基于X射線成像的PBGA器件焊接質(zhì)量檢測

何志剛，梁 堃，周慶波，龔國虎，王曉敏

（1，中國工程物理研究院計(jì)量測試中心，四川 綿陽　621900；2，中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽　621999）

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基于X射線成像的PBGA器件焊接質(zhì)量檢測

何志剛1，梁 堃2，周慶波1，龔國虎1，王曉敏1

（1，中國工程物理研究院計(jì)量測試中心，四川 綿陽621900；2，中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽621999）

摘 要：針對BGA焊接質(zhì)量檢測難度大、缺乏檢測標(biāo)準(zhǔn)的問題，分析了常見的BGA焊接缺陷。提出基于X射線二維成像和3D斷層掃描技術(shù)來檢測BGA焊接質(zhì)量，設(shè)計(jì)了X射線檢測BGA焊接質(zhì)量的工藝流程。解析了每種焊接缺陷在X射線圖像中的典型形貌，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證給出了合格判據(jù)的建議。

關(guān)鍵詞：BGA；焊接質(zhì)量；X射線檢測；虛焊；枕頭效應(yīng)

1　引言

BGA（球柵陣列封裝）是一種典型的高密度封裝技術(shù)[1～2]，其特點(diǎn)是芯片引腳以球形焊點(diǎn)按陣列形式分布在封裝下面，可使器件更小、引腳數(shù)更多、引腳間距更大、成品組裝率更高、電性能更優(yōu)良[3]。因此這種封裝類型器件應(yīng)用越來越廣泛。但是由于BGA焊點(diǎn)在封裝體底部，焊接裝配后不利于檢測，另一方面國家和行業(yè)內(nèi)沒有制定統(tǒng)一的BGA焊接質(zhì)量檢測驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，所以BGA焊接質(zhì)量的檢測技術(shù)是這類器件應(yīng)用中的一大問題[4]。

目前BGA焊接質(zhì)量檢測手段非常局限，常用的檢測手段包括目檢、飛針電子測試、X射線檢測、染色檢測、切片超聲檢測。其中染色和切片檢測為破壞性檢測，可作為失效分析手段，不適于焊接質(zhì)量檢測。無損檢測中目檢僅能檢測器件邊緣的焊球，不能檢測焊球內(nèi)部缺陷；飛針電子測試誤判率太高[5]；而X射線檢測利用X射線的透射特性，可以很好地檢測隱藏在器件下方的焊球焊接情況，是目前最有效的BGA焊接質(zhì)量檢測方法。但是目前X射線僅限于檢測連焊、空洞等有限的幾種缺陷，不能覆蓋全部BGA焊接缺陷，同時也缺乏相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。

本文分析了現(xiàn)有BGA焊接驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了常見的BGA焊接缺陷，根據(jù)BGA焊接缺陷特點(diǎn)及X射線成像原理，闡述了如何利用X射線檢測BGA焊接質(zhì)量，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了X射線檢測BGA焊接全缺陷的可行性，并給出了這些缺陷的典型形貌。

2　BGA焊接驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

目前中國缺乏X射線成像的BGA器件焊接質(zhì)量檢測的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)。國際電子工業(yè)連接協(xié)會（簡稱IPC）制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括《IPC-A-610電子組件的可接受性》、《IPC-J-STD-001焊接的電氣和電子組件要求》和《IPC-7095 BGA設(shè)計(jì)及組裝工藝實(shí)施》。其中IPC-A-610對BGA焊接的可接收性規(guī)定：優(yōu)選的BGA焊點(diǎn)經(jīng)X光檢測焊點(diǎn)光滑，邊界清晰，無空洞，所有焊點(diǎn)的直徑、體積、灰度和對比度均一致，位置準(zhǔn)確無偏移或扭轉(zhuǎn)[5]。該可接受性條款僅是相對定性的規(guī)定，無法滿足實(shí)際檢測需求。

3　常見的BGA焊接缺陷及其特征

BGA焊接缺陷包括焊球連焊、焊球丟失、焊球移位、焊球空洞、虛焊、枕頭效應(yīng)。這些缺陷都會影響電路的可靠性，有些是立即表現(xiàn)出來的，如焊球連焊會形成短路；而有些則在使用中表現(xiàn)出來，比如枕頭效應(yīng)在使用中焊球易在枕頭處斷裂形成虛焊。即時表現(xiàn)的缺陷我們通過一系列檢測比較容易排查，而非即時表現(xiàn)的缺陷對電子系統(tǒng)危害更大，更應(yīng)該加強(qiáng)檢測及時排查。

3.1焊球橋連

BGA焊球橋連是指兩個或多個BGA焊球粘連在一起形成短路的一種缺陷。這種缺陷是由于BGA焊球融化后流動造成粘連導(dǎo)致的一種缺陷。由于這種缺陷會導(dǎo)致短路，因此是決不允許出現(xiàn)的一種嚴(yán)重缺陷。3.2焊球丟失

