BGA技術(shù)與質(zhì)量控制

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)入實用化的階段。在80年代，人們對電子電路小型化和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)運而生，BGA是球 柵陣列

2、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， 引線間距大，引線長度短，這樣 BGA消除了精細(xì)間距器件中由于引線而引起的 共面度和翹曲的問題。BGA技術(shù)的優(yōu)點是可增加I/O數(shù)和間距，消除QFP技術(shù) 的高I/0數(shù)帶來的生產(chǎn)成本和可靠性問題。JEDEC(電子器件工程聯(lián)合會)(JC-11)的工業(yè)部門制定了 BGA封裝的物理標(biāo) 準(zhǔn)，BGA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1.5mm,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)可按焊點形狀分為兩類：球形焊點和校狀焊點

3、。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(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封裝的一大進(jìn)步，它實現(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

4、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(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，能夠始終如一地實現(xiàn)缺陷率小于20PPM(Parts Per Million，百萬分率缺陷數(shù))，而與之相對應(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

5、的測試相當(dāng)困難，不容易保證其質(zhì)量和可靠性。BGA器件焊接點檢測中存在的問題目前，對以中等規(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?。≒aste Screening上取樣測 試和使用X射線進(jìn)行裝配后的最終檢驗，以及對電子測試的結(jié)果進(jìn)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(shù)，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(jù)一家國際

6、一流的計算機(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，采用電子測試方式對其進(jìn)行測試是失敗的，它們實際 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。對其相關(guān)界面的仔細(xì)研究 能夠減少測試點和提高測試的準(zhǔn)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(rèn)在 BGA連接時，判斷導(dǎo) 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 Contro統(tǒng)計工藝控制）。BGA器件的組裝是一種基

7、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，不能單單基于電子測試所產(chǎn) 生的結(jié)果就進(jìn)行修改。BGA檢測方法的探討目前市場上出現(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；對熱、濕氣的敏感性；是否能通過封裝體邊緣對準(zhǔn)，以及加工的經(jīng)濟(jì)性能。需指出的是， BGA基板上的焊 球不論是通過高溫焊球（90Pb/10Sn轉(zhuǎn)換，還是采用球射工藝形成，焊球

8、都有 可能掉下丟失，或者成型過大、過小，或者發(fā)生焊球連、缺損等情況。因此，需 要對BGA焊接后質(zhì)量情況的一些指標(biāo)進(jìn)行檢測控制。目前常用的BGA檢測技術(shù)有電測試、邊界掃描及 X射線檢測。1）電測試傳統(tǒng)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(yù)制點進(jìn)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(shù)據(jù)流入 ATE的接口。如果印制電路板有足夠的空間設(shè)定測試點，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。測試儀器一般由微 機(jī)控制，檢測不同PCB時，需要相應(yīng)的針床和軟件。對于不同的測試功能，該 儀器可提供相應(yīng)工作單元來進(jìn)行檢測。 例如，測試二極

9、管、三極管時用直流電平 單元，測試電容、電感時用交流單元，而測試低數(shù)值電容及電感、高阻值電阻時 用咼頻信號單兀。2）邊界掃描檢測邊界掃描技術(shù)解決了一些與復(fù)雜元件及封裝密度有關(guān)的搜尋問題。采用邊界掃描技術(shù)，每一個IC元件設(shè)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(shù)據(jù)。測試通路檢查 IC元件上每一個焊接點的開路、短 路情況。基于邊界掃描設(shè)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(shè)計印制電路板與IC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(zhì)量。為提高

10、并保證生產(chǎn)過程的質(zhì)量，必須找 尋其它方法來檢測焊接質(zhì)量，尤其是不可見焊點的質(zhì)量。3）X射線測試有效檢測不可見焊點質(zhì)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(zhì)量的密度分布。厚度與形狀不僅是反映長期結(jié)構(gòu)質(zhì)量的指標(biāo)，在 測定開路、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(chǎn)生，穿過管殼內(nèi)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

