BGA技术与质量控制

1、BGA 技术与质量控制BGA 技术简介BGA 技术的研究始于 60 年代，最早被美国 IBM 公司采纳，但 一直到 90年代初， BGA 才真正进入有用化的时期。在 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进展到 了 0.3mm。由于引脚间距持续缩小，I/O数持续增加，封装体积也持 续加大， 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 本的提升。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升。因 此一种先进的芯片封装 BGA( Bal

2、l Grid Array )应运而生，BGA是球 栅阵列的英文缩写， 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，弓I线间距大，弓I线长度短，如此BGA排除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的咨询题。 BGA 技术的优点 是可增加I/O数和间距，排除QFP技术的高I/0数带来的生产成本和 可靠性咨询题。JEDEC(电子器件工程联合会)(JC-11)的工业部门制定了 BGA封装的 物理标准，BGA与QFP相比的最大优点是I/O弓I线间距大，已注册 的引线间距有1.0、1.27和1.5mm,而且目前正在举荐由1.27mm和1.5mm间距的BGA取代0.4mm-0.5mm

3、的精细间距器件。中国最大的资料库下载BGA 器件的结构可按焊点形状分为两类： 球形焊点和校状焊点。 球形焊点包括陶瓷球栅阵列 CBGA(Ceramic Ball Grid Array) 、载带自 动键合球栅阵列 TBGA(Tape Automatec Ball Grid Array) 塑料球栅阵 列 PBGA(Plastic Ball Array)。 CBGA、 TBGA 和 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) 。BGA技术的显现是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

4、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。这些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。由于 BGA 器件相对而言其间距较大，它在再流焊接过程中具有 自动排列定位的能力，因此它比相类似的其它元器件，例如QFP,操 作便利， 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 （Parts Per Million ,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

5、其 10倍。综上所述， BGA 器件的性能和组装优于常规的元器件，然而许 多生产厂家仍旧不情愿投资开发大批量生产 BGA 器件的能力。究其 缘故要紧是 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。BGA 器件焊接点检测中存在的咨询题目前，对以中等规模到大规模采纳 BGA 器件进行电子组装的厂商， 要紧是采纳电子测试的方式来选择 BGA 器件的焊接缺陷。在 BGA 器件装配期间操纵装配工艺过程质量和鉴不缺陷的其它方法， 包括在 焊剂漏印（Paste Screening上取样测试和使用X射线进行装配后的最 终检验，以及对电子测试的结果进行分析。满足对 BGA 器件电子测试的评定要

6、求是一项极具挑战性的技 术，因为在 BGA 器件下面选定测试点是困难的。 在检查和鉴不 BGA 器件的缺陷方面， 电子测试通常是无能为力的， 这在专门大程度上增 加了用于排除缺陷和返修时的费用支出。据一家国际一流的运算机制造商反映， 从印刷电路板装配线上剔 除的所有 BGA 器件中的 50以上，采纳电子测试方式对其进行测试 是失败的，它们实际上并不存在缺陷，因而也就不应该被剔除掉。电 子测试不能够确定是否是 BGA 器件引起了测试的失效，然而它们却 因此而被剔除掉。 对其有关界面的认真研究能够减少测试点和提升测 试的准确性，然而这要求增加管芯级电路以提供所需的测试电路。在检测 BGA 器件缺陷

7、过程中，电子测试仅能确认在 BGA 连接 时，判定导电电流是通依旧断 ?如果辅助于非物理焊接点测试，将有 助于组装工艺过程的改善和 SPC（Statistical Process Co ntro统计工艺 操纵）。BGA 器件的组装是一种差不多的物理连接工艺过程。为了能够 确定和操纵如此一种工艺过程的质量， 要求了解和测试阻碍其长期工 作可靠性的物理因素，例如：焊料量、导线与焊盘的定位情形，以及 润湿性，不能单单基于电子测试所产生的结果就进行修改。BGA 检测方法的探讨目前市场上显现的BGA封装类型要紧有：PBGA （塑料BGA ）、 CBGA （陶瓷BGA）及TBGA （载带BGA ）。封装工

8、艺中所要求的 要紧性能有：封装组件的可靠性；与 PCB的热匹配性能；焊球的共 面性；对热、湿气的敏锐性；是否能通过封装体边缘对准，以及加工 的经济性能。需指出的是，BGA基板上的焊球不论是通过高温焊球 （90Pb/10Sn）转换，依旧采纳球射工艺形成，焊球都有可能掉下丢 失，或者成型过大、过小，或者发生焊球连、缺损等情形。因此，需 要对 BGA 焊接后质量情形的一些指标进行检测操纵。目前常用的 BGA 检测技术有电测试、边界扫描及 X 射线检测。1 ）电测试传统的电测试， 是查找开路与短路缺陷的要紧方法。 其唯独的目 的是在板的预制点进行实际的电连接， 如此便能够撮合一个使信号流 入测试板、数

