bga器件及其焊點(diǎn)的質(zhì)量控制

1、.BGA器件及其焊點(diǎn)的質(zhì)量控制         隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)與電子技術(shù)息息相關(guān)，超小型移動(dòng)電話、超小型步話機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器、高清晰度電視機(jī)等都對(duì)產(chǎn)品的小型化、輕型化提出了苛刻的要求。要達(dá)到達(dá)一目標(biāo)，就必須在生產(chǎn)工藝、元器件方面著手進(jìn)行深入研究。 SMT(Surface Mount Technology 表面安裝)技術(shù)順應(yīng)了這一潮流，為實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的輕、薄、短、小打下了基礎(chǔ)。SMT技術(shù)進(jìn)入90年代以來，走向了成熟的階段，但隨著電子產(chǎn)品向便據(jù)式小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向的迅速

2、發(fā)展，對(duì)電子組裝技術(shù)提出了更高的要求，新的高密度組裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中BGA(Ball Grid Array 球柵陣列封裝)就是一項(xiàng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段的高密度組裝技術(shù)。本文試圖就BGA器件的組裝特點(diǎn)以及焊點(diǎn)的質(zhì)量控制作一介紹。1  BGA 技術(shù)簡介    BGA技術(shù)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(jìn)入實(shí)用化的階段。    在80年代，人們對(duì)電子電路小型化和I/O引線數(shù)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(diǎn)，對(duì)于具有高引線數(shù)的

3、精細(xì)間距器件的引線間距以及引線共平面度也提出了更為嚴(yán)格的要求，但是由于受到加工精度、可生產(chǎn)性、成本和組裝工藝的制約，一般認(rèn)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(fā)展。另外，由于精細(xì)間距QFP器件對(duì)組裝工藝要求嚴(yán)格，使其應(yīng)用受到了限制，為此美國一些公司就把注意力放在開發(fā)和應(yīng)用比QFP器件更優(yōu)越的BGA器件上。精細(xì)間距器件的局限性在于細(xì)引線易彎曲、質(zhì)脆而易斷，對(duì)于引線間的共平面度和貼裝精度的要求很高。 BGA技術(shù)采用的是一種全新的設(shè)計(jì)思維方式，它采用將圓型或者柱狀點(diǎn)隱藏在封裝下面的結(jié)構(gòu)，引線間距大、引線長度短。這樣， BGA就

4、消除了精細(xì)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(lián)合會(huì))(JC-11)的工業(yè)部門制定了BGA封裝的物理標(biāo)準(zhǔn)，BGA與QFD相比的最大優(yōu)點(diǎn)是I/O引線間距大，已注冊(cè)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(xì)間距器件。    BGA器件的結(jié)構(gòu)可按焊點(diǎn)形狀分為兩類：球形焊點(diǎn)和校狀焊點(diǎn)。球形焊點(diǎn)包括陶瓷球柵陣列 CBGA(Ceramic Ball Grid Array)、載帶自動(dòng)鍵合球柵陣列 TBGA(Tape Automatec Ball

5、 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(diǎn)稱為CCGA(Ceramic Column Grid Array)。  BGA技術(shù)的出現(xiàn)是IC器件從四邊引線封裝到陣列焊點(diǎn)封裝的一大進(jìn)步，它實(shí)現(xiàn)了器件更小、引線更多，以及優(yōu)良的電性能，另外還有一些超過常規(guī)組裝技術(shù)的性能優(yōu)勢。這些性能優(yōu)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(shí)鐘頻率。由于BGA器件相對(duì)而言其間距較大，它在再流焊接過程中具有自動(dòng)排列定位的能力，所以它比相類似的其它元器件，例如Q

6、FP，操作便捷，在組裝時(shí)具有高可靠性。據(jù)國外一些印刷電路板制造技術(shù)資料反映， BGA器件在使用常規(guī)的SMT工藝規(guī)程和設(shè)備進(jìn)行組裝生產(chǎn)時(shí)，能夠始終如一地實(shí)現(xiàn)缺陷率小于20(PPM)，而與之相對(duì)應(yīng)的器件，例如QFP，在組裝過程中所形成的產(chǎn)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(yōu)于常規(guī)的元器件，但是許多生產(chǎn)廠家仍然不愿意投資開發(fā)大批量生產(chǎn)BGA器件的能力。究其原因主要是BGA器件焊接點(diǎn)的測試相當(dāng)困難，不容易保證其質(zhì)量和可靠性。2  BGA器件焊接點(diǎn)檢測中存在的問題    

