豐華電子BGA技術與質量控制

1、豐華電子BGA技術與質量控制 BGA是是現代組裝技術的新概念，它的出現促進SMT （表面貼裝技術）與 SMD （表面貼裝元器件）的發(fā)展和革新，并將成為高密度、高性能、多功能 及高I/O數封裝的最佳選擇。本文簡要介紹了BGA的概念、發(fā)展現狀、應用 情況以及一些生產中應用的檢測方法等，并討論了BGA的返修工藝。 隨著科學技術的不斷發(fā)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 Mou

2、nt Techno logy）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9 0年代以來，走向了成熟的階段，但隨著電子產品向 便攜式/小型化、網絡化和多媒體化方向的迅速發(fā)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。本文將就B GA器件的組裝特點以及焊點的質量控制作一介紹。 一、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9 0年代初，BGA才真正進入實用化的階段。 在8 0年代，人們對電子

3、電路小型化和I/O引線數提出了更高的要求。為 了適應這一要求，QFP的引腳間距目前已從1.27mm發(fā)展到了 0.3mm。由于 引腳間距不斷縮小，I/O數不斷增加，封裝體積也不斷加大，給電路組裝生產 帶來了許多困難，導致成品率下降和組裝成本的提高。另方面由于受器件引 腳框架加工精度等制造技術的限制，0.3mm已是QFP引腳間距的極限， 這都限制了組裝密度的提高。于是一種先進的芯片封裝BGA（Ball Grid Array ）應運而生，BGA是球柵陣列的英文縮寫，它的I/O端子以圓形或 柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面，弓I線間距大，引線長度短，這樣BG A消除了精細間距器件中由于引線而引起的共面

4、度和翹曲的問題BGA技 術的優(yōu)點是可增加I/O數和間距，消除QFP技術的高I/0數帶來的生 產成本和可靠性問題。 JEDEC(電子器件工程聯合會)(JC1 1)的工業(yè)部門制定了 BGA封裝的物理標準，EGA與QFP相比的最大優(yōu)點是I/O引線間距 大，已注冊的引線間距有1.0、1.27和1 .5 mm，而且目前正在推 薦由1 .27mm和1 .5mm 間距的 BGA取代0. 4mm0.5mm 的精細間距器件。 BGA器件的結構可按焊點形狀分為兩類：球形焊點和柱狀焊點。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 (T

5、ape 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 Colu mn 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(yōu)良的電性能，另外還有一些超過 常規(guī)組裝技術的性能優(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

6、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(guī)的SMT工藝規(guī)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2 0PPM(Parts Per Million，百萬分率缺陷數)，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(yōu)于常規(guī)的元器件，但是許多生產 廠家仍然不愿意投資開發(fā)大批量生產BGA器件的能力。究其原因主要是B GA器件焊接點的測試相當困難，不容易保證其質量和可靠性。 二、BGA器件焊接點檢測中存在的問題 目前，對

7、以中等規(guī)模到大規(guī)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(zhàn)性的技術，因為 在BGA器件下面選定測試點是困難的。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%

8、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

9、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，不能單單基于 電子測試所產生的結果就進行修改。 三、BGA檢測方法的探討 目前市場上出現的BGA封裝類型主要有：PBGA（塑料BGA）、 CBGA（陶瓷BGA）及TBGA（載帶BGA）。封裝工藝中所要求的 主要性能有：封裝組件的可靠性；與PCB的熱匹配性能；焊球的共面性； 對熱、濕氣的敏感性；是否能通過封裝體邊緣對準，以及加工的經濟性能。 需指出的是，BGA基板上的焊球不論是通過咼溫焊球（90Pb/10S n）轉換，還是采用球射工藝形成，焊球都有可能掉下丟失，或者成型過大、 過小，或者發(fā)生焊球連、缺損等情

10、況。因此，需要對BGA焊接后質量情況 的一些指標進行檢測控制。 目前常用的BGA檢測技術有電測試、邊界掃描及X射線檢測。 電測試 傳統的電測試，是查找開路與短路缺陷的主要方法。其唯一的 目的是在板的預制點進行實際的電連接，這樣便可以撮合一個使信號流入測 試板、數據流入ATE的接口。如果印制電路板有足夠的空間設定測試點， 系統就能快速、有效地查找到開路、短路及故障元件。系統也可檢查元件的 功能。測試儀器一般由微機控制，檢測不同PCB時，需要相應的針床和軟 件。對于不同的測試功能，該儀器可提供相應工作單元來進行檢測。例如， 測試二極管、三極管時用直流電平單元，測試電容、電感時用交流單元，而 測試低

