豐華電子BGA技術(shù)與質(zhì)量控制

1、豐華電子BGA技術(shù)與質(zhì)量控制 BGA是是現(xiàn)代組裝技術(shù)的新概念，它的出現(xiàn)促進(jìn)SMT （表面貼裝技術(shù)）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(shù)封裝的最佳選擇。本文簡(jiǎn)要介紹了BGA的概念、發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用 情況以及一些生產(chǎn)中應(yīng)用的檢測(cè)方法等，并討論了BGA的返修工藝。 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 Mou

2、nt Techno logy）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9 0年代以來(lái)，走向了成熟的階段，但隨著電子產(chǎn)品向 便攜式/小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向的迅速發(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)。本文將就B GA器件的組裝特點(diǎn)以及焊點(diǎn)的質(zhì)量控制作一介紹。 一、BGA 技術(shù)簡(jiǎn)介 BGA技術(shù)的研究始于60年代，最早被美國(guó)IBM公司采用，但一直 到9 0年代初，BGA才真正進(jìn)入實(shí)用化的階段。 在8 0年代，人們對(duì)電子

3、電路小型化和I/O引線數(shù)提出了更高的要求。為 了適應(yīng)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(shù)不斷增加，封裝體積也不斷加大，給電路組裝生產(chǎn) 帶來(lái)了許多困難，導(dǎo)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(shù)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(jìn)的芯片封裝BGA（Ball Grid Array ）應(yīng)運(yùn)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(diǎn)按陣列形式分布在封裝下面，弓I線間距大，引線長(zhǎng)度短，這樣BG A消除了精細(xì)間距器件中由于引線而引起的共面

4、度和翹曲的問(wèn)題BGA技 術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可增加I/O數(shù)和間距，消除QFP技術(shù)的高I/0數(shù)帶來(lái)的生 產(chǎn)成本和可靠性問(wèn)題。 JEDEC(電子器件工程聯(lián)合會(huì))(JC1 1)的工業(yè)部門制定了 BGA封裝的物理標(biāo)準(zhǔn)，EGA與QFP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 .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(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)和柱狀焊點(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 (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(diǎn)稱為CCGA(Ceramic Colu mn 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(guò) 常規(guī)組裝技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)。這些性能優(yōu)勢(shì)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(guò)程中具有自動(dòng)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(shí)具有高可靠性。據(jù)國(guó)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2 0PPM(Parts Per Million，百萬(wàn)分率缺陷數(shù))，而與之相 對(duì)應(yīng)的器件，例如QFP，在組裝過(guò)程中所形成的產(chǎn)品缺陷率至少要超過(guò)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B GA器件焊接點(diǎn)的測(cè)試相當(dāng)困難，不容易保證其質(zhì)量和可靠性。 二、BGA器件焊接點(diǎn)檢測(cè)中存在的問(wèn)題 目前，對(duì)

7、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(cè)試的方式來(lái)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(guò)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(cè)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(cè)試 的結(jié)果進(jìn)行分析。 滿足對(duì)BGA器件電子測(cè)試的評(píng)定要求是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的技術(shù)，因?yàn)?在BGA器件下面選定測(cè)試點(diǎn)是困難的。在檢查和鑒別BGA器件的缺陷方 面，電子測(cè)試通常是無(wú)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(guó)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%

8、以上，采用電子測(cè)試方式對(duì)其進(jìn)行測(cè)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(cè)試不能夠確定 是否是BGA器件引起了測(cè)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(cè)試點(diǎn)和提高測(cè)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(cè)試電路。 在檢測(cè)BGA器件缺陷過(guò)程中，電子測(cè)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(cè)試，將有助于組裝工藝 過(guò)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(guò)程。為了能夠確定和控 制這樣一種工藝過(guò)程的質(zhì)量，要求了

9、解和測(cè)試影響其長(zhǎng)期工作可靠性的物理 因素，例如：焊料量、導(dǎo)線與焊盤的定位情況，以及潤(rùn)濕性，不能單單基于 電子測(cè)試所產(chǎn)生的結(jié)果就進(jìn)行修改。 三、BGA檢測(cè)方法的探討 目前市場(chǎng)上出現(xiàn)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(duì)熱、濕氣的敏感性；是否能通過(guò)封裝體邊緣對(duì)準(zhǔn)，以及加工的經(jīng)濟(jì)性能。 需指出的是，BGA基板上的焊球不論是通過(guò)咼溫焊球（90Pb/10S n）轉(zhuǎn)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(guò)大、 過(guò)小，或者發(fā)生焊球連、缺損等情