7、;目前，對(duì)以中等規(guī)模到大規(guī)模采用BGA器件進(jìn)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(zhì)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(jìn)行裝配后的最終檢驗(yàn)，以及對(duì)電子測試的結(jié)果進(jìn)行分析。滿足對(duì)BGA器件電子測試的評(píng)定要求是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的技術(shù)，因?yàn)樵贐GA器件下面選定溯試點(diǎn)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(shí)的費(fèi)用支出。據(jù)一家國際一流的計(jì)算機(jī)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

8、電子測試方式對(duì)其進(jìn)行測試是失敗的，它們實(shí)際上并不存在缺陷，因而也就不應(yīng)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(duì)其相關(guān)界面的仔細(xì)研究能夠減少測試點(diǎn)和提高測試的準(zhǔn)確性，但是這要求增加管芯級(jí)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(rèn)在BGA連接時(shí)，判斷導(dǎo)電電流是通還是斷?如果輔助于非物理焊接點(diǎn)測試，將有助于組裝工藝過程的改善和SPC(Statistical Process Control統(tǒng)計(jì)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(zhì)量，要求了解和測試影響其長期工作可靠

9、性的物理因素，例如：焊料量、導(dǎo)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(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(gè)工藝過程的調(diào)整，或者要變動(dòng)焊接點(diǎn)的參數(shù)。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(diǎn)在整個(gè)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BG

10、A情況。舉例來說，在再流焊接期間，極度的環(huán)境濕度伴隨著冷卻時(shí)間的變化，將在BGA焊接點(diǎn)的空隙數(shù)量和尺寸大小上迅速反映出來。在BGA器件生產(chǎn)好以后，大量的測試對(duì)于組裝過程控制而言仍然是關(guān)鍵，但是可以考慮降低檢查的深入程度?？梢杂糜趯?duì)整個(gè)BGA器件組裝工藝過程進(jìn)行精確測量和質(zhì)量檢測的檢驗(yàn)設(shè)備非常少，自動(dòng)化的激光檢測設(shè)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(yàn)BGA器件焊接點(diǎn)的再流焊接質(zhì)量。目前許多生產(chǎn)廠商用于分析電子測試結(jié)果的X射線設(shè)備，也存在能否測試BGA器件焊接點(diǎn)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(diǎn)焊料處在它上方的緣故。

11、在不可拆( non-collapsible) BGA器件中，由于前置焊球的緣故，也會(huì)出現(xiàn)“陰影”現(xiàn)象。例如：當(dāng)BGA中接觸點(diǎn)升浮在印刷電路板焊盤的上方，產(chǎn)生斷路現(xiàn)象時(shí)，由于前面的前置焊球使得確定這一現(xiàn)象顯得非常困難。這是由于焊料或者前置焊球所引發(fā)的“陰影”效果限制了X射線設(shè)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(xiàn)象。同時(shí)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(xiàn)象。僅有橫截面X射線檢測技術(shù)，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(shù)具有能夠查出隱藏的焊接點(diǎn)缺陷的能力，通過對(duì)焊盤層焊接點(diǎn)的聚焦，能夠揭示出BGA焊接點(diǎn)的連接

12、情況。在同樣的情況下，采用X射線設(shè)各所獲得的圖像中，實(shí)際情況可能被隱藏掉了，從而不能夠反映出真實(shí)的情況。焊料的數(shù)量以及它在連接點(diǎn)的分布情況，通過在BGA連接點(diǎn)的二個(gè)或更多個(gè)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(chǎn)生的橫截面圖像或者“水平切片”予以直接測量，再結(jié)合同類BGA連接點(diǎn)的多次切片測量，能夠有效地提供三維測試，可以在對(duì)BGA連接點(diǎn)不進(jìn)行物理橫截面操作的情況下進(jìn)行檢測。根據(jù)BGA連接點(diǎn)的常規(guī)結(jié)構(gòu)，在每個(gè)橫截面X射線圖像“切片”內(nèi)，具體連接點(diǎn)的特征被進(jìn)行分離并予于以測量，從而提供定量的統(tǒng)計(jì)工藝控制(SPC)測量，SPC測量能夠用于