9、据流入 ATE 的接口。如果印制电路板有足够的空间设 定测试点，系统就能快速、有效地查找到开路、短路及故障元件。系 统也可检查元件的功能。测试仪器一样由微机操纵，检测不同 PCB 时，需要相应的针床和软件。关于不同的测试功能，该仪器可提供相 应工作单元来进行检测。例如，测试二极管、三极管时用直流电平单 元，测试电容、电感时用交流单元，而测试低数值电容及电感、高阻 值电阻时用高频信号单元。2) 边界扫描检测边界扫描技术解决了一些与复杂元件及封装密度有关的搜寻咨 询题。采纳边界扫描技术，每一个 IC 元件设计有一系列寄存器，将 功能线路与检测线路分离开， 并记录通过元件的检测数据。 测试通路 检查

10、 IC 元件上每一个焊接点的开路、短路情形。基于边界扫描设计 的检测端口， 通过边缘连接器给每一个焊点提供一条通路， 从而免除 全节点查找的需要。 尽管边界扫描提供了比电测试更广的不可见焊点 检测专门设计印制电路板与 IC 元件。电测试与边界扫描检测都要紧 用以测试电性能， 却不能较好检测焊接的质量。 为提升并保证生产过 程的质量， 必须找寻其它方法来检测焊接质量， 专门是不可见焊点的 质量。3) X 射线测试有效检测不可见焊点质量的方法是 X 射线检测，该检测方法基 于 X 射线不能象透过铜、硅等材料一样透过焊料的思想。换言之， X 射线透视图可显示焊接厚度、 形状及质量的密度分布。 厚度与

11、形状不 仅是反映长期结构质量的指标， 在测定开路、 短路缺陷及焊接不足方 面，也是专门好的指标。此技术有助于收集量化的过程参数，这些补 充数据有助于降低新产品开发费用，缩短投放市场的时刻。 X 射线图象检测原理X 射线由一个微焦点 X 射线管产生，穿过管壳内的一个铍管， 并投射到实验样品上。样品对 X 射线的吸取率或透射率取决于样品 所包含材料的成分与比率。穿过样品的 X 射线的吸取率或 X 射线敏 锐板上的磷涂层，并兴奋身光子，这些光子随后被摄像机探测到，然 后对该信号进行处理放大， 有运算机进一步分析或观看。 不同的样品 材料对 X 射线具有不同的不透亮系数，处理后的灰度图像显示了被 检查

12、的物体密度或材料厚度的差异。 人工 X 射线检测 使用人工 X 射线检测设备，需要逐个检查焊点并确定其是否合 格。该设备配有手动或电动辅助装置使组件倾斜， 以便更好地进行检 测和摄像。但通常的目视检测要求培训操作人员，同时易于出错。此 外，人工设备并不适合对全部焊点进行检测， 而只适合作工艺鉴定和 工艺故障分析。 自动检测系统 全自动系统能对全部焊点进行检测。尽管已定义了人工检测标 准，但全自动系统的检测正确度比人工 X 射线检测方法高得多。自 动检测系统通常用于产量高且品种少的生产设备上。 具有高价值或要 求可靠性的产品与需要进行自动检测。 检测结果与需要返修的电路板 一起送给返修人员。 这

13、些结果还能提供有关的统计资料， 用于改进生 产工艺自动 X 射线分层系统使用了三维剖面技术。该系统能检测单面 或双面表面贴装电路板，而没有传统的 X 射线系统的局限性。系统 通过软件定义了所要检查焊点的面积和高度，把焊点剖成不同的截 面，从而为全部检测建立完整的剖面图。目前已有两种检测焊接质量的自动测试系统上市：传输 X 射线 测试系统与断面 X 射线自动测试系统。传输 X 射线测试系统源于 X 射线束沿通路复合吸取的特性。 对 SMT 的某些焊接， 如单面 PCB 上 的J型引线与微间距QFP,传输X射线系统是测定焊接质量最好的 方法，但它却不能区分垂直重叠的特点。因此，在传输 X 射线透视

