BGA焊點檢測與失效分析技術

呂淑珍

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

BGA焊點檢測與失效分析技術

呂淑珍

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

BGA焊點質量檢測難度大，在進行BGA焊點質量檢測分析時，應遵循一個工藝流程，確保測試樣本在轉移到下一個測試之前，收集了所有的可用數據。X射線能夠檢測連焊、焊球丟失、焊球移位和空洞等缺陷。引入3D斷層掃描后也能夠檢測幾乎所有的BGA常見焊接缺陷。染色測試提供了所有焊點的信息，并有助于查明存在裂縫或分離的界面。金相檢測與SEM和EDS相結合，提供了基板側和元件側焊點界面的詳細信息，可以描述發(fā)生在BGA中絕大多數的焊點缺陷及異常，有助于查到導致BGA失敗的根本原因。

球柵陣列封裝；焊點質量；X射線檢測；染色測試；金相檢測

隨著電子產品向輕、薄和微小型化方向的發(fā)展，BGA（球柵陣列封裝）作為一種典型的高密度封裝技術，在SMT工藝中大量使用。BGA封裝的主要特點是：（1）芯片引腳以球形焊點形式按陣列分布在芯片底部，封裝面積??；（2）電性能優(yōu)良，可靠性高；（3）功能更大，引腳數更多；（4）引腳間距更大，成品組裝率更高；（5）采用回流焊焊接時具有位置自對準功能；（6）整體成本低。雖然BGA具有這些優(yōu)勢，但是仍然會有潛在問題：（1）由于BGA焊點隱藏在芯片底部，焊接裝配后不利于檢測；（2）由于焊點的表面積減小，焊點的機械強度降低，會導致斷裂；（3）回流焊期間或熱循環(huán)過程中熱膨脹系數（CTE）的失配會導致元件和基板之間的彎曲，給焊點增加額外的應力；（4）焊料向無鉛轉換，也帶來了額外的問題，如球窩焊點HiP、黑盤現象、焊盤坑裂等。BGA焊點質量檢測，通常首先進行非破壞性技術檢測，如目視檢查和X射線檢測。目檢僅能檢測器件邊緣的焊點，不能檢測器件底部的焊點和焊點內部缺陷。X射線檢測利用X射線透射特性，可以很好地檢測隱藏在器件底部的焊點，確定焊點是否有畸形或空洞。但是由于它們檢測能力的限制，不能定位失效和缺陷。進一步的檢測則是破壞性檢測技術，包括染色分析、金相檢測和掃描電鏡（SEM）及能量色散譜（EDS）分析，這些一般用于界面分析，可以識別大多數的BGA失效焊點。

1 BGA優(yōu)良焊點標準

由于PBGA和CBGA在回流焊過程中有著不同的冶金物理過程，其形成的焊點結構也不相同。PBGA在回流焊過程中，焊球熔化，回流焊后要求：焊球焊點表面光亮平滑，潤濕角良好，坍塌高度約為芯片焊球引腳高度的1/3。CBGA在回流焊過程中，焊球不熔化，焊膏回流后在焊盤和焊球之間填充并潤濕充分，回流焊后要求：焊點表面光滑平整，潤濕角良好，高度不發(fā)生坍塌。

