原创 BGA器件及其焊点的质量控制

    随着科学技术的不断发展，现代社会与电子技术息息相关，超小型移动电话、超小型步话机、便携式计算机、存储器、硬盘驱动器、光盘驱动器、高清晰度电视机等都对产品的小型化、轻型化提出了苛刻的要求。要达到达一目标，就必须在生产工艺、元器件方面着手进行深入研究。 SMT(Surface Mount Technology 表面安装)技术顺应了这一潮流，为实现电子产品的轻、薄、短、小打下了基础。
    SMT技术进入90年代以来，走向了成熟的阶段，但随着电子产品向便据式／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BGA(Ball Grid Array 球栅阵列封装)就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。本文试图就BGA器件的组装特点以及焊点的质量控制作一介绍。

1  BGA 技术简介
    BGA技术的研究始于60年代，最早被美国IBM公司采用，但一直到90年代初，BGA 才真正进入实用化的阶段。
    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。虽然SMT使电路组装具有轻、薄、短、小的特点，对于具有高引线数的精细间距器件的引线间距以及引线共平面度也提出了更为严格的要求，但是由于受到加工精度、可生产性、成本和组装工艺的制约，一般认为 QFP(Quad Flat Pack 方型扁平封装)器件间距的极限为0.3mm，这就大大限制了高密度组装的发展。另外，由于精细间距QFP器件对组装工艺要求严格，使其应用受到了限制，为此美国一些公司就把注意力放在开发和应用比QFP器件更优越的BGA器件上。
     精细间距器件的局限性在于细引线易弯曲、质脆而易断，对于引线间的共平面度和贴装精度的要求很高。 BGA技术采用的是一种全新的设计思维方式，它采用将圆型或者柱状点隐藏在封装下面的结构，引线间距大、引线长度短。这样， BGA就消除了精细间距器件中由于引线问题而引起的共平面度和翘曲的问题。
    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QFD相比的最大优点是I/O引线间距大，已注册的引线间距有1.0、1.27和1.5mm，而且目前正在推荐由1.27mm和1.5mm间距的BGA取代0.4mm-0.5mm的精细间距器件。
      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。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，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20(PPM)，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。
     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。

2  BGA器件焊接点检测中存在的问题
    目前，对以中等规模到大规模采用BGA器件进行电子组装的厂商，主要是采用电子测试的方式来筛选BGA器件的焊接缺陷。在BGA器件装配期间控制装配工艺过程质量和鉴别缺陷的其它办法，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求是一项极具挑战性的技术，因为在BGA器件下面选定溯试点是困难的。在检查和鉴别BGA器件的缺陷方面，电子测试通常是无能为力的，这在很大程度上增加了用于排除缺陷和返修时的费用支出。
     据一家国际一流的计算机制造商反映，从印刷电路板装配线上剔除的所有BGA器件中的50％以上，采用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，但是它们却因此而被剔除掉。对其相关界面的仔细研究能够减少测试点和提高测试的准确性，但是这要求增加管芯级电路以提供所需的测试电路。
    在检测BGA器件缺陷过程中，电子测试仅能确认在BGA连接时，判断导电电流是通还是断?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 Control统计工艺控制)。
     BGA器件的组装是一种基本的物理连接工艺过程。为了能够确定和控制这样一种工艺过程的质量，要求了解和测试影响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况，以及润湿性，否则试图单单基于电子测试所产生的结果进行修改，令人格忧。

