淺談X—ray檢驗(yàn)設(shè)備評(píng)判BGA器件焊接質(zhì)量

摘 要：BGA器件焊接之后，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性無(wú)法采用常規(guī)檢驗(yàn)手段對(duì)其焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)與評(píng)判，X-ray檢驗(yàn)技術(shù)作為新技術(shù)、新手段越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于電子產(chǎn)品組裝檢驗(yàn)中。文章以工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)要求為基礎(chǔ)，介紹BGA器件焊接后形成不良焊點(diǎn)的原因，指出如何利用X-ray檢驗(yàn)設(shè)備的檢驗(yàn)影像評(píng)判BGA器件焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：BGA器件；X-ray；檢驗(yàn)；質(zhì)量

隨著電子產(chǎn)品便攜化、小型化的發(fā)展要求，越來(lái)越多的小型器件應(yīng)用于電子組裝過(guò)程中，高密度、高集成的電子裝聯(lián)技術(shù)日趨成熟，隨之而來(lái)的檢驗(yàn)手段也日新月異。作為小型器件典范的BGA器件近些年來(lái)在電子產(chǎn)品中應(yīng)用非常廣泛，與QFP封裝器件或PLCC封裝器件相比，BGA器件具有引腳數(shù)目更多、引腳間電感及電容更小、引腳共面性好、電性能及散熱性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。雖然BGA器件有諸多方面的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在著無(wú)法改變的不足之處：即BGA器件在焊接完成之后，由于其焊點(diǎn)全部在器件本體腹底之下，因此既無(wú)法采用傳統(tǒng)的目測(cè)方法觀測(cè)檢驗(yàn)全部焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量，也不能應(yīng)用AOI（自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)）設(shè)備對(duì)焊點(diǎn)外觀做質(zhì)量評(píng)判，只能采用X-ray檢驗(yàn)設(shè)備對(duì)BGA器件焊點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)。X-ray檢驗(yàn)設(shè)備是基于X射線的影像原理，由X射線發(fā)生裝置發(fā)出X射線，對(duì)被檢驗(yàn)印制板組及BGA器件進(jìn)行照射，利用X射線不能穿透錫、鉛等密度大且厚的物質(zhì)，可形成深色影像，而會(huì)輕易穿透印制板及塑料封裝等密度小且薄的物質(zhì)，不會(huì)形成影像的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)BGA器件焊接焊點(diǎn)的質(zhì)量檢驗(yàn)，圖1所示即是X-ray檢驗(yàn)設(shè)備的檢驗(yàn)原理。下面就對(duì)此種檢驗(yàn)的評(píng)判要求做些介紹與探討。

圖1 X-ray檢驗(yàn)設(shè)備的檢驗(yàn)原理圖

1 基本要求

在X-ray檢驗(yàn)設(shè)備的影像區(qū)內(nèi)，BGA器件無(wú)明顯位置偏移和翹起的現(xiàn)象，BGA焊料球的影像尺寸、形狀、顏色和對(duì)比度應(yīng)均勻一致，焊點(diǎn)影像應(yīng)呈現(xiàn)形狀規(guī)則的圓形，并且邊界光滑，輪廓清晰，無(wú)回流焊接不良的跡象。

2 焊點(diǎn)缺陷要求

2.1焊點(diǎn)缺陷種類

BGA器件焊點(diǎn)缺陷主要有焊料橋連、焊錫珠、空洞、錯(cuò)位、開(kāi)路和焊料球丟失、焊接連接處破裂、虛焊。

2.2 焊料橋連

由于焊料橋連最終導(dǎo)致的結(jié)果就是電氣短路，因此BGA器件焊接后，各相鄰焊料球之間應(yīng)無(wú)圖2圖像所示焊料橋連。這種缺陷在采用X-ray檢驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)時(shí)比較明顯，在影像區(qū)內(nèi)可見(jiàn)焊料球與焊料球之間呈現(xiàn)連續(xù)的連接，容易觀察和判斷。