2常見的BGA焊點缺陷

（1）冷焊焊點。冷焊焊點一般顏色發(fā)烏，表面明顯凹凸不平，坍塌高度明顯不夠，更嚴重的還可在顯微鏡下看到錫顆粒。

（2）虛焊焊點?；亓骱高^程中，焊料不能潤濕焊盤而形成合金層，即BGA焊球未與焊盤形成真正的電氣連接。表現形式是電氣連接接觸不良，時通時斷。

（3）橋連焊點?；亓骱高^程中，兩個或多個BGA焊點發(fā)生粘連在一起的現象，造成短路。

（4）開路及微裂紋焊點。焊球和焊盤之間開路；焊球和焊盤之間出現微裂紋；BGA芯片和焊球之間出現微裂紋等。

（5）焊球丟失?；亓骱负蟪霈F焊球缺失。

（6）焊球移位。焊球與PCB焊盤未能完全對準，存在相對位移，對器件焊接的機械性能造成影響。

（7）焊球空洞及凹坑?；亓骱高^程中，由于焊球中的氣泡而導致焊點中出現空洞或在焊點表面出現明顯的凹坑。

（8）焊料小球。回流焊后出現在焊點周圍的一些焊料小球，造成相鄰焊點間的電氣絕緣距離進一步減小，甚至導致相鄰焊點間的直接連通。

（9）枕頭效應?；亓骱笗r，BGA焊球拒焊，導致焊球和焊膏未完全融合在一起或部分融合，形成枕頭形狀的焊點。這種缺陷不易被檢測，在后期使用過程焊點容易斷裂。

（10）焊渣及碳化物。回流焊過程中，由于溫度的不均勻性，可能導致局部產生焊渣，有時在焊點表面出現暗島狀碳化物斑塊。

（11）暗色焊點?；亓骱高^程中，由于回流焊時間過長，使焊點表面氧化并發(fā)暗［1］。

3　　非破壞性檢測技術

3.1目視檢查

BGA目視檢查通常是失效檢測分析的第一步，就是利用人眼或借助于簡單的光學放大鏡和工業(yè)顯微鏡等，檢查BGA器件邊緣排的焊點，尋找任何可以查看到的異常，例如球窩焊點、畸形焊點和翹曲等。由于檢查通常僅限于外排焊點，有些異?？赡芸床坏?。檢查中還可以借助金屬針或竹制牙簽，以適合的力量和速度劃過焊點，依靠手感及目測來綜合判斷，特別是虛焊或橋連的檢查，有著良好的效果。不過目視檢查存在局限性，例如重復性差、不能精確定量地反映問題，勞動強度大，一般不適應高品質產品和大批量集中檢測。

3.2 X射線檢測

實時X射線檢測是一種有價值的非破壞性檢測技術，可以提供BGA焊點的重要信息?，F在還沒有哪種設備能超越實時的X射線設備。X射線檢測需要相關的軟件，也需要培訓上崗，有經驗的分析師和無經驗人員給出的檢測結果差異顯著。

通常BGA器件具有數百個引腳，其焊點可能同時具有多種焊接缺陷。這時遵循合理的檢測流程，既兼顧效率又不會漏掉某種缺陷十分重要。BGA焊點質量檢測合理的X射線檢測流程為：（1）先通過二維X射線檢測BGA器件的全貌，檢查是否有焊點連接、焊球丟失和焊球位移等。（2）然后進行器件局部檢測，檢查是否有焊球位移、焊球空洞和焊球異常。二維X射線檢測應采用5點檢測法，著重檢測器件四周及中心5點，同時，快速檢測其他區(qū)域［2］。（3）再根據焊點是否異常的檢測結果，如焊點的大小、形狀和灰度，分析是否需要進行3D斷層掃描。如果BGA焊點形狀為正常的圓形，大小和灰度都無異常，那么可不進行3D斷層掃描檢測；若存在焊點大小不一、形狀異常、空洞較大和邊界模糊等，則需對其進行3D掃描檢測，進一步判斷是虛焊焊點還是枕頭效應等。盡管3D斷層掃描檢測可以提供額外的焊點信息，但是這個過程可能是昂貴的。

X射線檢測觀察到的最常見缺陷之一是焊點中的空洞。根據IPC-7095C，空洞面積大于35%和直徑大于50%是工藝控制的極限值。一般來說若空洞面積總和超過焊球面積的25%即為不合格，需要返修。圖1是焊點空洞的X射線形貌。雖然小的空洞可以通過檢測，無需返修，但是它們仍然是一個應注意的工藝指標。同時還應注意確保在圖像中不存在電暈現象，因為這樣可以使空洞看起來比實際的更大。

焊料橋接是可以通過X射線檢查的另一種缺陷。當2個焊點由焊料連接時，焊料和周圍的大部分材料之間存在著顯著的密度差，所以很容易識別。兩焊點之間的短路結果如圖2所示。

圖1焊球空洞的X射線形貌

圖2 BGA焊球橋連的X射線形貌

焊球丟失在X射線檢測圖片中的表現也極為明顯。由于BGA焊球是以陣列方式整齊排列在器件底部，哪個相應位置缺少焊球很容易被發(fā)現。圖3為BGA焊球丟失的X射線圖像。

圖3 BGA焊球丟失的X射線圖像

X射線檢測也很容易發(fā)現焊球移位的問題，關鍵是需要檢測焊球移位的嚴重程度。一般根據具體需求來判定焊點是否合格，通用的判據公式為：焊球球心至焊盤圓心的距離/焊盤直徑＜25%。

X射線檢查也可以觀察到畸形焊點，盡管它們的觀察更困難。要看到確定的缺陷，通常需要極端的角度和特殊處理。有些畸形焊點是無害的，如圖4中觀察到略長的焊點。

其他畸形焊點可能就是嚴重的缺陷，如圖5觀察到的枕頭效應。枕頭效應很難通過二維X射線檢測來觀測，需要借助3D斷層掃描來檢測。

圖4略長的焊點

圖5枕頭效應

虛焊也很難通過二維X射線進行檢測。常常先用二維X射線對有無虛焊做初步診斷。圖6為傾斜光源后焊點X射線二維圖像，從圖中可看到相互嵌套的3個圓。若僅能看到其中2個圓，同時焊點形狀異常，如邊界模糊、大小異常以及灰度較暗，那么這類焊點很可能有虛焊缺陷，應進行3D斷層掃描檢測。

