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BGA器件及其焊點的質量控制

更新時間:2016-12-14 10:07:29點擊次數: 文章來源:深北電子

BGA器件及其焊點的質量控制

隨著科學技術的不斷發展,現代社會與電子技術息息相關,超小型移動電話、超小型步話機、便攜式計算

機、存儲器、硬盤驅動器、光盤驅動器、高清晰度電視機等都對產品的小型化、輕型化提出了苛刻的要求

。要達到達一目標,就必須在生產工藝、元器件方面著手進行深入研究。 
SMT(Surface Mount Technology 表面安裝)技術順應了這一潮流,為實現電子產品的輕、薄、短、小打下

了基礎。
    SMT技術進入 90年代以來,走向了成熟的階段,但隨著電子產品向便據式/小型化、網絡化和多媒體

化方向的迅速發展,對電子組裝技術提出了更高的要求,新的高密度組裝技術不斷涌現,其中BGA(Ball 
Grid Array 球柵陣列封裝)就是一項已經進入實用化階段的高密度組裝技術。本文試圖就BGA器件的組裝

特點以及焊點的質量控制作一介紹。
1、BGA 技術簡介
    BGA 技術的研究始于60年代,最早被美國IBM公司采用,但一直到90年代初,BGA 
才真正進入實用化的階段。在80年代,人們對電子電路小型化和I/O引線數提出了更高的要求。雖然SMT使

電路組裝具有輕、薄、短、小的特點,對于具有高引線數的精細間距器件的引線間距以及引線共平面度也

提出了更為嚴格的要求,但是由于受到加工精度、可生產性、成本和組裝工藝的制約,一般認為 QFP

(Quad Flat Pack 方型扁平封裝)器件間距的極限為0.3mm,這就大大限制了高密度組裝的發展。另外,由

于精細間距QFP器件對組裝工藝要求嚴格,使其應用受到了限制,為此美國一些公司就把注意力放在開發

和應用比QFP器件更優越的BGA器件上。
    精細間距器件的局限性在于細引線易彎曲、質脆而易斷,對于引線間的共平面度和貼裝精度的要求很

高。 
BGA技術采用的是一種全新的設計思維方式,它采用將圓型或者柱狀點隱藏在封裝下面的結構,引線間距

大、引線長度短。這樣, BGA就消除了精細間距器件中由于引線問題而引起的共平面度和翹曲的問題。
    
JEDEC(電子器件工程聯合會)(JC-11)的工業部門制定了BGA封裝的物理標準,BGA與QFD相比的最大優點是

I/O引線間距大,已注冊的引線間距有1.0、1.27和1.5mm,而且目前正在推薦由1.27mm和1.5mm間距的BGA

取代0.4mm-0.5mm的精細間距器件。
    BGA器件的結構可按焊點形狀分為兩類:球形焊點和校狀焊點。球形焊點包括陶瓷球柵陣列 CBGA

(Ceramic Ball Grid Array)、載帶自動鍵合球柵陣列 TBGA(Tape Automatec Ball Grid Array)塑料球柵

陣列PBGA(Plastic Ball Array)。 CBGA、TBGA和PBGA是按封裝方式的不同而劃分的。柱形焊點稱為CCGA

(Ceramic Column Grid Array)。
    
BGA技術的出現是IC器件從四邊引線封裝到陣列焊點封裝的一大進步,它實現了器件更小、引線更多,以

及優良的電性能,另外還有一些超過常規組裝技術的性能優勢。這些性能優勢包括高密度的I/O接口、良

好的熱耗散性能,以及能夠使小型元器件具有較高的時鐘頻率。
     
由于BGA器件相對而言其間距較大,它在再流焊接過程中具有自動排列定位的能力,所以它比相類似的其

它元器件,例如QFP,操作便捷,在組裝時具有高可靠性。據國外一些印刷電路板制造技術資料反映, 
BGA器件在使用常規的SMT工藝規程和設備進行組裝生產時,能夠始終如一地實現缺陷率小于20(PPM),而

與之相對應的器件,例如QFP,在組裝過程中所形成的產品缺陷率至少要超過其10倍。
    綜上所述, BGA器件的性能和組裝優于常規的元器件,但是許多生產廠家仍然不愿意投資開發大批量