圖2 焊料橋連示意圖

2.3 焊錫珠

焊錫珠是表面貼裝過(guò)程中的主要缺陷之一，造成焊錫珠的原因有很多。這種缺陷在X-ray影像區(qū)內(nèi)也易于識(shí)別，可見(jiàn)如圖3中右圖箭頭所示的黑色斑點(diǎn)。應(yīng)用X-ray檢驗(yàn)設(shè)備觀察測(cè)量焊錫珠時(shí)，應(yīng)主要注意其尺寸要求和位置要求。焊錫珠直徑應(yīng)不大于任何兩個(gè)相鄰焊點(diǎn)間距的25%，并且不違反最小電氣間隙要求，對(duì)于一般電路下應(yīng)用的BGA器件，在檢驗(yàn)過(guò)程中可按照最小電氣間隙為130 μm進(jìn)行測(cè)算。

圖3 焊錫珠示意圖

2.4 空洞

空洞在BGA器件焊接后是最常見(jiàn)的，因?yàn)橥S多BGA器件本身的焊料球就可能帶有空洞或氣孔，在回流焊接過(guò)程中，回流曲線設(shè)置不合理則更容易產(chǎn)生空洞。如圖4所示，BGA器件焊料球內(nèi)的空洞多存在于元件層，即焊料球的中央到BGA基板之間的部分。國(guó)內(nèi)外對(duì)于空洞的可接受判定準(zhǔn)則存在差異，GJB 4907-2003與IPC-A-610E標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)空洞做出了評(píng)判準(zhǔn)則，但評(píng)判尺度存在差異。其中GJB 4907-2003中規(guī)定焊點(diǎn)空洞應(yīng)不大于焊點(diǎn)體積的15%，而IPC-A-610E中規(guī)定X-ray影像區(qū)內(nèi)任何焊料球的空洞應(yīng)不大于25%，從以上數(shù)據(jù)看國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)于IPC標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 BGA器件焊料球內(nèi)空洞圖

2.5 錯(cuò)位

BGA器件在焊接過(guò)程中，往往能夠自我對(duì)正居中，但如回流焊接參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或其他因素影響仍會(huì)出現(xiàn)BGA器件的焊料球與焊盤(pán)錯(cuò)位的現(xiàn)象。錯(cuò)位缺陷在X-ray檢驗(yàn)設(shè)備中的顯示表現(xiàn)在影像灰度的級(jí)別上，如圖5所示，焊料球與焊盤(pán)沒(méi)有很好地對(duì)準(zhǔn)，導(dǎo)致圖像中焊料球都有淺色陰影。這種錯(cuò)位的判定準(zhǔn)則在GJB 4907-2003與IPC-A-610E標(biāo)準(zhǔn)中要求并不一致。其中GJB 4907-2003中要求錯(cuò)位應(yīng)滿足焊點(diǎn)中心位置的偏移量不大于BGA封裝器件節(jié)距15%的要求，即a≤15%b，而IPC-A-610E中則規(guī)定BGA焊料球偏移量不應(yīng)造成相鄰焊料球違反最小電氣間隙。雖然上述兩部標(biāo)準(zhǔn)都相當(dāng)于允許錯(cuò)位的發(fā)生，但一旦采用了X-ray檢驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)到BGA器件的錯(cuò)位，都應(yīng)該及時(shí)調(diào)整整個(gè)組裝焊接制程，避免錯(cuò)位缺陷的再次發(fā)生，保證產(chǎn)品的可靠性。

圖5 BGA器件錯(cuò)位圖

2.6 開(kāi)路與焊料球丟失

從圖6左側(cè)的實(shí)物圖中可以看出，箭頭所指的焊料球并未和印制板焊盤(pán)進(jìn)行有效地焊接，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電氣連接，在X-ray檢驗(yàn)設(shè)備的影像區(qū)內(nèi)則表現(xiàn)為小焊料球的投影。