4　　破壞性檢測技術

4.1染色測試

染色測試是通過高滲透性高著色性染料滲透到焊點開裂區(qū)域，然后拉開焊點，觀測焊點內部開裂程度和分布，是一種成本效益的破壞性檢測技術，提供焊點界面的所有信息。首先采用水潤滑切片鋸（首選）或旋轉工具取下含有所需BGA的PCBA部分。應留下足夠的板材以便操作。將BGA在助焊劑去除劑中浸泡3 h，去除所有殘留的助焊劑，使染料可以滲透到任何裂紋或分離處。隨后用酒精沖洗和風干，以確保所有的助焊劑去除劑被去除。然后BGA在一個局部真空下染色6 min，用氣罐吹走多余的染料，在100℃烤箱中至少干燥3 h。樣品也可以在室溫下干燥，但需要至少48 h，確保染料干燥［3］。這一步至關重要，因為在操作過程中任何不干的染料都可能會導致錯誤的跡象。然后使用試驗臺把BGA從基板上拉下。這時所有的焊點都被從最弱的界面誘導失效。必須小心控制拉斷器件時的外力，以保證焊點繼續(xù)沿預開裂區(qū)域斷開。

用立體顯微鏡檢查焊點的兩側界面，尋找所有的染料標志。圖7給出了一個焊點典型的染料測試失效界面圖。

圖6傾斜光源后焊球X射線二維形貌

圖7焊點染料測試失效界面圖

染色可以表明焊盤坑裂、界面斷裂和球窩焊點等，球窩焊點的實例如圖8所示。

圖8球窩焊點的實例

4.2金相檢測

金相檢測提供最好的BGA焊點界面數據，大多數異常都可以被最終確認。通過剖面獲得的信息能夠表明缺陷問題是與工藝相關還是與材料相關，有助于確定需要在哪道工序解決糾正問題。但是，金相檢測也有一定的不足，檢測過程是勞動力密集型的，一次只能對一個平面進行評價。此外，它需要相對昂貴的設備來完成。

此時，X射線和染色測試的結果通常是一個很好的參考依據，有助于確定評價哪個平面，可能存在什么樣的缺陷。如果剖面沒有什么問題，通常選擇對角線或邊緣排，因為這些地方含有角部焊點，缺陷大多數發(fā)生在這里。將樣品在旋轉砂輪上機械研磨，采用逐漸變細的砂磨紙，直到達到所需的焊點平面，然后使用拋光鉆石粗拋光及氧化鋁最終拋光。再用銅蝕刻工藝蝕刻樣品，使焊點特征更加突出。大空洞、畸形焊點和球窩焊點通常在低倍率（5倍～150倍）顯微鏡下即可顯現，而裂縫、微空洞、黑盤和焊盤坑裂缺陷在較高倍率（150倍～1500倍）顯微鏡下才可顯現。

掃描電鏡 （SEM）是金相檢測的輔助檢測工具，提供更高放大倍率的金屬間化合物界面、裂縫和相關缺陷的視圖，為小的特性和缺陷提供良好的分辨率。能量色散光譜（EDS）檢測是連接到SEM的一個儀器，提供SEM中成像區(qū)域的元素數據。這是非常重要的，因為許多用于分析的特征都是小斑點或薄層，如銅錫金屬間化合物層（Cu6Sn5和Cu3Sn）等。

5　　結束語

在進行BGA焊點檢測分析時，應遵循一個工藝流程，確保被測樣本在轉移到下一道測試工序之前，應收集所有的可用數據。非破壞性檢測技術提供的初步缺陷信息，有助于引導后續(xù)的破壞性檢測分析。X射線能夠檢測連焊、焊球丟失、焊球移位和空洞等缺陷。引入3D斷層掃描后也能夠檢測幾乎所有的BGA常見焊接缺陷。染色測試提供了所有焊點的信息，并有助于查明存在裂縫或分離的界面。金相檢測與SEM和EDS相結合，提供了基板側和元件側焊點界面的詳細信息，可以描述發(fā)生在BGA中絕大多數的焊點缺陷及異常，有助于查到導致BGA失敗的根本原因。

［1］ 宋順美.再流焊接設備性能評估方法［J］.電子工業(yè)專用設備，2014，43（5）：41-46.

［2］ 何志剛，梁堃，周慶波，等.基于X射線成像的BGA焊接質量檢測技術［J］.電子工藝技術，2016，37（1）：32-34.

［3］ Adam W Mortensen，Lee Maria，Roger M Devaney.球柵陣列焊點表征與失效分析技術［J］.環(huán)球SMT與封裝，2015，15（3）：16-22.

BGA Solder Joint Detection and Failure Analysis Technology

LV Shuzhen
（The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China）

The BGA Solder joint quality is difficult to detect，in order to collect all of the available data，a analysis process should be followed.X-ray can detect the defects such as short circuit，solder ball lost，solder ball displacement and cavity.The 3D tomography of X-ray can detect almost all of the common defects in BGA soldering.Dyeing tests provide all the information of solder joints and help identify the presence of cracks or separate interfaces.Metallographic examination and SEM and EDS combined provides detailed information on the substrate side and the component side of the interface of solder joint，help to check the root reason of the failure BGA.

BGA；solder joint quality；X-ray detection；dyeing test；metallographic examination

TN605

A

1004-4507（2016）06-0020-05

呂淑珍（1964-），女，畢業(yè)于西安電子科技大學，高級工程師，主要從事電子裝聯(lián)工藝技術工作。

2016-05-24