13、追蹤過程偏移，以及將其特征歸入對(duì)應(yīng)的缺陷范疇。如圖1所示，超過三個(gè)圖像切片就能夠獲得不可拆B(yǎng)GA的焊接點(diǎn)情況，在圖1中“印刷電路權(quán)焊料切片”中心定位于印刷電路板焊盤界面上，低共熔點(diǎn)焊料焊接輪廓內(nèi)，“焊料球切片”中心定位引線焊球( lead solder ball)內(nèi)，“元器件焊盤切片”中心定位于元器件界面的低共熔點(diǎn)焊料焊接輪廓線內(nèi)?？刹鹦禕GA焊接點(diǎn)，通過兩個(gè)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(jià)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(diǎn)處可以獲取如下四個(gè)基本的物理超試參數(shù)：

14、焊接點(diǎn)中心的位置焊接點(diǎn)中心在不同圖像切片中的相對(duì)位置，表明元器件在印刷電路扳焊盤上的定位情況。焊接點(diǎn)半徑焊接點(diǎn)半徑測量表明在特定層面上焊接點(diǎn)中焊料的相應(yīng)數(shù)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(chǎn)生的任何變化，在球?qū)?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(diǎn)共面性問題。以焊接點(diǎn)為中心取若干個(gè)環(huán)線，測量每個(gè)環(huán)線上焊料的厚度環(huán)厚度測量和它們的各種變化率，展示焊接點(diǎn)內(nèi)的焊料分布情況，利用這些參數(shù)在辯別潤濕狀況優(yōu)劣和空隙存在情況時(shí)顯得特別的有效。焊接點(diǎn)形狀相對(duì)于圓環(huán)的誤差(也稱為圓度) 焊接點(diǎn)的圓度顯示焊料圍繞

15、焊接點(diǎn)分布的勻稱情況，作為同一個(gè)園相比較，它反映與中心對(duì)準(zhǔn)和潤濕的情況?？偟膩碚f，上述測試所提供的信息數(shù)據(jù)，對(duì)于確定焊接點(diǎn)結(jié)構(gòu)的完整姓，以及了解BGA裝配工藝實(shí)施過程中每個(gè)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(guān)系，能夠用于防止位移現(xiàn)象的產(chǎn)生，另外可改善相關(guān)的工藝過程，以消除缺陷現(xiàn)象的產(chǎn)生。圖2示出了采用x射線分層法控制BGA焊接質(zhì)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(gè)階段所發(fā)生的缺陷。4         兩種常見的缺陷4.1 不可拆B(yǎng)G

16、A焊接點(diǎn)的斷路不可拆B(yǎng)GA焊接點(diǎn)處所發(fā)生的斷路現(xiàn)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(xiàn)象的存在，但是不能區(qū)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(shè)備進(jìn)行測試，也不能揭示斷路現(xiàn)象，這是因?yàn)槭艿角爸煤缚魄颉瓣幱啊钡挠绊?。利用橫截面X射線檢測技術(shù)，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(xiàn)象。由于污染所引起的斷路現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生細(xì)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(qū)分?jǐn)嗦番F(xiàn)象是否是

17、由于污染引起的。由于焊料不足所引起的斷路現(xiàn)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(shè)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(dòng)的蒸汽被截留在低共熔點(diǎn)焊料焊接處所產(chǎn)生的。在可拆卸BGA焊接點(diǎn)處出現(xiàn)空隙是一種主要的缺陷現(xiàn)象。在再流焊接期間，由于空隙所產(chǎn)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(shù)焊接點(diǎn)失效現(xiàn)象，也都發(fā)生在那里。所出現(xiàn)的空隙現(xiàn)象可以通過在實(shí)施再流焊接工藝過程期間進(jìn)行預(yù)加熱，以及通過增加短暫的預(yù)熱時(shí)間和較低的預(yù)熱溫度予以消除。當(dāng)空隙超過一定的尺寸大小、數(shù)量或者密度時(shí)可靠性將明顯降低，不過現(xiàn)在也有一種說法認(rèn)為，不要對(duì)空隙予以限制，而是要加速其破裂擴(kuò)散，使其早日失效并予以剔除。可拆卸BGA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(nóng)現(xiàn)出來。有些空隙在這些圖像內(nèi)能夠被確定和測量，或者通過左DGA焊接點(diǎn)半徑處所產(chǎn)生的顯著增加現(xiàn)象而被間接地表現(xiàn)出來。5         結(jié)束語本文簡述了BGA器件的組裝特點(diǎn)以及其焊接點(diǎn)處的檢測。隨著BGA器件在電子產(chǎn)品中愈來愈受到廣泛的應(yīng)用，能否制造出優(yōu)質(zhì)的BGA器件成為人