11、數值電容及電感、高阻值電阻時用高頻信號單元 邊界掃描檢測邊界掃描技術解決了一些與復雜元件及封裝密度有關的 搜尋問題。采用邊界掃描技術，每一個IC元件設計有一系列寄存器，將功 能線路與檢測線路分離開，并記錄通過元件的檢測數據。測試通路檢查IC 元件上每一個焊接點的開路、短路情況?；谶吔鐠呙柙O計的檢測端口，通 過邊緣連接器給每一個焊點提供一條通路，從而免除全節(jié)點查找的需要。盡 管邊界掃描提供了比電測試更廣的不可見焊點檢測專門設計印制電路板與I C元件。電測試與邊界掃描檢測都主要用以測試電性能，卻不能較好檢測焊 接的質量。為提高并保證生產過程的質量，必須找尋其它方法來檢測焊接質 量，尤其是不可見焊

12、點的質量。 X射線測試 有效檢測不可見焊點質量的方法是X射線檢測，該檢測方 法基于X射線不能象透過銅、硅等材料一樣透過焊料的思想。換言之，X射 線透視圖可顯示焊接厚度、形狀及質量的密度分布。厚度與形狀不僅是反映 長期結構質量的指標，在測定開路、短路缺陷及焊接不足方面，也是很好的 指標。此技術有助于收集量化的過程參數，這些補充數據有助于降低新產品 開發(fā)費用，縮短投放市場的時間。 X射線圖象檢測原理X射線由一個微焦點X射線管產生，穿過管殼內 的一個鈹管，并投射到實驗樣品上。樣品對X射線的吸收率或透射率取決于 樣品所包含材料的成分與比率。穿過樣品的X射線的吸收率或X射線敏感板 上的磷涂層，并激出發(fā)光

13、子，這些光子隨后被攝像機探測到，然后對該信號 進行處理放大，有計算機進一步分析或觀察。不同的樣品材料對X射線具有 不同的不透明系數，處理后的灰度圖像顯示了被檢查的物體密度或材料厚度 的差異。 人工X射線檢測使用人工X射線檢測設備，需要逐個檢查焊點并確定 其是否合格。該設備配有手動或電動輔助裝置使組件傾斜，以便更好地進行 檢測和攝像。但通常的目視檢測要求培訓操作人員，并且易于出錯。此外， 人工設備并不適合對全部焊點進行檢測，而只適合作工藝鑒定和工藝故障分 析。 自動檢測系統 全自動系統能對全部焊點進行檢測。雖然已定義了人工 檢測標準，但全自動系統的檢測正確度比人工X射線檢測方法高得多。自動 檢測

14、系統通常用于產量高且品種少的生產設備上。具有高價值或要求可靠性 的產品與需要進行自動檢測。檢測結果與需要返修的電路板一起送給返修人 員。這些結果還能提供相關的統計資料，用于改進生產工藝。 自動X射線分層系統使用了三維剖面技術。該系統能檢測單面或雙面表 面貼裝電路板，而沒有傳統的X射線系統的局限性。系統通過軟件定義了所 要檢查焊點的面積和高度，把焊點剖成不同的截面，從而為全部檢測建立完 整的剖面圖。 目前已有兩種檢測焊接質量的自動測試系統上市：傳輸X射線測試系統 與斷面X射線自動測試系統。傳輸X射線測試系統源于X射線束沿通路復合 吸收的特性。對SMT的某些焊接，如單面PCB上的J型引線與微間距Q

