搜索
球栅阵列(BGA)封装器件与检测技术日新月异的电子产品，大到航空、航天装置，小到便携式电脑、移动电话，都有一个共同的发展方向，即向更加小型化、轻量化、强功能、快速度、高可靠性方向发展，这就使得半导体工业发展到高密度组装的新水平。BGA(BallGridArray)球栅阵列封装正是这种技术革命的产物，近年来BGA封装技术发展速度惊人，并已在很多国际著名电子公司的产品中得到应用，如IBM、SUN、富士通、TNTEGRAL、松下、MOTOROLA、TWXAXINSTRUMENTS等。相信不久的将来，BGA封装器件将会得到更为广泛应用。lBGA封装的特点BGA是“球栅阵列”英文BallGridArray的缩写，其引出端为球或柱状合金，并矩阵状分布于封装体的底面，改变了引出端分布于封装体两侧或四周的形式。这种封装形式与细间距QFP相比，具有下列优点：(1)具有更多的I／O；(2)易于组装；(3)自感和互感小；(4)具有多I／O，小体积。任何事物都有优、缺点，BGA封装也不例外，早在卯年代初，国际表面安装会议主席MARTINL、BARTON提出了BGA的五大潜在问题①：(1)焊点的检测问题；(2)焊点的可靠性；(3)BGA器件的更换及返修问题；(4)多I／O时的布线问题；(5)成本增加问题。到目前为止，这些问题基本得到了解决。BGA返修工作站的问世解决了BGA器件更换及返修问题；多I／O时的布线问题，采用多层板技术也得到解决；随着BGA技术的不断发展，其成本也得到大幅度降低，预计不久，BGA封装价格大约是每针0．01$②；通过BGA器件本身设计以及组装设计的考虑，可以解决可靠性问题，BGA焊点的长期可靠性模型的建立以及热循环试验正在进行之中，预计不久的将来，BGA焊点的热循环寿命可达到7000次③。下面就BGA封装的检测问题作一讨论。2BGA封装的检测问题BSA封装的检测问题有两类：(1)BGA封装器件本身的检测。在BGA生产过程中，焊球连接到基板上有两种方法：A、由预成形的高温焊球W(Pb)：W(Sn)＝90：10转换而成；B、采用球射工艺将球一个一个地形成。在转换期间，焊料球可能会掉下、错位或粘在一起等，转换焊球是用共晶钎料W(Sb)：W(Pb)＝63：37焊到BGA上；也可采用丝网印刷将共晶焊膏印刷到BG入基板上，再经过再流焊形成焊球，如图l所示，这种方法可能会引起焊球丢失、焊球过小、焊球过大、焊球桥连以及焊球缺损等，如图2所示，但这些缺陷可以进行返修。对BGA器件进行检查，主要是检查焊球是否丢失或变形，对于有缺陷的器件则放到处理盘上。另外，在BGA生产过程中要严格控制封装变形，否则会引起芯片报废，而付出昂贵的代价。BGA有一定的机械强度，在安装夹持期间不会变形，在组装期间不必进行封装变形和焊球共面性检查，因为这样会花费很长的时间。(2)BGA器件组装焊点的检查由于BGA封装器件的焊点都隐藏在器件体下方，传统的SMT焊点检测方法已经满足不了BGA焊点的检测要求。采用光学检查只能检查到BGA器件四周边缘的焊点情况，如图3所示；而电性能测试，只能检测焊点连接的通、断情况，即只能检测开路和短路，不能有效地区别焊点缺陷；自动激光检测系统可以测量器件贴装前焊膏的沉积情况，也不能检查BGA焊点缺陷；国外有研究表明声学显检查聚酰亚胺和陶瓷封装的BGA焊点，而不能检测用BT树脂材料封装的BGA焊点，因为声波难以传播到焊点区域④。X射线是焊点检测的一种有效方法，目前使用较多的有两种类型的X射线检测仪：一种是直射式X光检测仪；另一种是断层剖面X光检测仪。前者价格低廉，但不能检测BGA焊点中的焊料不足、气孔、虚焊等缺陷，后者可以满足BGA焊点检测要求。断层剖面X光检测BGA焊点的方法：在BGA同一焊点的不同高度处(至少两处以上)取“水平切片”，来直接测量焊点的焊料量以及焊点成形情况，“水平切片”一般在PCB焊盘与焊料的界面处、器件与焊料的界面处或器件与PCB板中间位置“切换片”，通过这些“切片”的测量结果处理，综合可以得到BGA焊点的三维检测结果⑤。