BGA和CCGA形位尺寸測(cè)試方法研究*

楊軼博，丁榮崢，明雪飛，陳 波

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

BGA和CCGA已廣泛用于集成電路的封裝。隨著BGA和CCGA外引出端數(shù)的增加，封裝密度增大，引出端節(jié)距縮小，電路組裝難度增加，為保證表面貼裝質(zhì)量和可靠性，對(duì)BGA和CCGA的形位公差[1,2]提出了更高的要求。形位公差來源于多方面誤差的累積：外殼或基板焊盤本身公差、印刷網(wǎng)板公差和印刷、回流焊接工藝等引入的誤差。

對(duì)于塑封有機(jī)基板還存在高溫和應(yīng)力等產(chǎn)生翹曲的問題[3]，基板設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)過程中需對(duì)工藝、環(huán)境和設(shè)備等因素加以全面控制，方可減少電路因翹曲產(chǎn)生的裝配質(zhì)量問題。

BGA和CCGA焊球焊柱的線性度、平面位置度和塑封基板翹曲度，已有標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定其設(shè)計(jì)規(guī)范與檢驗(yàn)合格判據(jù)。常用標(biāo)準(zhǔn)有多行業(yè)廣泛適用的GB/T 1182-1996《形狀和位置公差通則、定義、符號(hào)和圖樣表示法》，也包括專門針對(duì)電子連接和電子封裝行業(yè)的EIAJ ED-7304《Measuring Method for Package Dimensions of Ball Grid Array (BGA)》、JEDEC《Ball-Grid-Array Package Design Guide》及IPC-TM-650《Test Method Manual》。

機(jī)械行業(yè)中，常用的形位測(cè)試方法主要有三坐標(biāo)法、投影法等，但針對(duì)BGA和CCGA封裝焊球、焊柱的位置度和線性度測(cè)試國(guó)內(nèi)鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。

激光顯微鏡測(cè)量技術(shù)是一種快速簡(jiǎn)便、高精度的測(cè)量方法，適合于生產(chǎn)和科研中的在線檢測(cè)和離線檢驗(yàn)。在BGA/CCGA焊球/焊柱形位尺寸測(cè)量前，利用激光顯微鏡可獲得精確的焊球、焊柱和基板特殊點(diǎn)（最高點(diǎn)和最低點(diǎn)）坐標(biāo)，為準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算形位尺寸提供可靠數(shù)據(jù)。本文主要討論激光測(cè)量顯微鏡結(jié)合Auto CAD繪圖軟件來確定焊球/焊柱線性度、平面位置度和塑封有機(jī)基板翹曲度的方法。

2 平面位置度測(cè)量

焊球、焊柱的平面位置度[1]是指，焊球球心和焊柱軸線在基板平面的投影與位置度基準(zhǔn)之間的實(shí)際距離。位置度基準(zhǔn)是封裝設(shè)計(jì)圖紙（如Auto CAD圖紙）中每個(gè)焊盤的中心點(diǎn)。由于焊球球心投影和焊柱軸線投影難以直接測(cè)量獲取，因此在實(shí)際操作中分別以焊球上方頂點(diǎn)和焊柱頂端面圓心在基板平面的投影等效近似。

測(cè)量設(shè)備選用激光測(cè)量顯微鏡。將電路的焊球或焊柱朝上置于顯微鏡載物臺(tái)上，電路測(cè)量所選原點(diǎn)與設(shè)計(jì)圖紙中的原點(diǎn)一致（本文選擇基板一角頂點(diǎn)作為原點(diǎn)），將機(jī)器調(diào)至自動(dòng)對(duì)焦模式，自動(dòng)抓取每一焊球或焊柱頂端中心，并記錄下其X-Y平面坐標(biāo)，即焊球上方頂點(diǎn)和焊柱頂端圓心在基板平面的投影坐標(biāo)。

將測(cè)量坐標(biāo)導(dǎo)入設(shè)計(jì)圖紙，測(cè)量點(diǎn)以黑點(diǎn)表示，基準(zhǔn)點(diǎn)以“＋”表示，平面位置度判據(jù)eee由焊盤節(jié)距e確定[4,5]，參見表1，以判據(jù)eee為半徑畫虛線圓。某一黑點(diǎn)與臨近“＋”的距離即為實(shí)際電路中該焊球/焊柱的位置度。當(dāng)它小于虛線圓半徑，即黑點(diǎn)位于虛線圓內(nèi)時(shí)，則判定該焊球或焊柱位置度合格，所有焊球或焊柱均如此，則判定該電路焊球或焊柱平面位置度合格。如圖1所示。