15、 FP,傳輸X射線系統是測定焊接質量最好的辦法，但它卻不能區(qū)分垂直重 疊的特征。因此，在傳輸X射線透視圖中，BGA元件的焊縫被其引線的焊 球遮蔽。對于RF屏蔽之下的雙面密集型PCB及元器件的不可見焊接，也 存在這類問題。 斷面X射線自動測試系統克服了傳輸X射線測試系統的眾多問題。它設 計了一個聚焦斷面，并通過上下平面散焦的方法，將PC的水平區(qū)域分開。 該系統的成功在于只需較短的測試開發(fā)時間，就能準確檢查焊接點。但斷面 X射線測試系統提供了一種非破壞性的測試方法，可檢測所有類型的焊接質 量，并獲得有價值的調整裝配工藝的信息。 選擇合適的X射線檢測系統 選擇適合實際生產中應用的、有較高性能價格比的

16、X射線檢測系統以滿 足控制需求是一項十分重要的工作。最近較新出現的超高分辨率X射線系統 在檢測分析缺陷方面已達微米水平，為生產線上發(fā)現較隱蔽的質量問題（包 括焊接缺陷）提供了較全面的、比較省時的解決方案。在決定購買檢測X射 線系統之前，一定要了解系統在實際生產中的應用方面及所要達到的功能， 以便于確定系統所需的最小分辨率，與此同時也就決定了所要購置的系統的 大致價格。當然，設備的放置、人員的配置等因素也要在選購時通盤考慮。 四、BGA的返修 由于BGA封裝形式與傳統的表面元件不同，其引腳分布在元件體底部, 所以BGA的維修方式也不同于傳統的表面元件。 BGA返修工藝主要包括以下幾步： 1. 電

17、路板，芯片預熱 2. 拆除芯片 3. 清潔焊盤 4. 涂焊錫膏，助焊劑 5. 貼片 6. 熱風回流焊 1）電路板，芯片預熱的主要目的是將潮氣去除，如果電路板和芯片的 潮氣很?。ㄈ缧酒瑒偛鸱猓@一步可以免除）。 2）拆除的芯片如果不打算重新使用，而且電路板可承受高溫，拆除芯 片可采用較高的溫度（較短的加熱周期）。 3）清潔焊盤主要是將拆除芯片后留在PCB表面的助焊劑，焊錫膏清 理掉，必須使用符合要求的清潔劑。為了保證BGA的焊接可靠性，一般不 能使用焊盤上舊的殘留焊錫膏，必須將舊的焊錫膏清除掉，除非芯片上重新 形成BGA焊錫球。由于BGA芯片體積小，特別是CSP芯片體積更小， 清潔焊盤比較困難，

18、所以在返修CSP芯片時，如果CSP的周圍空間很小, 就需使用非清洗焊劑。 4）在PCB上涂焊錫膏對于BGA的返修結果有重要影響。為了準確 均勻方便地涂焊錫膏，美國OK集團提供MS- 1微型焊錫膏印板系統。通 過選用與芯片相符的模板，可以很方便地將焊錫膏涂在電路板上。選擇模板 時，應注意BGA芯片會比CBGA芯片的模板厚度薄，因為它們所需要的 焊錫膏量不同。用OK集團的BGA 3 0 0 0設備或MP 2 0 0 0微型光 學對中系統可以方便地檢驗焊錫膏是否涂的均勻。處理CSP芯片，有3種 焊錫膏可以選擇，RMA焊錫膏，非清洗焊錫膏，水劑焊錫膏。使用RMA 焊錫膏，回流時間可略長些，使用非清洗焊

19、錫膏，回流溫度應選的低些。 5）貼片的主要目的是使BGA芯片上的每一個焊錫球與PCB上每一 個對應的焊點對正。由于BGA芯片的焊點位于肉眼不能觀測到的部位，所 以必須使用專門的設備來對中。OK集團制造的BGA 3 0 0 0和MP 2 000設備可以精確地完成這些任務。 6）熱風回流焊是整個返修工藝的關鍵。其中，有幾個問題比較重要： 芯片返修回流焊的曲線應當與芯片的原始焊接曲線接近，使用OK集團 的BGA 3 0 0 0可以保證作到這點。它的熱風回流焊曲線可分成四個區(qū)間: 預熱區(qū)，加熱區(qū)，回流區(qū)，冷卻區(qū)，四個區(qū)間的溫度、時間參數可以分別設 定，通過與計算機連接，可以將這些程序存儲和隨時調用。 在回流焊過程中要正確選擇個區(qū)的加熱溫度和時間，同