14、 图中，BGA元件的焊缝被其引线的焊球遮挡。 关于RF屏蔽之下的双 面密集型 PCB 及元器件的不可见焊接，也存在这类咨询题。断面 X 射线自动测试系统克服了传输 X 射线测试系统的众多咨 询题。它设计了一个聚焦断面，并通过上下平面散焦的方法，将 PC 的水平区域分开。 该系统的成功在于只需较短的测试开发时刻， 就能 准确检查焊接点。但断面 X 射线测试系统提供了一种非破坏性的测 试方法， 可检测所有类型的焊接质量， 并获得有价值的调整装配工艺 的信息。 选择合适的 X 射线检测系统选择适合实际生产中应用的、有较高性能价格比的 X 射线检测 系统以满足操纵需求是一项十分重要的工作。 最近较新显

15、现的超高辨 论率 X 射线系统在检测分析缺陷方面已达微米水平，为生产线上发 觉较隐藏的质量咨询题（包括焊接缺陷）提供了较全面的、比较省时 的解决方案。在决定购买检测 X 射线系统之前，一定要了解系统在 实际生产中的应用方面及所要达到的功能， 以便于确定系统所需的最 小辨论率，与此同时也就决定了所要购置的系统的大致价格。因此， 设备的放置、人员的配置等因素也要在选购时通盘考虑。BGA 的返修由于 BGA 封装形式与传统的表面元件不同，其引脚分布在元件 体底部，因此 BGA 的修理方式也不同于传统的表面元件。BGA 返修工艺要紧包括以下几步：1 电路板，芯片预热2 拆除芯片3 清洁焊盘4 涂焊锡膏

16、，助焊剂5 贴片6 热风回流焊1）电路板，芯片预热的要紧目的是将潮气去除，如果电路板和 芯片的潮气专门小（如芯片刚拆封，这一步能够免除）。2）拆除的芯片如果不打算重新使用，而且电路板可承担高温， 拆除芯片可采纳较高的温度（较短的加热周期）。3）清洁焊盘要紧是将拆除芯片后留在 PCB 表面的助焊剂，焊锡 膏清理掉，必须使用符合要求的清洁剂。为了保证 BGA 的焊接可靠 性，一样不能使用焊盘上旧的残留焊锡膏， 必须将旧的焊锡膏清除掉， 除非芯片上重新形成 BGA 焊锡球。由于 BGA 芯片体积小，专门是 CSP 芯片体积更小，清洁焊盘比较困难，因此在返修 CSP 芯片时， 如果CSP的周围空间专门

17、小，就需使用非清洗焊剂。4）在PCB上涂焊锡膏关于BGA的返修结果有重要阻碍。为了 准确平均方便地涂焊锡膏，美国 OK 集团提供 MS-1 微型焊锡膏印板 系统。通过选用与芯片相符的模板， 能够专门方便地将焊锡膏涂在电 路板上。选择模板时，应注意 BGA 芯片会比 CBGA 芯片的模板厚度 薄，因为它们所需要的焊锡膏量不同。用 0K集团的BGA3000设备 或MP-2000微型光学对中系统能够方便地检验焊锡膏是否涂的平均。 处理CSP芯片，有3种焊锡膏能够选择，RMA焊锡膏，非清洗焊锡 膏，水剂焊锡膏。使用 RMA 焊锡膏，回流时刻可略长些，使用非清 洗焊锡膏，回流温度应选的低些。5）贴片的要

18、紧目的是使 BGA 芯片上的每一个焊锡球与 PCB 上 每一个对应的焊点对正。由于 BGA 芯片的焊点位于肉眼不能观测到 的部位， 因此必须使用专门的设备来对中。 OK 集团制造的 BGA3000 和 MP-2000 设备能够精确地完成这些任务。6）热风回流焊是整个返修工艺的关键。其中，有几个咨询题比 较重要：芯片返修回流焊的曲线应当与芯片的原始焊接曲线接近，使用 OK 集团的 BGA3000 能够保证作到这点。它的热风回流焊曲线可分 成四个区间：预热区，加热区，回流区，冷却区，四个区间的温度、 时刻参数能够分不设定， 通过与运算机连接， 能够将这些程序储备和 随时调用。在回流焊过程中要正确选择个区的加热温度和时刻， 同时应注意 升温的速度，一样，在100C往常，最大的升温速度不超过 6C /秒， 100 C以后最大的升温速度不超过 3C /秒，在冷却区，最大的冷却速 度不超过6C/秒。因为过高的升温顺降温速度有可能损坏 PCB和芯 片，这种损坏有时是肉眼不能观看到的。 OK 集团的 BGA 返修设备 能够利用运算机方便地对此进行选择。不同的芯片，不同的焊锡膏， 应选择不同的加热温度和时刻。如 CBGA 芯片的回流温度应高于PBGA的回流温度，90Pb/10Sn应较73Pb/Sn焊锡膏选用更高的回流 温度。热风回流焊中， PCB 板的底部必须能够加热。 这种加热的