11、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)光子， 這些光子隨后被攝像機(jī)探測到，然后對該信號進(jìn)行處理放大，有計算機(jī)進(jìn)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(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射線檢測使用人工X射線檢測設(shè)備，需要逐個檢查焊點并確定其是否合格。該設(shè)備 配有手動或電動輔助裝置使組件傾斜，以便更好地進(jìn)行檢測和攝像。但通常的目 視檢測要求培訓(xùn)操作人員，并且易于出錯。此外，人工設(shè)備并不適合對全部焊點 進(jìn)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(tǒng)全自動系統(tǒng)能對全部焊點進(jìn)行檢測。 雖然已定義了人工檢測

12、標(biāo)準(zhǔn)，但全自動 系統(tǒng)的檢測正確度比人工X射線檢測方法高得多。自動檢測系統(tǒng)通常用于產(chǎn)量 高且品種少的生產(chǎn)設(shè)備上。具有高價值或要求可靠性的產(chǎn)品與需要進(jìn)行自動檢 測。檢測結(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)計資料，用于改進(jìn)生產(chǎn)工藝。自動X射線分層系統(tǒng)使用了三維剖面技術(shù)。該系統(tǒng)能檢測單面或雙面表面 貼裝電路板，而沒有傳統(tǒng)的X射線系統(tǒng)的局限性。系統(tǒng)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(zhì)量的自動測試系統(tǒng)上市：傳輸 X射線測試系統(tǒng)與 斷面X射線自動測試系統(tǒng)。傳輸X射線測試系統(tǒng)源于X射線束沿通路復(fù)合吸

13、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QFP,傳輸X 射線系統(tǒng)是測定焊接質(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(tǒng)克服了傳輸 X射線測試系統(tǒng)的眾多問題。它設(shè)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(tǒng) 的成功在于只需較短的測試開發(fā)時間，就能準(zhǔn)確檢查焊接點。但斷面X射線測試系統(tǒng)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(zhì)量，并獲得有 價值的調(diào)整裝配工藝的信息。 選

14、擇合適的X射線檢測系統(tǒng)選擇適合實際生產(chǎn)中應(yīng)用的、有較高性能價格比的 X射線檢測系統(tǒng)以滿足 控制需求是一項十分重要的工作。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(tǒng)之前，一定要了解系統(tǒng)在實際生產(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，與此同時也就決定了所要購置的系統(tǒng)的大致價格。 當(dāng)然，設(shè)備 的放置、人員的配置等因素也要在選購時通盤考慮。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的維修方式也不同于

15、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 很小（如芯片剛拆封，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

16、CSP芯片體積更小，清潔焊盤比較困難，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(jié)果有重要影響。為了準(zhǔn)確均勻方 便地涂焊錫膏，美國0K集團(tuán)提供MS-1微型焊錫膏印板系統(tǒng)。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(yīng)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0K 集團(tuán)的BGA3000設(shè)備或MP-2000微型光學(xué)對中系統(tǒng)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

17、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芯片上的每一個焊錫球與PCB上每一個對應(yīng) 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(shè)備來對中。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)回流焊是整個返修工藝的關(guān)鍵。其中，有幾個問題比較重要：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。它的熱風(fēng)回流焊曲線可分成四個區(qū)間：預(yù)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(shù)可以分別設(shè)定，通過與計 算機(jī)連接，可以將這些程序存儲和隨時調(diào)用。在回流焊過程中要正確選擇個區(qū)的加熱溫度和時間，同時應(yīng)注意升溫的速 度，一般，在100C以前，最大的升溫速度不超過 6C /秒，100C以后最大的升 溫速度不超過3C /秒，在冷卻區(qū)，最大的冷卻速度不超過6C /秒。因為過高的升 溫和降溫速度有可能損壞PCB和芯片，這種損壞有時是肉眼不能觀察到的。 0K 集團(tuán)的BGA返修設(shè)備可以利用計算機(jī)方便地對此進(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