表1 不同節(jié)距e對(duì)應(yīng)的平面位置度判據(jù)eee

3 線性度測(cè)量

焊球或焊柱線性度是指焊球球心或焊柱軸線在基板平面的投影到線性度基準(zhǔn)線的垂直距離，參見圖2。線性度基準(zhǔn)線定義如下：將實(shí)際電路焊球/焊柱頂端中心X-Y平面坐標(biāo)（分別近似替代焊球球心投影/焊柱軸線投影坐標(biāo)）導(dǎo)入Auto CAD，并畫出焊球/焊柱投影（以圓表示）。任意選取最靠近基板長(zhǎng)邊和寬邊的一行和一列焊球/焊柱投影，過長(zhǎng)度方向上的每一焊球/焊柱頂端中心投影點(diǎn)，畫平行于寬邊的直線，過寬度方向上每一焊球/焊柱頂端中心投影點(diǎn)畫平行于長(zhǎng)邊的直線。這些正交的直線就稱為焊球/焊柱平面線性度基準(zhǔn)。

圖1 焊球/焊柱平面位置度示意圖

與平面位置度測(cè)量相同，焊球中心或焊柱軸線投影點(diǎn)以焊球或焊柱頂端中心點(diǎn)X-Y平面坐標(biāo)代替，并采用相同的測(cè)量?jī)x器和方法獲取實(shí)際電路的焊球或焊柱頂端中心點(diǎn)X-Y平面坐標(biāo)。與平面位置度測(cè)量不同的是，所選用的線性度基準(zhǔn)線由電路實(shí)測(cè)坐標(biāo)確定。

將電路焊球/焊柱頂端中心點(diǎn)的X-Y平面坐標(biāo)導(dǎo)入設(shè)計(jì)圖紙，如圖2所示，以黑點(diǎn)表示。

圖2 焊球/焊柱線性度示意圖

同時(shí)以黑色實(shí)線圓表示焊球/焊柱的投影，并以粗點(diǎn)劃線表示線性度基準(zhǔn)。一條粗點(diǎn)劃線與上下左右四條細(xì)虛線均相距fff，它們正交圍成的虛線正方形區(qū)域邊長(zhǎng)為2fff。焊球或焊柱頂端中心點(diǎn)（黑點(diǎn)）到線性度基準(zhǔn)（細(xì)虛線）的垂直距離即為焊球或焊柱線性度。當(dāng)黑點(diǎn)處于邊長(zhǎng)為2fff的虛線正方形區(qū)域內(nèi)，則判定該焊球或焊柱線性度合格，所有焊球或焊柱均如此，則判定該電路焊球或焊柱線性度合格。線性度判據(jù)fff由焊盤節(jié)距e確定[4,5]，如表2所示。

表2 不同節(jié)距e對(duì)應(yīng)的線性度判據(jù)fff

4 翹曲率測(cè)量

PBGA基板的翹曲分為弓曲和扭曲[3,6]兩種。將基板自由放置于平臺(tái)上不施加任何外力，當(dāng)基板四角均與平臺(tái)接觸或三個(gè)角與平臺(tái)接觸，對(duì)另一角施加壓力亦可使之接觸平臺(tái)時(shí)，定義基板處于弓曲狀態(tài)。同樣地，將基板自由放置于平臺(tái)上不施加任何外力，基板三個(gè)角接觸到平臺(tái)，另一角翹起；或只有兩個(gè)角接觸平臺(tái)，另兩個(gè)角翹起，定義基板處于扭曲狀態(tài)。常見的弓曲和扭曲如圖3、圖4所示[6]。

圖3 典型弓曲外形示意圖

圖4 典型扭曲外形示意圖

PBGA基板翹曲度的測(cè)量在植球前進(jìn)行。植球時(shí)的高溫回流過程可能使基板翹曲度增大，引入焊球共面性的測(cè)量能夠?yàn)殡娐费b配（與PCB板的二次組裝焊接）提供足夠的參考依據(jù)，通過植球后不再進(jìn)行翹曲度測(cè)量。

基板翹曲度也采用激光顯微鏡測(cè)量，測(cè)量前先將基板放置于平整臺(tái)面上，觀察外形以確定翹曲形式為弓曲或扭曲，再進(jìn)行測(cè)量。

4.1 弓曲率

測(cè)量程序如下：

（1）將PBGA基板凸面朝上平放于顯微鏡的載物平臺(tái)上，基板處于自由狀態(tài)下。

（2）觀察基板四個(gè)角是否都接觸平臺(tái)。如果不是，使用兩個(gè)重量適當(dāng)?shù)捻来a（或用手指按壓），壓住未接觸平臺(tái)的角以及它的對(duì)角。

