關(guān)于BGA封裝器件焊點(diǎn)缺陷X—射線檢測(cè)法的探討

張維成

摘要：制造者一般都是采用目視觀察的方法，觀察最外面一圈焊點(diǎn)的塌陷是否一致，再將芯片對(duì)著光線觀察。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用X -射線檢測(cè)儀檢查BGA 封裝器件的焊點(diǎn)，可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出BGA 封裝器件中焊點(diǎn)的橋連、空洞、虛焊等缺陷，在BGA 封裝器件焊點(diǎn)的質(zhì)量檢測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。本文所用儀器和檢測(cè)方法能夠自動(dòng)計(jì)算BGA 封裝器件貼裝焊點(diǎn)的空洞率，對(duì)空洞缺陷的快速檢測(cè)和預(yù)防具有實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：BGA；無(wú)損檢測(cè)；缺陷

引言：

對(duì)于表面組裝焊點(diǎn)，常用的無(wú)損檢測(cè)方法有X -射線檢測(cè)、三維光學(xué)攝像檢驗(yàn)、激光/紅外檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等多種方法。要想不破壞BGA 封裝器件本身的結(jié)構(gòu)、性能等，就可以看出BGA 封裝器件內(nèi)在的缺陷或者是更加準(zhǔn)確地檢測(cè)出焊點(diǎn)的質(zhì)量，就必須采用其它更為先進(jìn)、可靠的無(wú)損檢測(cè)方法。通過(guò)對(duì)BGA 封裝器件可視圖像X -射線檢測(cè)和分析，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出BGA 封裝器件貼裝焊點(diǎn)的各種缺陷。

一.試驗(yàn)材料與儀器

（一）試驗(yàn)材料

測(cè)試工件為采用再流焊焊接的BGA 封裝器件，基板材料為FR -4，釬料為A lpha公司生產(chǎn)的Sn62 /Pb36 /Ag2合金焊膏，BGA 焊球的直徑為0.7mm，I /O 端子間距為1.27 mm，通過(guò)貼片機(jī)或貼片裝置完成BGA 貼裝。

（二）X -射線檢測(cè)儀

實(shí)驗(yàn)所用X - 射線檢測(cè)儀型號(hào)為HAWK -160X I型。X -射線檢測(cè)儀的工作原理是由在高電壓下產(chǎn)生的電子束照射到金屬鎢表面，產(chǎn)生X 射線，產(chǎn)生的X 束射線傾斜向下照射并高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在下面有一個(gè)閃爍器平臺(tái)也以同樣的速度與X射線同步旋轉(zhuǎn)，閃爍器平臺(tái)實(shí)際上是一個(gè)對(duì)X -射線敏感的接收器。

一般來(lái)講，X -射線不能透過(guò)錫、鉛等重金屬，從而形成深色影像；而一般的物質(zhì)則被X -射線穿透，不會(huì)形成影像。X -射線在光源與閃爍器平臺(tái)之間的某一位置上聚焦，出現(xiàn)一個(gè)聚焦平面，聚焦平面上的物體或圖像會(huì)在閃爍器平臺(tái)上形成一個(gè)清晰的圖像，不在聚焦平面上的物體或圖像在閃爍器平臺(tái)上則被”虛掉“，只有一個(gè)陰影。

二.試驗(yàn)結(jié)果及分析

（一）BGA 封裝器件焊點(diǎn)的缺陷的檢測(cè)

在BGA 封裝器件的生產(chǎn)過(guò)程中，可能會(huì)造成焊球丟失、焊球過(guò)小或過(guò)大、焊球橋連以及焊球缺損等。對(duì)BGA 封裝器件進(jìn)行檢查，主要是檢查焊球是否丟失或變形。

對(duì)BGA 封裝器件組裝焊點(diǎn)的檢查，主要檢查焊點(diǎn)是否存在橋接、開(kāi)路、釬料不足、缺球、氣孔、移位等[6]。由于本研究工作是為了檢驗(yàn)X -射線檢測(cè)BGA 封裝器件組裝焊點(diǎn)缺陷的可靠性，上述缺陷中部分是人為設(shè)置的。

（二）X -射線檢測(cè)結(jié)果分析

采用X -射線檢測(cè)時(shí)，電壓調(diào)節(jié)為105 kV，電流調(diào)節(jié)為100 mA，觀察缺陷圖片并分析生產(chǎn)過(guò)程中缺陷產(chǎn)生的原因。

1.橋連缺陷的檢測(cè)

PCB 雙面貼裝器件采用X -射線檢測(cè)的橋連和反面器件圖像似乎有點(diǎn)混淆。

對(duì)比分析如圖2和圖3所示，可以清楚辨別出圖2 為極其明顯的橋連缺陷。產(chǎn)生的原因可能是BGA 器件聚集在一起，在回流爐中引起PCB板的熱不平衡，或者是由于溫區(qū)曲線設(shè)置不合理，印制板焊區(qū)表面阻焊層設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)?。原因造成的?/p>

如圖4 的短路是由于與BGA 器件焊盤(pán)相鄰的過(guò)孔沒(méi)有很好地覆蓋阻焊層，使得有過(guò)多的釬料從焊盤(pán)流到過(guò)孔中，從而引起焊盤(pán)短路。相關(guān)產(chǎn)品的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求焊點(diǎn)不能存在短路或橋接，而采用X -射線檢測(cè)BGA 器件的橋連缺陷比其它幾種無(wú)損檢測(cè)方法都容易觀察、判別。