BGA焊球丟失是指焊接后出現(xiàn)焊球缺失的一種缺陷。這種缺陷可能是由于植球過程中遺漏，也可能是焊接過程中焊球流入PCB通孔造成的一種缺陷。這種缺陷將直接導(dǎo)致無電氣連接，也是決不允許出現(xiàn)的嚴(yán)重缺陷。

3.3焊球移位

焊球移位是指BGA焊球與PCB焊盤未能完全對準(zhǔn)，存在相對位移的一種缺陷。這種缺陷常常不影響電氣連接，但對器件焊接的機(jī)械性能有影響。

3.4焊球空洞

焊球空洞是指BGA焊球中存在氣泡的一種缺陷。這種缺陷往往是由于焊錫膏中的有機(jī)成分未能及時排除或焊盤未清洗干凈造成的[7]。焊球氣泡對信號傳輸有一些影響[8]，而更主要的影響是氣泡會影響機(jī)械性能。

3.5虛焊

虛焊是指BGA焊球未與焊盤形成真正的電氣連接的一種缺陷。這種缺陷往往與金屬間化合物的形成有關(guān)，表現(xiàn)形式是電氣連接不良或不通，對其施加外力時電氣連接良好。除這些間接表現(xiàn)形式外，虛焊難以通過無損方式直接被檢測到。

3.6枕頭效應(yīng)（Pillow-head Effect）

枕頭效應(yīng)是指BGA焊球和焊膏沒有完全融合在一起或成部分融合擠壓的凹形或沒有擴(kuò)散的凸形[9]。這種缺陷常常沒有特殊的表現(xiàn)形式，并且不容易被檢測手段查出，但是在后期使用過程中焊點(diǎn)容易斷裂形成虛焊，所以危害較大。

4　X射線檢測BGA焊接質(zhì)量

4.1X射線檢測設(shè)備

X射線檢測常用設(shè)備是X射線實(shí)時成像系統(tǒng)，該設(shè)備分為二維成像和3D斷層掃描兩類。其原理都是利用X射線穿透被測樣品后，被圖像接收器接收后轉(zhuǎn)化為圖像信號，圖像表現(xiàn)出明顯的灰度對比。圖像中灰度大的區(qū)域表明X光能量衰減多，說明該區(qū)域材料厚或材料原子序數(shù)大。二維成像觀察到的是被測件的俯視圖，它具有成像快的優(yōu)點(diǎn)。圖1為正常BGA焊球二維X射線圖，圖片中黑色圓為BGA焊球。因?yàn)楹盖虺煞譃殄a合金，所以吸收X光多，相對于周邊材料灰度大。三維斷層掃描是利用設(shè)備中機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)，從各個角度對樣品進(jìn)行掃描，通過軟件分析處理，形成被測樣品三維形貌。這種測試方式能更真實(shí)和清晰地反映被測樣品內(nèi)部的真實(shí)狀態(tài)，但是掃描時間長，測試成本高。

4.2BGA焊接質(zhì)量的X射線檢測流程

BGA器件常常有數(shù)百粒焊球，并且可能同時具有多種焊接缺陷。檢測既不能漏掉某類缺陷又要兼顧效率，工程經(jīng)驗(yàn)和合理的檢測流程十分重要。圖2為BGA焊接質(zhì)量的X射線檢測流程，先通過二維X射線檢測BGA焊接，再根據(jù)檢測結(jié)果分析是否需要進(jìn)行3D斷層掃描。二維X射線檢測應(yīng)采用五點(diǎn)檢測法：著重檢測器件四周及中心五點(diǎn)，快速檢測其他區(qū)域。如果BGA焊球形狀（正常為圓形）、大小和灰度都無異常，那么可不進(jìn)行3D斷層掃描檢測；若存在焊球大小異常、形狀異常、空洞較大、邊界模糊等，則需要對這些焊球進(jìn)行3D掃描。

圖1　正常BGA焊球二維X射線圖

圖2　BGA焊接質(zhì)量的X射線檢測流程

5　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及檢測判據(jù)

5.1焊球橋連與焊球丟失檢測

二維X射線檢測很容易檢測到這兩種缺陷。常常僅需觀察BGA器件的全貌就能輕易發(fā)現(xiàn)是否存在焊球橋連和焊球丟失。焊球橋連在X射線圖片中的表現(xiàn)是相鄰的焊球之間沒有間隙。圖3為BGA焊球橋連X射線形貌，圖中紅色圓內(nèi)即是相鄰兩個焊球橋連的情況。因?yàn)锽GA焊球是以相同間距整齊排列在器件下方，所以焊球丟失在X射線檢測圖片中的表現(xiàn)更加明顯。常見的形貌是在相應(yīng)位置缺少焊球，圖4 為BGA焊球丟失X射線形貌，箭頭所指區(qū)域丟失了一顆焊球。

圖3　BGA焊球橋連的X射線形貌

5.2焊球移位檢測

焊球移位的表現(xiàn)形式是BGA焊球整體向某一方向扭曲。這種缺陷很容易被X射線檢測所觀察，更關(guān)鍵的是需要檢測焊球移位的嚴(yán)重程度。這需要將BGA放大，并調(diào)節(jié)X射線強(qiáng)度、圖像對比度等參數(shù)，使圖像足夠清晰，以便測量焊球中心相對于焊盤的偏移程度。圖5為焊球移位二維俯視圖，L為焊球球心至焊盤圓心的距離，D為焊盤直徑。焊球移位偏移量的計(jì)算公式為L/D。這個偏移量一般需要根據(jù)用戶的具體需求來判定焊接是否合格，通用的判據(jù)為L/D＜25%。