（3）用顯微鏡掃描整個(gè)基板面，自動(dòng)獲得基板最高和最低點(diǎn)Z方向坐標(biāo)，兩坐標(biāo)之差為弓曲度RL。

（4）在基板凸面上方放置一砝碼使基板底部緊貼臺(tái)面，測(cè)量基板與平臺(tái)垂直距離最大的那條邊完全接觸平臺(tái)面時(shí)的長(zhǎng)度L。

（5）利用公式“弓曲率＝RL/L”計(jì)算塑封基板的弓曲率。

4.2 扭曲率

分兩種情況采用兩種方式測(cè)量和計(jì)算：

（1）某一面放置時(shí)，基板三個(gè)角接觸到平臺(tái)，一個(gè)角翹起。

（a）將PBGA基板在自由狀態(tài)下平放于顯微鏡的載物臺(tái)上，保持三角接觸平臺(tái)，一角翹起。

（b）使用顯微鏡自動(dòng)掃描，直接測(cè)量基板最高和最低點(diǎn)Z方向坐標(biāo)，兩坐標(biāo)之差為扭曲度R。

（c）用適當(dāng)重量和尺寸的砝碼壓住整個(gè)樣品，使樣品對(duì)角線充分接觸平臺(tái)，測(cè)量此對(duì)角線的實(shí)際長(zhǎng)度D。

（d）利用公式“扭曲率＝R/D”計(jì)算塑封基板的扭曲率。

（2）某一面放置時(shí)，只有兩個(gè)角接觸到平臺(tái)。

（a）將PBGA基板在自由狀態(tài)下平放于顯微鏡的載物臺(tái)上。

（b）用適當(dāng)重量的砝碼壓住不接觸平臺(tái)的兩個(gè)角中的一個(gè)，使三個(gè)角接觸平臺(tái)，使用顯微鏡自動(dòng)掃描，直接測(cè)量基板最高和最低點(diǎn)Z方向坐標(biāo)，兩坐標(biāo)之差為扭曲度R。

（c）用適當(dāng)重量和尺寸的砝碼壓住整個(gè)樣品，使樣品對(duì)角線充分接觸平臺(tái)，測(cè)量此時(shí)對(duì)角線的實(shí)際長(zhǎng)度D。

（d）利用公式“扭曲率＝R/2D”計(jì)算塑封基板的扭曲率。

4.3 翹曲率判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于PBGA翹曲度，業(yè)內(nèi)并無明確標(biāo)準(zhǔn)。IPC-A-600H中規(guī)定，采用表面貼裝元器件的印制板，弓曲和扭曲應(yīng)當(dāng)小于等于0.75%（≤7.5μm/mm）。還有些PCB廠要求覆銅板翹曲度小于0.5%（＜5μm/mm）甚至0.4%（＜4μm/mm）。相比于PCB板，PBGA基板不承重，且工藝水平可以嚴(yán)格控制其翹曲度，因此可將0.4%作為塑封基板翹曲率的合格判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。此外，如客戶有更為嚴(yán)格的要求，可與其協(xié)商，共同制定雙方均能接受的翹曲率標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

位置度和線性度測(cè)量方法為：采用激光測(cè)量顯微鏡測(cè)量BGA、CCGA焊球球心頂點(diǎn)和焊柱頂端面圓心的X-Y平面坐標(biāo)，等效表征為焊球球心和焊柱軸線的X-Y平面投影坐標(biāo)，將實(shí)測(cè)坐標(biāo)導(dǎo)入Auto CAD與設(shè)計(jì)圖紙的理論坐標(biāo)點(diǎn)或?qū)崪y(cè)基準(zhǔn)線比較，確定位置度和線性度尺寸，并根據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)判斷是否合格。

翹曲率測(cè)量方法為：采用激光測(cè)量顯微鏡測(cè)量PBGA植球前基板面的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)Z向坐標(biāo)，然后根據(jù)翹曲形式（弓曲或扭曲）選擇翹曲率計(jì)算公式。計(jì)算得到的結(jié)果以0.4%內(nèi)（＜4μm/mm）為標(biāo)準(zhǔn)判斷是否合格。若客戶有更高標(biāo)準(zhǔn)，與之協(xié)商共同制定雙方均能接受的翹曲率合格判據(jù)。

[1]GB/T 1182-1996.形狀和位置公差通則、定義、符號(hào)和圖樣表示法[S].

[2]EIAJ ED-7304-1997.Measuring Method for Package Dimensions of Ball Grid Array (BGA) [S].

[3]曾光龍.覆銅板和PCB板翹曲成因與預(yù)防措施[J].印制電路信息，2006，4：29-30.

[4]JEDEC Publication 95 Desigh Guide 4.14 Ball-Grid-Array Package Design Guide [S].

[5]JEDEC Publication 95 Desigh Guide 4.5 Fine-Pitch Square Ball Grid Array Package Design Requirement [S].

[6]IPC-A-600H-2010 CN 印制板的可接收性[S].