生產BGA器件的能力。究其原因主要是BGA器件焊接點的測試相當困難,不容易保證其質量和可靠性。

2、BGA器件焊接點檢測中存在的問題
     
目前,對以中等規模到大規模采用BGA器件進行電子組裝的廠商,主要是采用電子測試的方式來篩選BGA器

件的焊接缺陷。在BGA器件裝配期間控制裝配工藝過程質量和鑒別缺陷的其它辦法,包括在焊劑漏印

(Paste Screening)上取樣測試和使用X射線進行裝配后的最終檢驗,以及對電子測試的結果進行分析。
    
滿足對BGA器件電子測試的評定要求是一項極具挑戰性的技術,因為在BGA器件下面選定溯試點是困難的。

在檢查和鑒別BGA器件的缺陷方面,電子測試通常是無能為力的,這在很大程度上增加了用于排除缺陷和

返修時的費用支出。
     
據一家國際一流的計算機制造商反映,從印刷電路板裝配線上剔除的所有BGA器件中的50%以上,采用電

子測試方式對其進行測試是失敗的,它們實際上并不存在缺陷,因而也就不應該被剔除掉。電子測試不能

夠確定是否是BGA器件引起了測試的失效,但是它們卻因此而被剔除掉。對其相關界面的仔細研究能夠減

少測試點和提高測試的準確性,但是這要求增加管芯級電路以提供所需的測試電路。
    
在檢測BGA器件缺陷過程中,電子測試僅能確認在BGA連接時,判斷導電電流是通還是斷?如果輔助于非物

理焊接點測試,將有助于組裝工藝過程的改善和SPC(Statistical Process Control統計工藝控制)。
    
BGA器件的組裝是一種基本的物理連接工藝過程。為了能夠確定和控制這樣一種工藝過程的質量,要求了

解和測試影響其長期工作可靠性的物理因素,例如:焊料量、導線與焊盤的定位情況,以及潤濕性,否則

試圖單單基于電子測試所產生的結果進行修改,令人格憂。
3、BGA器件檢測方式的探索
    測試 BGA器件連接點的物理特性和確定如何才能始終如一地在裝配工藝過程中形成可靠連接的能力,

在開始進行工藝過程研究期間顯得特別的重要。這些測試所提供的反饋信息影響到每個工藝過程的調整,

或者要變動焊接點的參數。
     
物理測試能夠表明焊劑漏印的變化情況,以及BGA器件連接點在整個再流工藝過程中的情況,也可以表明

在一塊板上所有BGA的情況,以及從一塊板到另一塊板的BGA情況。舉例來說,在再流焊接期間,極度的環

境濕度伴隨著冷卻時間的變化,將在BGA焊接點的空隙數量和尺寸大小上迅速反映出來。在BGA器件生產好

以后,大量的測試對于組裝過程控制而言仍然是關鍵,但是可以考慮降低檢查的深入程度。
     
可以用于對整個BGA器件組裝工藝過程進行精確測量和質量檢測的檢驗設備非常少,自動化的激光檢測設

備能夠在元器件貼裝前測試焊劑的涂覆情況,但是它們的速度緩慢,不能用來檢驗BGA器件焊接點的再流

焊接質量。
     
目前許多生產廠商用于分析電子測試結果的X射線設備,也存在能否測試BGA器件焊接點再流焊特性的問題

。采用X射線裝置,在焊盤層焊料的圖象是“陰影”,這是由于在焊接點焊料處在它上方的緣故。在不可

拆( non-collapsible) BGA器件中,由于前置焊球的緣故,也會出現“陰影”現象。例如:當BGA中接觸

點升浮在印刷電路板焊盤的上方,產生斷路現象時,由于前面的前置焊球使得確定這一現象顯得非常困難

。
    
這是由于焊料或者前置焊球所引發的“陰影”效果限制了X射線設備的檢測工作,使之僅能粗略地反映BGA

的工藝過程缺陷,例如:橋接現象。同時也影響到檢測邊緣部份的工藝缺陷,像焊料不足,或者由于污染

引起的斷路現象。
     
僅有橫截面X射線檢測技術,例如:X射線分層法,能夠克服上述條件的制約。橫截面X射線檢測技術具有能

夠查出隱藏的焊接點缺陷的能力,通過對焊盤層焊接點的聚焦,能夠揭示出BGA焊接點的連接情況。在同

樣的情況下,采用X射線設各所獲得的圖像中,實際情況可能被隱藏掉了,從而不能夠反映出真實的情況

。
     
焊料的數量以及它在連接點的分布情況,通過在BGA連接點的二個或更多個不同的高度(例如:在印制電路

板焊盤接觸面,在元器件接觸面,或者在元器件和印刷電路板之間的一半高度)所產生的橫截面圖像或者

“水平切片”予以直接測量,再結合同類BGA連接點的多次切片測量,能夠有效地提供三維測試,可以在

對 BGA連接點不進行物理橫截面操作的情況下進行檢測。
    
根據BGA連接點的常規結構,在每個橫截面X射線圖像“切片”內,具體連接點的特征被進行分離并予于以

測量,從而提供定量的統計工藝控制(SPC)測量,SPC測量能夠用于追蹤過程偏移,以及將其特征歸入對應

的缺陷范疇。
     
如圖1所示,超過三個圖像切片就能夠獲得不可拆BGA的焊接點情況,在圖1中“印刷電路權焊料切片”中

心定位于印刷電路板焊盤界面上,低共熔點焊料焊接輪廓內,“焊料球切片”中心定位引線焊球( 
lead solder ball)內,“元器件焊盤切片”中心定位于元器件界面的低共熔點焊料焊接輪廓線內??刹?/p>