圖5　移位焊球俯視圖

5.3焊球空洞檢測

通過二維X射線成像很容易觀察到焊球內(nèi)部空洞，圖6為焊球空洞的X射線形貌。圖中箭頭所指的區(qū)域即是焊球空洞，焊點(diǎn)黑色背景中的白色明亮部分。X射線成像系統(tǒng)在軟件中都集成了焊球空洞面積計(jì)算功能。一般來說若空洞面積總和超過焊球面積的25%為不合格，需要返修。

圖6　焊球空洞的X射線形貌

5.4虛焊檢測

5.4.1二維X射線檢測初步診斷虛焊

為提升檢測效率，常常先用二維X射線對有無虛焊做初步診斷。具體操作時將X光光源傾斜進(jìn)行觀察。圖7為傾斜光源后焊球X射線二維形貌，如圖所示應(yīng)能看到相互嵌套的3個圓。若僅能看到其中2個圓，同時焊球形狀異常（周界模糊、大小異常、灰度較暗），那么這類焊球很有可能有虛焊的缺陷，應(yīng)進(jìn)行3D斷層掃描檢測。

圖7　傾斜光源后焊球X射線二維形貌

5.4.23D X射線檢測虛焊

虛焊很難通過二維X射線檢測觀測，更多的時候這種缺陷僅能通過切片做金像觀察來檢測，而這種方式是破壞性的。隨著技術(shù)進(jìn)步可以通過借助3D斷層掃描來完成檢測。圖8為BGA虛焊的3D形貌及截面斷層掃描圖，畫面左側(cè)球體為BGA焊球3D形貌圖，圓圈中的焊球?yàn)樘摵负盖?；畫面右?cè)為焊球的斷層掃描截面圖，圓圈中為虛焊焊球。

圖8　BGA虛焊的3D形貌及截面圖

5.5枕頭效應(yīng)檢測

與虛焊類似，枕頭效應(yīng)也很難通過二維X射線檢測來觀測，需要借助3D斷層掃描來檢測。圖9為BGA焊球枕頭效應(yīng)X射線3D形貌，圖10則是BGA焊球枕頭效應(yīng)截面斷層掃描形貌。

圖9　BGA焊球枕頭效應(yīng)X射線3D形貌

圖10　BGA焊球枕頭效應(yīng)截面斷層掃描形貌

6　結(jié)束語

一般認(rèn)為X射線僅能檢測包括連焊、焊球丟失、焊球移位和空洞這幾類缺陷。引入3D斷層掃描，使得X射線檢測能覆蓋所有BGA焊接常見缺陷。特別是虛焊和枕頭效應(yīng)的檢測，不再僅僅依賴破壞性檢測手段。另一方面，在實(shí)際工程應(yīng)用中，為兼顧檢測效率，需要將二維成像和3D斷層掃描相結(jié)合。通過二維成像快速檢測整體焊接質(zhì)量，排查焊球連焊、焊球丟失、焊球移位、焊球空洞，初步判定虛焊。再根據(jù)實(shí)際情況用3D斷層掃描確診是否存在虛焊和枕頭效應(yīng)。綜合利用兩種X射線成像的技術(shù)手段可以完成BGA器件焊接質(zhì)量檢測，為BGA器件應(yīng)用提供可靠的質(zhì)量保證。

盡管如此X射線成像檢查BGA焊接質(zhì)量也有其局限性，比如該方法不能檢測浸潤不良導(dǎo)致的分層、助焊劑殘留、界面剝離、微裂紋、柯肯道爾空洞等，這

些缺陷需要借助超聲檢測等手段來完善BGA焊接質(zhì)量的檢測。

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何志剛（1985—），男，四川資陽人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)殡娮釉骷﨑PA技術(shù)及設(shè)備研制。

BGA Soldering Quality Detection Techniques by X Ray Imaging

HE Zhigang1, LIANG Kun2, ZHOU Qingbo1, GONG Guohu1, WANG Xiaomin1
（1.Metrology and Testing Center of China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900,China; 2. Institute of Electronic Engineering of China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999,China）

Abstract:The paper is aiming at solving the problem that there are huge difficulties in BGA soldering quality examination and also a lack in relevant testing standard. In the paper, common BGA soldering defects has been analysed; a BGA soldering quality X-ray(2D imaging and 3D tomoscan)detecing approach has been proposed and the technological process has been described in detail. The typical X-ray imaging appearances of every soldering defects have been analyzed and appropriate qualified criterions have been propsed through experimental verification.

Keywords:BGA; soldering quality; X-ray inspection; rosin joint; pillow-head effect

作者簡介：

收稿日期：2015-10-22

中圖分類號：TN307

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號：1681-1070（2016）02-0001-04