BGA焊点的质量控制.doc

BGA焊点的质量控制鲜 飞（烽火通信科技股份有限公司，武汉 430074）摘 要：BGA是现代组装技术的新概念，它的出现促进SMT（表面贴装技术）与SMD（表面贴装元器件）的发展和革新，并将成为高密度、高性能、多功能及高I/O数封装的最佳选择。本文结合实际工作中的一些体会和经验，就BGA焊点的接收标准、缺陷表现及可靠性等问题展开论述，特别对有争议的一种缺陷空洞进行较为详细透彻的分析，并提出一些改善BGA焊点质量的工艺改进的建议。 关键词：表面贴装技术；球栅阵列封装；焊点；X射线；质量控制 中图分类号： TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)05-0049-041 引言 随着电子产品向便携式小型化、网络化和多媒体化方向的迅速发展，对电子组装技术提出了更高的要求，新的高密度组装技术不断涌现，其中球栅阵列封装（BGA）就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。现在很多新产品设计时大量地应用这种器件，然而，BGA焊接后焊点的质量和可靠性是很令人头痛的问题。由于无法用常规的目视检查BGA焊点的质量，在调试电路板发现故障时，经常会怀疑是BGA的焊接质量问题或BGA本身芯片的原因。本文将就BGA焊点的接收标准、缺陷表现及可靠性等问题展开论述，特别对有争议的一种缺陷空洞进行较为透彻的分析。 BGA技术的研究始于20世纪60年代，最早被美国IBM公司采用，但一直到20世纪90年代初，BGA才真正进入实用化的阶段。在20世纪80年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了更高的要求。为了适应这一要求，QFP的引脚间距目前已从1.27mm发展到了0.3mm。由于引脚间距不断缩小，I/O数不断增加，封装体积也不断加大，给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。另方面由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制，0.3mm已是QFP引脚间距的极限，这都限制了组装密度的提高，于是一种先进的芯片封装球栅阵列（BGA）应运而生。它的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面(图1)，引线间距大，引线长度短，这样 BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。BGA技术的优点是可增加I/O数和间距，消除QFP技术的高I/0数带来的生产成本和可靠性问题 1。 BGA器件的结构可按焊点形状分为两类：球形焊点和柱状焊点。球形焊点包括陶瓷球栅阵列 （CBGA）、载带自动键合球栅阵列（TBGA）和塑料球栅阵列（PBGA），是按封装方式的不同而划分的；柱形焊点称为CCGA(ceramic column grid array)6。 BGA技术的出现是IC器件从四边引线封装到阵列焊点封装的一大进步，它实现了器件更小、引线更多以及优良的电性能。另外还有一些超过常规组装技术的性能优势，包括高密度的I/O接口、良好的热耗散性能以及能够使小型元器件具有较高的时钟频率3。 由于BGA器件相对而言其间距较大，在再流焊接过程中具有自校准的能力，所以它比相类似的其它元器件，例如QFP，操作便捷，在组装时具有高可靠性。据国外一些印刷电路板制造技术资料反映， BGA器件在使用常规的SMT工艺规程和设备进行组装生产时，能够始终如一地实现缺陷率小于 20PPM（百万分率缺陷数），而与之相对应的器件，例如QFP，在组装过程中所形成的产品缺陷率至少要超过其10倍2。 综上所述，BGA器件的性能和组装优于常规的元器件，但是许多生产厂家仍然不愿意投资开发大批量生产BGA器件的能力。究其原因主要是BGA 器件焊接点的测试相当困难，不容易保证其质量和可靠性 4。 2 焊接质量的检查 对于BGA来讲，由于焊球在芯片的下面，焊接完成之后很难去判断其焊接质量。在没有检查设备的情况下，先目视观察BGA最外面一圈焊点情况（图2），再将芯片对着光看，如果每一排每一列都能透过光，那么可以断定没有连焊，有时尺寸大一点的焊球也能看见。但用这种方法无法判断里面的焊点是否存在其它缺陷或焊点里面是否有空洞。要想更清楚地判断焊点的质量，必须使用X光焊点检查仪5。 传统的二维射线直射式照相设备比较便宜，但其缺点是在PCB板的两面的所有焊点都同时在一张照片上显影。对于在同一位置两面都有组件的情况下，这些焊锡形成的阴影会重迭起来，分不清是哪个面的组件，如果有缺陷的话，也分不清是哪个层的问题。这样，无法满足精确地确定焊接缺陷的要求。 另外一种HP 5DX电路板检查仪是专门用来检查焊点的射线断层扫描检查设备。