BGA技術(shù)與質(zhì)量控制

1、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。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

2、列的英文縮寫(xiě)，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， 引線間距大，引線長(zhǎng)度短，這樣 BGA消除了精細(xì)間距器件中由于引線而引起的 共面度和翹曲的問(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))(JC-11)的工業(yè)部門(mén)制定了 BGA封裝的物理標(biāo) 準(zhǔn)，BGA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1.5mm,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

3、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 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(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

4、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20PPM(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(kāi)發(fā)大批量生產(chǎn) BGA器件的能力。究其原因主要是 BGA器件

5、 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。BGA器件焊接點(diǎn)檢測(cè)中存在的問(wèn)題目前，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(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)樵?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。

6、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%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 Contro統(tǒng)計(jì)工藝控制）。BGA器件的

7、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(pán)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。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)高溫焊球（90Pb/10Sn轉(zhuǎn)換，還是采用球射工藝

8、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)1）電測(cè)試傳統(tǒng)的電測(cè)試，是查找開(kāi)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(kāi)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，

9、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)試低數(shù)值電容及電感、高阻值電阻時(shí) 用咼頻信號(hào)單兀。2）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(kāi)， 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(kāi)路、短 路情況?；谶吔鐠呙柙O(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(jiàn) 焊點(diǎn)檢測(cè)專門(mén)設(shè)計(jì)印制電路板與IC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

10、。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(jiàn)焊點(diǎn)的質(zhì)量。3）X射線測(cè)試有效檢測(cè)不可見(jiàn)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(kāi)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(kāi)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

11、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

12、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)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

13、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QFP,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(jiàn)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(kāi)。該系統(tǒng) 的成功在于只需較短的測(cè)試開(kāi)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

14、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 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(mǎi)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(pán)考慮。BGA的返修由于BGA圭寸裝形式與傳統(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

15、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. 電路板，芯片預(yù)熱2. 拆除芯片3. 清潔焊盤(pán)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(pán)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(pán) 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

16、積小，特別是CSP芯片體積更小，清潔焊盤(pán)比較困難，所 以在返修CSP芯片時(shí)，如果CSP的周?chē)臻g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)0K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暮稿a膏量不同。用0K集團(tuán)的BGA3000設(shè)備或MP-2000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)

17、間可略長(zhǎng)些，使用非清洗焊錫膏，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(mén)的設(shè)備來(lái)對(duì)中。0K集團(tuán)制造的BGA3000和MP-2000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0K集團(tuán)的BGA3000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，同時(shí)應(yīng)注意升溫的速 度，一般，在100C以前，最大的升溫速度不超過(guò) 6C /秒，100C以后最大的升 溫速度不超過(guò)3C /秒，在冷卻區(qū)，最大的冷卻速度不超過(guò)6C /秒。因?yàn)檫^(guò)高的升 溫和降溫速度有可能損壞PCB和芯片，這種損壞有時(shí)是肉眼不能觀察到的。 0K 集團(tuán)的BGA返修設(shè)備可以利用計(jì)算機(jī)方便地對(duì)此進(jìn)行選擇。不同的芯片，不同 的焊錫膏，應(yīng)選擇不同的加熱溫度和時(shí)間。如CBGA芯片的回流溫度應(yīng)高于PBGA的回流溫度，90Pb/10Sn應(yīng)較73Pb/Sn焊錫膏選用更高的回流溫度。熱風(fēng)回流焊中，PCB板的底部必須能夠加熱。這種加熱的目