  3  BGA器件检测方式的探索
    测试 BGA器件连接点的物理特性和确定如何才能始终如一地在装配工艺过程中形成可靠连接的能力，在开始进行工艺过程研究期间显得特别的重要。这些测试所提供的反馈信息影响到每个工艺过程的调整，或者要变动焊接点的参数。
    物理测试能够表明焊剂漏印的变化情况，以及BGA器件连接点在整个再流工艺过程中的情况，也可以表明在一块板上所有BGA的情况，以及从一块板到另一块板的BGA情况。举例来说，在再流焊接期间，极度的环境湿度伴随着冷却时间的变化，将在BGA焊接点的空隙数量和尺寸大小上迅速反映出来。在BGA器件生产好以后，大量的测试对于组装过程控制而言仍然是关键，但是可以考虑降低检查的深入程度。
     可以用于对整个BGA器件组装工艺过程进行精确测量和质量检测的检验设备非常少，自动化的激光检测设备能够在元器件贴装前测试焊剂的涂覆情况，但是它们的速度缓慢，不能用来检验BGA器件焊接点的再流焊接质量。
    目前许多生产厂商用于分析电子测试结果的X射线设备，也存在能否测试BGA器件焊接点再流焊特性的问题。采用X射线装置，在焊盘层焊料的图象是“阴影”，这是由于在焊接点焊料处在它上方的缘故。在不可拆( non-collapsible) BGA器件中，由于前置焊球的缘故，也会出现“阴影”现象。例如：当BGA中接触点升浮在印刷电路板焊盘的上方，产生断路现象时，由于前面的前置焊球使得确定这一现象显得非常困难。
    这是由于焊料或者前置焊球所引发的“阴影”效果限制了X射线设备的检测工作，使之仅能粗略地反映BGA的工艺过程缺陷，例如：桥接现象。同时也影响到检测边缘部份的工艺缺陷，像焊料不足，或者由于污染引起的断路现象。
    仅有横截面X射线检测技术，例如:X射线分层法，能够克服上述条件的制约。横截面X射线检测技术具有能够查出隐藏的焊接点缺陷的能力，通过对焊盘层焊接点的聚焦，能够揭示出BGA焊接点的连接情况。在同样的情况下，采用X射线设各所获得的图像中，实际情况可能被隐藏掉了，从而不能够反映出真实的情况。
    焊料的数量以及它在连接点的分布情况，通过在BGA连接点的二个或更多个不同的高度(例如：在印制电路板焊盘接触面，在元器件接触面，或者在元器件和印刷电路板之间的一半高度)所产生的横截面图像或者“水平切片”予以直接测量，再结合同类BGA连接点的多次切片测量，能够有效地提供三维测试，可以在对BGA连接点不进行物理横截面操作的情况下进行检测。
    根据BGA连接点的常规结构，在每个横截面X射线图像“切片”内，具体连接点的特征被进行分离并予于以测量，从而提供定量的统计工艺控制(SPC)测量，SPC测量能够用于追踪过程偏移，以及将其特征归入对应的缺陷范畴。
    如图1所示，超过三个图像切片就能够获得不可拆BGA的焊接点情况，在图1中“印刷电路权焊料切片”中心定位于印刷电路板焊盘界面上，低共熔点焊料焊接轮廓内，“焊料球切片”中心定位引线焊球( lead solder ball)内，“元器件焊盘切片”中心定位于元器件界面的低共熔点焊料焊接轮廓线内。可拆卸BGA焊接点，通过两个或者更少的图像“切片”就可以反映其全部特征，图像“切片”中心可以定价于印刷电路板的焊盘界面处，也可以是在元器件界面处或者仅仅是在元器件和印刷电路板之间的一半位置处。
    通过X射线分层法切片，在BGA焊接点处可以获取如下四个基本的物理超试参数：
    ①焊接点中心的位置
    焊接点中心在不同图像切片中的相对位置，表明元器件在印刷电路扳焊盘上的定位情况。
    ②焊接点半径
    焊接点半径测量表明在特定层面上焊接点中焊料的相应数量，在焊盘层的半径测量表明在焊剂漏印(PasteScreening)工艺过程中以及因焊盘污染所产生的任何变化，在球层(ball level)的半径测量表明跨越元器件或者印刷电路板的焊接点共面性问题。
    ③以焊接点为中心取若干个环线，测量每个环线上焊料的厚度
    环厚度测量和它们的各种变化率，展示焊接点内的焊料分布情况，利用这些参数在辩别润湿状况优劣和空隙存在情况时显得特别的有效。
    ④焊接点形状相对于圆环的误差(也称为圆度)
    焊接点的圆度显示焊料围绕焊接点分布的匀称情况，作为同一个园相比较，它反映与中心对准和润湿的情况。
总的来说，上述测试所提供的信息数据，对于确定焊接点结构的完整姓，以及了解BGA装配工艺实施过程中每个步骤的性能情况是非常重要的。掌握了这些在BGA组装过程中所提供的信息和这些物理测试之间的相互关系，能够用于防止位移现象的产生，另外可改善相关的工艺过程，以消除缺陷现象的产生。图2示出了采用x射线分层法控制BGA焊接质量的情况。采用x射线分层法能够反映BGA组装工艺过程中任何一个阶段所发生的缺陷。