BGA组装焊点的缺陷主要有：讲授(如图4所示)、开路、焊料不足、焊料球、气孔、移位等。断层剖面法检测这些缺陷非常有效，因为在焊点“切片”时(如图5所示)测量了每个“切片’’的4个基本物理参数：(a)焊点的中心位置；(b)焊点的直径；(c)与焊点中心轴同轴的5个圆环的各自的焊料厚度；(d)焊点相对于已知圆度的圆形的形状误差。其中，焊点中心位置在不同切片影像中的相对位置则表明BGA器件在PCB焊盘上的移位情况；焊点直径测量则表示焊点中焊料量与标准焊料量相比的相对量；在焊盘位置的直径测量则表示因焊膏印刷或焊盘污染引起的开路情况；而在焊球处的直径测量则表示焊点的共面性情况；各个同轴圆环的焊料厚度测量以及它的变化率则判定焊点中焊料的分布情况，对确定润湿不够和气孔缺陷更为有效。焊点的圆度表示与标准圆相比，焊点周围焊料分布的均匀性，为判定器件移位和焊点润湿情况提供数据。可见，断层剖面X光检测BGA焊点是十分有效的，它对焊点结构进行了定量测量。充分理解测量参数与BGA组装工艺影响因素之间的关系，可以避免各种工艺缺陷的发生。断层剖面X光检测法，设备成本高，所以有些制造商则把电性能检测与直射式X光检测结合起来，即先由电性能检测检出开路、短路，再用直射式X光检测气孔、移位等，但焊料不足还是难以判断。还有些厂家采用设计特殊焊盘的方法与直射式X光检测结合，如采用非圆形焊盘，一般焊盘设计为碎片状，焊料润湿焊盘是非圆形的，X射线检测过程中在焊盘形状中还有‘个X射线检测图象，这样就表明焊点已经形成。这种方法对X光影像的识别能力要求非常高，检测准确率受到影响。另外，“倾斜式”X光检测仪也是当今最常用的X光检测BGA焊点的方法之一，它采用倾斜的工作台，这样可以得到一个BGA焊点的X射线斜透视图避免了直射式X光检测的缺陷，是值得推荐的方法。3讨论与建议3．1BGA封装是新一代电子封装的必然趋势，随着组装密度的增加，采用QFP封装，靠减小引线间距、增加引线数的方法，已经使器件制造商步入绝境，而BGA封装的特点则决定了其在提高组装密度方面的巨大潜力。3．2BGA封装的发展促进了电子制造、芯片制造技术、多层基板与布线技术、对中技术、检测技术等相关技术的发展。3．3在BGA组装技术中，解决检测问题，将会为提高BGA焊点的长期可靠性打下坚实的基础。3．4根据我们的实践，在军事领域中采用BGA组装技术，必须在SMT基本设备的基础上，增加对中返修台、X光检测仪，这样才能保证BGA应用的需要。建议采用带有分光棱镜对中系统的BGA返修工作站和断层刻面或“倾斜式”X光检测仪。建立BGA的接收标准ByDonMiller本文介绍，来自X光检查的信息可以为回流焊接的BGA/PCB焊点的可接受条件建立一个工业工业标准。在现代PCB设计中，球栅阵列(BGA)和其它面积排列元件(areaarraydevice)的使用很快变成为标准。许多电子装配制造商面对一个检查的难题：保证正确的装配和达到过程合格率，而传统的确认方法已经不再足够。今天，越来越多的制造商选择X射线来满足检查要求。通过使用X射线检查，BGA、微型BGA和倒装芯片元件的隐藏焊点的特性可以用可靠的和非破坏性的的方式在生产运行的早期检查出来。还有，大多数人员可以作出通过/失效的决定。在BGA使用到产品设计中之前，多数PCB制造商不在其检查工艺中使用X光系统。传统的方法，如自动光学检查(AOI,automatedopticalinspection)、人工视觉检查、包括制造缺陷分析(MDA,manufacturingdefectanalysis)的电气测试、和在线与功能测试，用来测试PCB元件。可是，这些方法不提供隐藏焊接问题(如空洞、冷焊和焊粘接差)的准确检查。X射线检查可有效地发现这类问题，监测质量保证和提供过程控制的即时反馈。BGA接收标准对安装在印刷电路装配(PCA)上的BGA元件的接收标准问题是最重要的。