圖6 實(shí)物圖

焊料球丟失這種缺陷往往最容易發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵赬檢驗(yàn)設(shè)備影像區(qū)內(nèi)缺失的焊料球會(huì)呈現(xiàn)圖7所示無(wú)黑影顯示。焊料球丟失與開(kāi)路都會(huì)使印制板組的電路產(chǎn)生斷路，因此這兩種缺陷都是不允許發(fā)生的。

圖7 焊料珠丟失圖

2.7 焊接連接處破裂

焊接連接處破裂是一種較難發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷，這種帶有缺陷的焊點(diǎn)往往會(huì)順利的通過(guò)電性能測(cè)試，但一旦產(chǎn)品發(fā)生故障，在排查故障點(diǎn)的過(guò)程中也不易發(fā)現(xiàn)，不僅給產(chǎn)品使用帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)，更給檢驗(yàn)帶來(lái)難度。因此，在利用X-ray檢驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)焊點(diǎn)時(shí)，必須要旋轉(zhuǎn)X射線角度觀測(cè)每一個(gè)焊料球與焊盤(pán)連接處區(qū)域的影像，如圖8箭頭所示焊料球與焊盤(pán)連接處存在明顯的破裂痕跡，連接處影像不僅較虛而且明顯存在縫隙。

2.8 虛焊

一般虛焊都是由于回流焊接過(guò)程不充分造成的。在回流焊接過(guò)程中，焊料球與錫膏沒(méi)有形成良好地熔融，無(wú)法形成潤(rùn)濕良好的共晶體。虛焊是一種不容忽視的缺陷，它不僅容易造成器件脫落，影響器件的電氣性能，更會(huì)給常規(guī)的電性能檢驗(yàn)帶來(lái)阻礙。虛焊缺陷也必須通過(guò)旋轉(zhuǎn)X射線角度進(jìn)行檢驗(yàn)，從而及時(shí)采取有效措施避免它的發(fā)生。BGA器件的虛焊類型一般有“腰型”焊接連接、“枕窩型”焊接連接、“塔型”焊接連接三種類型。

2.8.1“腰型”焊接連接

“腰型”焊接連接表明焊料球與錫膏在回流焊接時(shí)均未充分熔化，這種焊接連接在X射線影像區(qū)內(nèi)，焊料球部分往往呈現(xiàn)規(guī)則的圓球狀，焊料球底部與焊盤(pán)連接的部位呈現(xiàn)細(xì)腰型，如圖9所示。

圖9 “腰型”焊接連接圖

2.8.2 “枕窩型”焊接連接

“枕窩型”焊接連接一般是在回流焊接過(guò)程中錫膏已經(jīng)熔融，但BGA焊料球熔融不充分，焊接連接處呈現(xiàn)“枕窩狀”，如圖10所示。

圖10 “枕窩型”焊接連接圖

2.8.3“塔型”焊接連接

“塔型”焊接連接的形狀介于“腰型”焊接連接與“枕窩型”焊接連接之間，其形成原因也是由于回流焊接過(guò)程中錫膏已熔融，但BGA焊料球未熔融完全，形成的焊點(diǎn)不規(guī)則，呈現(xiàn)底部大，中間部分堆疊，頂部為球形的形狀，如圖11所示。

圖11 “塔型”焊接連接圖

3結(jié)束語(yǔ)

利用X-ray檢驗(yàn)設(shè)備對(duì)BGA器件焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)是一種高性價(jià)比的檢驗(yàn)手段。隨著新技術(shù)的發(fā)展，超高分辨率、智能化的X-ray檢驗(yàn)設(shè)備不僅會(huì)為BAG器件組裝提供省時(shí)、省力、可靠的保障，也能夠在電子產(chǎn)品故障分析中扮演重要的角色，提高故障排查效率。

參考文獻(xiàn)

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[2]IPC-A-610E CN電子組件的可接受性[S].IPC委員會(huì).

作者簡(jiǎn)介：李柏東（1981-），男，遼寧省海城市，沈陽(yáng)鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，工程師，本科，研究方向：主要從事電子裝聯(lián)工藝方面工作。