2.空洞缺陷的檢測(cè)

BGA 焊球本身在焊接前就可能帶有空洞或氣孔，是由于BGA 焊球生產(chǎn)工藝造成的。PCB 再流焊時(shí)，溫度曲線設(shè)計(jì)不合理則是形成空洞的重要原因。通常發(fā)現(xiàn)空洞幾率最多的位置是在元件層，也就是焊球的中央到BGA 基板之間的部分。這有可能是因?yàn)镻CB上面BGA 的焊盤(pán)在再流焊接的過(guò)程中，存在空氣氣泡和易揮發(fā)的助焊劑氣體，當(dāng)共晶成分的BGA 焊球與所施加的焊膏在再流焊過(guò)程中熔為一體時(shí)則易形成空洞。

X -射線檢測(cè)的BGA 焊點(diǎn)的典型空洞缺陷圖像如圖5所示，HAWK - 160XI型X -射線檢測(cè)儀自動(dòng)計(jì)算出圖6焊球中空洞率為9.83 %。它能夠真實(shí)反映實(shí)物中的缺陷，為控制產(chǎn)品的質(zhì)量提供了保證。

在實(shí)際生產(chǎn)中，需要客觀地評(píng)估空洞。空洞的位置與尺寸是驗(yàn)收合格的關(guān)鍵因素。由于目前尚沒(méi)有空洞缺陷允許尺寸的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以通常情況下是按照IPC - 7095來(lái)判別的。按照IPC - 7095 中規(guī)定空洞的接收/拒收標(biāo)準(zhǔn)主要考慮兩點(diǎn)：空洞的位置及尺寸。

空洞不論是存在在什么位置，是在焊料球中間或是在焊盤(pán)層或元件層，空洞尺寸及數(shù)量不同都會(huì)對(duì)質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生影響。如果多個(gè)空洞出現(xiàn)在焊點(diǎn)中，空洞的總和不能超過(guò)焊料球直徑的20 %，即空洞率不超過(guò)20 %，否則視為不合格。

3.缺球缺陷

缺球缺陷可通過(guò)比較實(shí)物與X -射線檢測(cè)圖像發(fā)現(xiàn)。缺球缺陷會(huì)使得PCB 產(chǎn)生斷路，其電學(xué)性能受到影響。X -射線檢測(cè)BGA 器件的缺球缺陷圖像如圖7所示。

從圖7中可以清楚看出，右下角出現(xiàn)缺球缺陷，在BGA 封裝中不允許缺球缺陷存在。

4.錯(cuò)位缺陷

錯(cuò)位缺陷在X -射線檢測(cè)中明顯表現(xiàn)在過(guò)孔三維圖像及BGA 焊球的灰度級(jí)別上，如圖8所示。焊球與焊盤(pán)沒(méi)有很好地對(duì)準(zhǔn)，使得圖像中焊球均有陰圖8 BGA 焊球的錯(cuò)位影，對(duì)產(chǎn)品的性能影響較大。

雖然相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定貼片中可以允許有50 %的貼片誤差，但是采用X –射線測(cè)試儀能快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)到BGA 焊球的錯(cuò)位，這樣可以采取技術(shù)措施，使BGA 貼片機(jī)能夠及時(shí)調(diào)整并自動(dòng)校準(zhǔn)，從而避免錯(cuò)位缺陷的產(chǎn)生。

5.虛焊

從圖9（a）中明顯看出左下角的焊球明顯偏小，圖9（b）圖中間的焊球邊緣不平滑，圖9（c）中左兩排焊球不圓，它們都可能造成虛焊，X -射線檢測(cè)法比其它幾種無(wú)損檢測(cè)方法都容易檢測(cè)出虛焊。特別是圖9（b）是經(jīng)過(guò)X -射線在旋轉(zhuǎn)20°的時(shí)的檢測(cè)結(jié)果，這是其它幾種無(wú)損檢測(cè)方法都無(wú)法達(dá)到的。

顆粒之間鋪展，降低表面張力，迅速減弱顆粒和表面間的作用力，使整個(gè)顆粒從表面上解吸，達(dá)到去除顆粒的目的。

虛焊在BGA 器件的焊接中的影響是不可忽視的，它易于脫落，使器件的電性能受到影響，其力學(xué)性能也降低，是一種采用常規(guī)檢測(cè)方法難以檢測(cè)出的缺陷。因此，利用表面活性劑可以控制顆粒在表面的吸附狀態(tài)，達(dá)到去除顆粒污染的目的。

結(jié)束語(yǔ)：

通過(guò)采用X -射線檢測(cè)儀檢測(cè)了BGA 封裝器件安裝焊點(diǎn)的幾種常見(jiàn)缺陷，分析、闡述了其圖像與相應(yīng)缺陷的關(guān)系，結(jié)果表明X -射線檢測(cè)方法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出BGA 封裝器件安裝中的各種焊點(diǎn)缺陷，并能夠自動(dòng)計(jì)算BGA 封裝器件安裝焊點(diǎn)的空洞率，對(duì)空洞缺陷的快速檢測(cè)和預(yù)防具有實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

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