  4 两种常见的缺陷
4.1 不可拆BGA焊接点的断路
    不可拆BGA焊接点处所发生的断路现象，通常是由于焊盘污染所引起的，由于焊料不能润湿印刷电路板上的焊盘，它向上“爬”到焊料球一直到元器件界面上。如前面所叙，电子测试能够确定断路现象的存在，但是不能区别：这是由于焊盘污染所引起的呢?还是由于焊料漏印工艺过程控制不住所引起的？利用X射线设备进行测试，也不能揭示断路现象，这是因为受到前置焊科球“阴影”的影响。
    利用横截面X射线检测技术，能够通过在焊盘层和元器件层中间获取的图像切片,辩别出这种由于污染所引起的断路现象。由于污染所引起的断路现象，会产生细小的焊盘半径和较大的元器件半径尺寸，所以可以利用元器件半径和焊盘半径的差异来区分断路现象是否是由于污染引起的。由于焊料不足所引起的断路现象其半径之间的差异是非常小的，只有利用横截面x射线检测设备才能够辩别出这一差异。
  4.2 可拆卸BGA焊接中空隙
    可拆卸BGA焊接中的空隙是由于流动的蒸汽被截留在低共熔点焊料焊接处所产生的。在可拆卸BGA焊接点处出现空隙是一种主要的缺陷现象。在再流焊接期间，由于空隙所产生的浮力影响集中作用在元器件的界面上，因此所涉及到的绝大数焊接点失效现象，也都发生在那里。
    所出现的空隙现象可以通过在实施再流焊接工艺过程期间进行预加热，以及通过增加短暂的预热时间和较低的预热温度予以消除。当空隙超过一定的尺寸大小、数量或者密度时可靠性将明显降低，不过现在也有一种说法认为，不要对空隙予以限制，而是要加速其破裂扩散，使其早日失效并予以剔除。可拆卸BGA焊接中的空隙，可以通过在元器件层获取的横截面x射线图像切片中清晰地农现出来。有些空隙在这些图像内能够被确定和测量，或者通过左DGA焊接点半径处所产生的显著增加现象而被间接地表现出来。

  5 结束语
    本文简述了BGA器件的组装特点以及其焊接点处的检测。随着BGA器件在电子产品中愈来愈受到广泛的应用，能否制造出优质的BGA器件成为人们极关注的，也是BGA器件满足当今市场需求所必须做到的。在减小BGA尺寸，简化装配工艺过程的同时，对改善BGA性能的要求也在同步地增加。由于在印刷电路板装配线上BGA器件的数量显著增加，这就要求我们能够有效地评定BGA焊接点是否具有长期可靠性，而不仅仅满足于确定电路是通还是断。
    通过横截面x射线图像的分析，能够对BGA焊接点的质量情况提供定量的SPC测量。它能够有效地降低缺陷串和改善整个装配工艺过程。特别需要指出的是，使用横截面X射线检测能够改善工艺过程和降低费用，以满足大批量的生产要求，最终以电子产品的高可靠性来增强其市场竞争能力，取得更好的经济效益。