10、況。因此，需要對(duì)BGA焊接后質(zhì)量情況 的一些指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)控制。 目前常用的BGA檢測(cè)技術(shù)有電測(cè)試、邊界掃描及X射線檢測(cè)。 電測(cè)試 傳統(tǒng)的電測(cè)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(yù)制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際的電連接，這樣便可以撮合一個(gè)使信號(hào)流入測(cè) 試板、數(shù)據(jù)流入ATE的接口。如果印制電路板有足夠的空間設(shè)定測(cè)試點(diǎn)， 系統(tǒng)就能快速、有效地查找到開路、短路及故障元件。系統(tǒng)也可檢查元件的 功能。測(cè)試儀器一般由微機(jī)控制，檢測(cè)不同PCB時(shí)，需要相應(yīng)的針床和軟 件。對(duì)于不同的測(cè)試功能，該儀器可提供相應(yīng)工作單元來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。例如， 測(cè)試二極管、三極管時(shí)用直流電平單元，測(cè)試電容、電感時(shí)用交流單元，而 測(cè)試低

11、數(shù)值電容及電感、高阻值電阻時(shí)用高頻信號(hào)單元 邊界掃描檢測(cè)邊界掃描技術(shù)解決了一些與復(fù)雜元件及封裝密度有關(guān)的 搜尋問(wèn)題。采用邊界掃描技術(shù)，每一個(gè)IC元件設(shè)計(jì)有一系列寄存器，將功 能線路與檢測(cè)線路分離開，并記錄通過(guò)元件的檢測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)試通路檢查IC 元件上每一個(gè)焊接點(diǎn)的開路、短路情況。基于邊界掃描設(shè)計(jì)的檢測(cè)端口，通 過(guò)邊緣連接器給每一個(gè)焊點(diǎn)提供一條通路，從而免除全節(jié)點(diǎn)查找的需要。盡 管邊界掃描提供了比電測(cè)試更廣的不可見焊點(diǎn)檢測(cè)專門設(shè)計(jì)印制電路板與I C元件。電測(cè)試與邊界掃描檢測(cè)都主要用以測(cè)試電性能，卻不能較好檢測(cè)焊 接的質(zhì)量。為提高并保證生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量，必須找尋其它方法來(lái)檢測(cè)焊接質(zhì) 量，尤其是不可見焊

12、點(diǎn)的質(zhì)量。 X射線測(cè)試 有效檢測(cè)不可見焊點(diǎn)質(zhì)量的方法是X射線檢測(cè)，該檢測(cè)方 法基于X射線不能象透過(guò)銅、硅等材料一樣透過(guò)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(zhì)量的密度分布。厚度與形狀不僅是反映 長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)質(zhì)量的指標(biāo)，在測(cè)定開路、短路缺陷及焊接不足方面，也是很好的 指標(biāo)。此技術(shù)有助于收集量化的過(guò)程參數(shù)，這些補(bǔ)充數(shù)據(jù)有助于降低新產(chǎn)品 開發(fā)費(fèi)用，縮短投放市場(chǎng)的時(shí)間。 X射線圖象檢測(cè)原理X射線由一個(gè)微焦點(diǎn)X射線管產(chǎn)生，穿過(guò)管殼內(nèi) 的一個(gè)鈹管，并投射到實(shí)驗(yàn)樣品上。樣品對(duì)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(guò)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(jī)探測(cè)到，然后對(duì)該信號(hào) 進(jìn)行處理放大，有計(jì)算機(jī)進(jìn)一步分析或觀察。不同的樣品材料對(duì)X射線具有 不同的不透明系數(shù)，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(cè)使用人工X射線檢測(cè)設(shè)備，需要逐個(gè)檢查焊點(diǎn)并確定 其是否合格。該設(shè)備配有手動(dòng)或電動(dòng)輔助裝置使組件傾斜，以便更好地進(jìn)行 檢測(cè)和攝像。但通常的目視檢測(cè)要求培訓(xùn)操作人員，并且易于出錯(cuò)。此外， 人工設(shè)備并不適合對(duì)全部焊點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，而只適合作工藝鑒定和工藝故障分 析。 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 全自動(dòng)系統(tǒng)能對(duì)全部焊點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。雖然已定義了人工 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但全自動(dòng)系統(tǒng)的檢測(cè)正確度比人工X射線檢測(cè)方法高得多。自動(dòng) 檢測(cè)