卸BGA焊接點,通過兩個或者更少的圖像“切片”就可以反映其全部特征,圖像“切片”中心可以定價于

印刷電路板的焊盤界面處,也可以是在元器件界面處或者僅僅是在元器件和印刷電路板之間的一半位置處

。通過X射線分層法切片,在BGA焊接點處可以獲取如下四個基本的物理超試參數:
  ①焊接點中心的位置:焊接點中心在不同圖像切片中的相對位置,表明元器件在印刷電路扳焊盤上的定

位情況。
  ② 
焊接點半徑:焊接點半徑測量表明在特定層面上焊接點中焊料的相應數量,在焊盤層的半徑測量表明在焊

劑漏印(PasteScreening)工藝過程中以及因焊盤污染所產生的任何變化,在球層(ball 
level)的半徑測量表明跨越元器件或者印刷電路板的焊接點共面性問題。
  
③以焊接點為中心取若干個環線,測量每個環線上焊料的厚度:環厚度測量和它們的各種變化率,展示焊

接點內的焊料分布情況,利用這些參數在辯別潤濕狀況優劣和空隙存在情況時顯得特別的有效。
  ④焊接點形狀相對于圓環的誤差(也稱為圓度):焊接點的圓度顯示焊料圍繞焊接點分布的勻稱情況,作

為同一個園相比較,它反映與中心對準和潤濕的情況。
     總的來說,上述測試所提供的信息數據,對于確定焊接點結構的完整姓,以及了解BGA裝配工藝實施

過程中每個步驟的性能情況是非常重要的。掌握了這些在 
BGA組裝過程中所提供的信息和這些物理測試之間的相互關系,能夠用于防止位移現象的產生,另外可改

善相關的工藝過程,以消除缺陷現象的產生。圖2示出了采用x射線分層法控制BGA焊接質量的情況。采用x

射線分層法能夠反映BGA組裝工藝過程中任何一個階段所發生的缺陷。

4、兩種常見的缺陷
4.1 不可拆BGA焊接點的斷路
     
不可拆BGA焊接點處所發生的斷路現象,通常是由于焊盤污染所引起的,由于焊料不能潤濕印刷電路板上

的焊盤,它向上“爬”到焊料球一直到元器件界面上。如前面所敘,電子測試能夠確定斷路現象的存在,

但是不能區別:這是由于焊盤污染所引起的呢?還是由于焊料漏印工藝過程控制不住所引起的?利用X射線

設備進行測試,也不能揭示斷路現象,這是因為受到前置焊科球“陰影”的影響。
    
利用橫截面X射線檢測技術,能夠通過在焊盤層和元器件層中間獲取的圖像切片,辯別出這種由于污染所引

起的斷路現象。由于污染所引起的斷路現象,會產生細小的焊盤半徑和較大的元器件半徑尺寸,所以可以

利用元器件半徑和焊盤半徑的差異來區分斷路現象是否是由于污染引起的。由于焊料不足所引起的斷路現

象其半徑之間的差異是非常小的,只有利用橫截面x射線檢測設備才能夠辯別出這一差異。
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動的蒸汽被截留在低共熔點焊料焊接處所產生的。在可拆卸BGA焊接點處

出現空隙是一種主要的缺陷現象。在再流焊接期間,由于空隙所產生的浮力影響集中作用在元器件的界面

上,因此所涉及到的絕大數焊接點失效現象,也都發生在那里。
     
所出現的空隙現象可以通過在實施再流焊接工藝過程期間進行預加熱,以及通過增加短暫的預熱時間和較

低的預熱溫度予以消除。當空隙超過一定的尺寸大小、數量或者密度時可靠性將明顯降低,不過現在也有

一種說法認為,不要對空隙予以限制,而是要加速其破裂擴散,使其早日失效并予以剔除??刹鹦禕GA焊

接中的空隙,可以通過在元器件層獲取的橫截面x射線圖像切片中清晰地農現出來。有些空隙在這些圖像

內能夠被確定和測量,或者通過左DGA焊接點半徑處所產生的顯著增加現象而被間接地表現出來。

5、結束語
    本文簡述了BGA器件的組裝特點以及其焊接點處的檢測。隨著 BGA器件在電子產品中愈來愈受到廣泛

的應用,能否制造出優質的BGA器件成為人們極關注的,也是BGA器件滿足當今市場需求所必須做到的。在

減小BGA 
尺寸,簡化裝配工藝過程的同時,對改善BGA性能的要求也在同步地增加。由于在印刷電路板裝配線上BGA

器件的數量顯著增加,這就要求我們能夠有效地評定 BGA焊接點是否具有長期可靠性,而不僅僅滿足于確

定電路是通還是斷。
    
通過橫截面x射線圖像的分析,能夠對BGA焊接點的質量情況提供定量的SPC測量。它能夠有效地降低缺陷

串和改善整個裝配工藝過程。特別需要指出的是,使用橫截面X射線檢測能夠改善工藝過程和降低費用,

以滿足大批量的生產要求,最終以電子產品的高可靠性來增強其市場競爭能力,取得更好的經濟效益。


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