当然它不仅能够检查BGA，电路板上所有封装的焊点它都可以检查。虽然以前人们认为这种设备太昂贵，用来进行焊点的检查成本太高，但随着BGA器件的应用越来越广泛，人们已经能接受这种昂贵的设备了。HP 5DX采用的是射线断层照相，通过它可以把焊接球分层，产生断层照相的效果。射线断层照相的图片能够根据CAD原始设计数据和用户设置的参数进行自动分析焊点，它实时地进行断层扫描，能够在几十秒或分钟之内（视电路板焊点的数量及复杂程度不同）对PCB的两面的所有组件的所有焊点进行精确的对比分析，得出焊接合格与否的结论。为什么断层扫描的射线照相能够得到清晰度非常高的效果呢？这是由其工作原理决定的。HP 5DX系统（图3）的射线是由位于设备上端的一个射线管产生的。工作时，必须将电压从200V升至 160kV，电流为100mA。在高电压下产生的电子束照射到金属钨上会产生射线。这一束射线斜着射下来，以760rs的速度高速旋转。同时在下面还有一个闪烁器平台也以同样的速度与射线同步旋转。闪烁器平台实际上是一个对光敏感的接收器。一般来讲，锡、铅等重金属光不会透过，会形成深色的景象，而一般的物质则被光穿透，什么都看不到。光在光源与闪烁器平台之间的某一位置上聚集，出现一个聚集平面，聚集平面上的物体或图像会在闪烁器平台上形成一个清晰的图像，但不在聚集平面上的物体或图像在闪烁器平台上则被则被消除，只有一个阴影。于是对于PCB上高度不同的焊点进行断层，想要检查某一层的焊接情况，只要将这一层调整到聚集平面的位置，就会很清楚地将扫描结果展现出来。这个清晰的照片会由设备下面的光照相机拍下来，如图4。3 接收标准 不管用哪种检查设备进行检查，判断焊点的质量是否合格都必须有依据。IPC-A-610C 12.2.12专门对BGA焊点的接收标准进行了定义。优选的BGA 焊点要求焊点光滑，边界清晰，无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一样，位置对准，无偏移或扭转，无焊锡球。 焊接完成后，优选的标准是追求的目标，但作为合格焊点的判据，还可以比上述标准要求稍微放松。如位置对准，允许BGA焊点相对于焊盘有不超过25%的偏移量，对于焊锡球也不是绝对不允许存在，但焊锡球不能大于相邻最近的两个焊球间距的25%。 4 典型缺陷及工艺改进 BGA的典型缺陷包括：连焊、开焊、焊球丢失、空洞、大焊锡球和焊点边缘模糊，下面列举2张实际工作中得到的射线照片。图5是一张倾斜拍摄的BGA照片，其中正常的焊点为圆柱型，开焊焊点为圆型（小方框中）。图6展示了BGA焊点连焊（黑圈所示）。共晶焊料的BGA在焊接过程形成焊点时，PCB 板上涂覆的焊膏和器件本身的焊球要熔为一体，经过两个阶段的塌落。第一个阶段是PCB板上的焊膏先熔化，器件塌下来；第二个阶段是器件本身的焊球也熔化并与PCB板上的熔化的焊膏熔为一体，焊球再次塌落，形成一个扁圆形的焊点。要形成完美的焊点，应注意以下几个方面。（1）使用新鲜的焊膏，保证焊膏搅拌均匀，焊膏涂覆的位置准确，器件放置的位置准确。（2）对于塑料封装的PBGA要在焊接前以100烘干68h，有氮气条件的话更好。若BGA含水气过多，在回流焊过程中(锡焊熔化时)形成水蒸气喷发出来，造成锡焊材料飞溅形成焊球或连焊。（3）回流温度曲线是一个非常重要的因素。在焊接过程中，要保证焊接曲线过渡自然，使器件均匀受热，尤其在焊接区，要保证所有焊点充分熔化。否则将会由于温度不够形成冷焊点，焊点表面粗糙，或第二次塌落阶段没有充分熔化，PCB表面的焊膏与器件本身的焊锡中间出现裂纹，造成虚焊或开焊。（4）涂覆的焊膏量必须适当，焊膏的粘度应起到对器件暂时固定的作用，还要保证在焊料熔化的焊接过程中不连焊。通常制作BGA模板时，BGA焊点的开孔尺寸通常为焊盘尺寸的70%80%，模板厚度通常为0. 15mm(6mil)。（5）设计BGA的焊盘时一定要将所有焊点的焊盘设计成一样大，如果某些过孔必须设计到焊盘的下面，也应当找合适的PCB制造厂，在该焊盘的位置钻孔，而不能因为钻不了那么小的过孔，就擅自将焊盘改大，这样的话焊接后大焊盘和小焊盘上的锡量不一样多，高度也不一致造成虚焊或开焊。（6）PCB制作时的阻焊膜问题。由于阻焊膜不合格造成的焊接失败已经很多了，所以在焊接BGA之前要先检查焊盘周围的阻焊膜是否合格，要求在BGA器件焊盘2mil宽的圆周外设计阻焊掩膜。焊接面焊盘周围的过孔也一定要涂覆阻焊膜，如图7。如果制作时把阻焊膜加到了PCB的另一面就没用了。加阻焊膜的目的是为避免在焊接时空气从下面进来形成空洞，同时也可以避免焊锡从通孔中流出。 返修BGA是迫不得已的办法，虽然有可能修复焊接失败的BGA芯片，但费时较长，还必须有合适的焊球和能够精确对位的返修工具。植球的方法已经有不少介绍了，但实际操作时植球的成功率通常不是很高，由此造成的资源浪费是显而易见