14、系統(tǒng)通常用于產(chǎn)量高且品種少的生產(chǎn)設(shè)備上。具有高價(jià)值或要求可靠性 的產(chǎn)品與需要進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果與需要返修的電路板一起送給返修人 員。這些結(jié)果還能提供相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料，用于改進(jìn)生產(chǎn)工藝。 自動(dòng)X射線分層系統(tǒng)使用了三維剖面技術(shù)。該系統(tǒng)能檢測(cè)單面或雙面表 面貼裝電路板，而沒(méi)有傳統(tǒng)的X射線系統(tǒng)的局限性。系統(tǒng)通過(guò)軟件定義了所 要檢查焊點(diǎn)的面積和高度，把焊點(diǎn)剖成不同的截面，從而為全部檢測(cè)建立完 整的剖面圖。 目前已有兩種檢測(cè)焊接質(zhì)量的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)上市：傳輸X射線測(cè)試系統(tǒng) 與斷面X射線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。傳輸X射線測(cè)試系統(tǒng)源于X射線束沿通路復(fù)合 吸收的特性。對(duì)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(tǒng)是測(cè)定焊接質(zhì)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(duì)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(wèn)題。 斷面X射線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)克服了傳輸X射線測(cè)試系統(tǒng)的眾多問(wèn)題。它設(shè) 計(jì)了一個(gè)聚焦斷面，并通過(guò)上下平面散焦的方法，將PC的水平區(qū)域分開。 該系統(tǒng)的成功在于只需較短的測(cè)試開發(fā)時(shí)間，就能準(zhǔn)確檢查焊接點(diǎn)。但斷面 X射線測(cè)試系統(tǒng)提供了一種非破壞性的測(cè)試方法，可檢測(cè)所有類型的焊接質(zhì) 量，并獲得有價(jià)值的調(diào)整裝配工藝的信息。 選擇合適的X射線檢測(cè)系統(tǒng) 選擇適合實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的、有較高性能價(jià)格比的

16、X射線檢測(cè)系統(tǒng)以滿 足控制需求是一項(xiàng)十分重要的工作。最近較新出現(xiàn)的超高分辨率X射線系統(tǒng) 在檢測(cè)分析缺陷方面已達(dá)微米水平，為生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)較隱蔽的質(zhì)量問(wèn)題（包 括焊接缺陷）提供了較全面的、比較省時(shí)的解決方案。在決定購(gòu)買檢測(cè)X射 線系統(tǒng)之前，一定要了解系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用方面及所要達(dá)到的功能， 以便于確定系統(tǒng)所需的最小分辨率，與此同時(shí)也就決定了所要購(gòu)置的系統(tǒng)的 大致價(jià)格。當(dāng)然，設(shè)備的放置、人員的配置等因素也要在選購(gòu)時(shí)通盤考慮。 四、BGA的返修 由于BGA封裝形式與傳統(tǒng)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(tǒng)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(yù)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(fēng)回流焊 1）電路板，芯片預(yù)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?，這一步可以免除）。 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(shí)，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(duì)于BGA的返修結(jié)果有重要影響。為了準(zhǔn)確 均勻方便地涂焊錫膏，美國(guó)OK集團(tuán)提供MS- 1微型焊錫膏印板系統(tǒng)。通 過(guò)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(shí)，應(yīng)注意BGA芯片會(huì)比CBGA芯片的模板厚度薄，因?yàn)樗鼈兯枰?焊錫膏量不同。用OK集團(tuán)的BGA 3 0 0 0設(shè)備或MP 2 0 0 0微型光 學(xué)對(duì)中系統(tǒng)可以方便地檢驗(yàn)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(shí)間可略長(zhǎng)些，使用非清洗焊

19、錫膏，回流溫度應(yīng)選的低些。 5）貼片的主要目的是使BGA芯片上的每一個(gè)焊錫球與PCB上每一 個(gè)對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)對(duì)正。由于BGA芯片的焊點(diǎn)位于肉眼不能觀測(cè)到的部位，所 以必須使用專門的設(shè)備來(lái)對(duì)中。OK集團(tuán)制造的BGA 3 0 0 0和MP 2 000設(shè)備可以精確地完成這些任務(wù)。 6）熱風(fēng)回流焊是整個(gè)返修工藝的關(guān)鍵。其中，有幾個(gè)問(wèn)題比較重要： 芯片返修回流焊的曲線應(yīng)當(dāng)與芯片的原始焊接曲線接近，使用OK集團(tuán) 的BGA 3 0 0 0可以保證作到這點(diǎn)。它的熱風(fēng)回流焊曲線可分成四個(gè)區(qū)間: 預(yù)熱區(qū)，加熱區(qū)，回流區(qū)，冷卻區(qū)，四個(gè)區(qū)間的溫度、時(shí)間參數(shù)可以分別設(shè) 定，通過(guò)與計(jì)算機(jī)連接，可以將這些程序存儲(chǔ)和隨時(shí)調(diào)用。 在回流焊過(guò)程中要正確選擇個(gè)區(qū)的加熱溫度和時(shí)間，同