在装配工艺过程中形成可靠连接的能力，在开始进行工艺过程研究期间显得特别的重要。这些测试所提供的反馈信息影响到每个工艺过程的调整，或者要变动焊接点的参数。 物理测试能够表明焊剂漏印的变化情况，以及 BGA 器件连接点在整个再流工艺过程中的情况，也可以表明在一块板上所有 BGA 的情况，以及从一块板到另一块板的 BGA 情况。举例来说，在再流焊接期间，极度的环境湿度伴随着冷却时间的变化，将在 BGA 焊接点的空隙数量和尺寸大小上迅速反映出来。在 BGA 器件生产好以后，大量的测试对
10、于组装过程控制而言仍然是关键，但是可以考虑降低检查的深入程度。 可以用于对整个 BGA 器件组装工艺过程进行精确测量和质量检测的检验设备非常少，自动化的激光检测设备能够在元器件贴装前测试焊剂的涂覆情况，但是它们的速度缓慢，不能用来检验 BGA 器件焊接点的再流焊接质量。 目前许多生产厂商用于分析电子测试结果的 X 射线设备，也存在能否测试 BGA 器件焊接点再流焊特性的问题。采用 X 射线装置，在焊盘层焊料的图象是“阴影” ，这是由于在焊接点焊料处在它上方的缘故。在不可拆( non-collapsible) BGA 器件中，由于前置焊球的缘故，也会出现“阴影 ”现象。例如：当 BGA 中接触点
11、升浮在印刷电路板焊盘的上方，产生断路现象时，由于前面的前置焊球使得确定这一现象显得非常困难。 这是由于焊料或者前置焊球所引发的“阴影” 效果限制了 X 射线设备的检测工作，使之仅能粗略地反映 BGA 的工艺过程缺陷，例如：桥接现象。同时也影响到检测边缘部份的工艺缺陷，像焊料不足，或者由于污染引起的断路现象。 仅有横截面 X 射线检测技术，例如:X 射线分层法，能够克服上述条件的制约。横截面 X 射线检测技术具有能够查出隐藏的焊接点缺陷的能力，通过对焊盘层焊接点的聚焦，能够揭示出 BGA 焊接点的连接情况。在同样的情况下，采用 X 射线设各所获得的图像中，实际情况可能被隐藏掉了，从而不能够反映出
12、真实的情况。 焊料的数量以及它在连接点的分布情况，通过在 BGA 连接点的二个或更多个不同的高度(例如：在印制电路板焊盘接触面，在元器件接触面，或者在元器件和印刷电路板之间的一半高度)所产生的横截面图像或者“水平切片 ”予以直接测量，再结合同类 BGA 连接点的多次切片测量，能够有效地提供三维测试，可以在对 BGA 连接点不进行物理横截面操作的情况下进行检测。 根据 BGA 连接点的常规结构，在每个横截面 X 射线图像“切片”内，具体连接点的特征被进行分离并予于以测量，从而提供定量的统计工艺控制(SPC)测量， SPC 测量能够用于追踪过程偏移，以及将其特征归入对应的缺陷范畴。 如图 1 所示
13、，超过三个图像切片就能够获得不可拆 BGA 的焊接点情况，在图 1 中“印刷电路权焊料切片 ”中心定位于印刷电路板焊盘界面上，低共熔点焊料焊接轮廓内，“焊料球切片” 中心定位引线焊球( lead solder ball)内，“元器件焊盘切片” 中心定位于元器件界面的低共熔点焊料焊接轮廓线内。 可拆卸 BGA 焊接点，通过两个或者更少的图像“ 切片”就可以反映其全部特征，图像“ 切片” 中心可以定价于印刷电路板的焊盘界面处，也可以是在元器件界面处或者仅仅是在元器件和印刷电路板之间的一半位置处。 通过 X 射线分层法切片，在 BGA 焊接点处可以获取如下四个基本的物理超试参数： 焊接点中心的位置
14、焊接点中心在不同图像切片中的相对位置，表明元器件在印刷电路扳焊盘上的定位情况。 焊接点半径 焊接点半径测量表明在特定层面上焊接点中焊料的相应数量，在焊盘层的半径测量表明在焊剂漏印(PasteScreening)工艺过程中以及因焊盘污染所产生的任何变化，在球层(ball level)的半径测量表明跨越元器件或者印刷电路板的焊接点共面性问题。 以焊接点为中心取若干个环线，测量每个环线上焊料的厚度 环厚度测量和它们的各种变化率，展示焊接点内的焊料分布情况，利用这些参数在辩别润湿状况优劣和空隙存在情况时显得特别的有效。 焊接点形状相对于圆环的误差(也称为圆度) 焊接点的圆度显示焊料围绕焊接点分布的匀称
15、情况，作为同一个园相比较，它反映与中心对准和润湿的情况。 总的来说，上述测试所提供的信息数据，对于确定焊接点结构的完整姓，以及了解 BGA 装配工艺实施过程中每个步骤的性能情况是非常重要的。掌握了这些在 BGA 组装过程中所提供的信息和这些物理测试之间的相互关系，能够用于防止位移现象的产生，另外可改善相关的工艺过程，以消除缺陷现象的产生。图 2 示出了采用 x 射线分层法控制 BGA 焊接质量的情况。采用 x 射线分层法能够反映 BGA 组装工艺过程中任何一个阶段所发生的缺陷。 4 两种常见的缺陷 4.1 不可拆 BGA 焊接点的断路 不可拆 BGA 焊接点处所发生的断路现象，通常是由于焊盘污
16、染所引起的，由于焊料不能润湿印刷电路板上的焊盘，它向上“爬” 到焊料球一直到元器件界面上。如前面所叙，电子测试能够确定断路现象的存在，但是不能区别：这是由于焊盘污染所引起的呢?还是由于焊料漏印工艺过程控制不住所引起的？利用 X 射线设备进行测试，也不能揭示断路现象，这是因为受到前置焊科球“阴影” 的影响。 利用横截面 X 射线检测技术，能够通过在焊盘层和元器件层中间获取的图像切片辩别出这种由于污染所引起的断路现象。由于污染所引起的断路现象，会产生细小的焊盘半径和较大的元器件半径尺寸，所以可以利用元器件半径和焊盘半径的差异来区分断路现象是否是由于污染引起的。由于焊料不足所引起的断路现象其半径之间的差异是非常小的，只有利用横截面 x 射线检测设备才能够辩别出这一差异。4.2 可拆卸 BGA 焊接中空隙 可拆卸 BGA 焊接中的空隙是由于流动的蒸汽被截留在低共熔点焊料焊接处所产生的。在