今天，没有完好的工业标准用于决定回流焊接的BGA/PCB焊点的可接受条件。有人提出过几个方法作为测量技术，用来决定这些焊点的品质。诸如显微评估、X射线分层法、电气测试和标准透射X光等技术被建议或者在使用中。到今天唯一定义用来在生产环境中评估回流焊接的BGA连接的实际方法是透射X射线。视觉评估只评估周围排列的BGA焊点。在BGA包装底部的焊接点不能视觉评估。超声波技术要求深入的数据整理分析，X射线分层法对许多应用是令人望而却步的昂贵；电气测试倾向于提供可能与焊锡连接质量无关的数据。许多测量技术提供焊接点质量的指示，但不提供足够的信息来确认BGA/PCA焊点的焊接条件。作为一个例子，周围视觉检查只给出BGA外围排列的焊点情况的一般了解。不能有效确认焊点内排回流焊接有多好和是否内排实际上适当地焊接在电路焊盘上。透射X光，可评估内排的焊点，决定于X光系统解析数据的能力。例如，考虑一下0.050直径的球坐落在0.050的电路焊盘上。如果接受标准是焊接点内部空洞不可超过球直径的20%，那么使用的X光系统必须至少解析0.005直径的空洞。假设正确的PCB布局和具有高热容量的强制对流的回流焊接炉，锡膏应该适当地回流形成一个包锡球的弯液面(图一)。在这个情况中，装配的X光图象将显示均匀的焊锡球，没有任何桥接或其它缺陷。在某些情况中，焊锡回流设定或条件不十分正确，锡膏中的助焊剂将不会适当排气。其结果是在焊锡连接中的空洞或焊锡的不充分回流，引起焊点差或冷焊。当这些缺陷在X光图象中出现时，工艺过程需要调整。X射线评估在第一个贴装元件的PCA上，通过焊盘边缘、开路、短路、桥接和空洞附近的粗糙的未焊接区域的示范，来评估缺乏回流的X射线。这些情况表示不能让锡膏充分回流的低温范围。短路/锡桥可能表示太高的温度经历，允许焊锡液化太长时间，并使它流出焊盘和在相邻焊盘之间短路。空洞要求主观的评估。甚至当发现空洞时，焊点还可能足够地焊接在焊盘上。理想的条件是焊点内无空洞(void)。可是，空洞可能作为夹住的助焊剂穴、污染和锡/铅或助焊剂在锡膏内不均匀分布出现。还有，弯曲的PCB可能造成不充分焊接的连接。开路的焊接点也可能存在。在许多情况中，只有PCA的斜视图才显示这些情况。一个俯视图，由于焊接密度，可能不反映出开路的焊盘/球连接点(图二)。可以容忍的和允许PCA正常功能的空洞数量与尺寸是关键问题。通常，允许单个空洞的大小达到锡球直径的50%，如果球是由回流的焊锡包住(图三)。电气接触是通过焊锡，如果球附着在焊盘，50%的空洞还可允许BGA工作，虽然是一个非常边缘的标准。虽然电气性能可能不会削落，但温度和机械应力问题还应该考虑。由于来自正常环境使用的应力所造成的PCA的挠曲可造成一个有空洞朝焊盘/锡球连接外边或大空洞的焊锡点裂开。X射线检查发现的大于BGA直径35%的或在焊点外的空洞应该看作不可接受。如果空洞完全被包住，锡点裂开是不可能的，因为应力一般会均匀地作用于焊盘/锡球焊点。不管怎么样，大于35%的锡球直径的空洞表示一个工艺过程有关的问题，不应该接受。PCB布局因为BGA的焊点的成功是与PCA有很大关系，所以在PCB布局方面必须考虑三个特别关键的地方。热管理PCA的布局必须考虑PCA的热质量。例如，在板的一个区域，BGA集中在一起可引起在回流炉中PCB反应的热不平衡。在回流期间，将整个板均匀地带到焊锡液相是重要的。在板的某个区域集中许多大的BGA，可能要求太多的加热，会造成PCA的较少元件的区域烧坏元件。相反，如果PCA的较少元件区域达到更快的焊锡液相，助焊剂可能没有从BGA焊点中排出，引起空洞或者缺乏球到焊盘的熔化。旁通孔(via)旁通孔经常设计到PCA中。任何与BGA焊盘相邻的旁路孔必须很好地覆盖阻焊层。不覆盖阻焊层经常会引起温度稳定，会有过多的焊锡从焊盘流到旁路孔，引起焊盘与相邻旁通孔的短路(图四)。焊盘几何形状、直径小型化和更高的与芯片规模包装有关的排列密度对焊盘几何形状和直径有直接的影响。同样，BGA也出现不同的尺寸、形状