BGA器件篩選過程中的焊球問題及防護(hù)措施

王 瑜

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫214072）

BGA器件篩選過程中的焊球問題及防護(hù)措施

王 瑜

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫214072）

伴隨著高密度電子組裝技術(shù)的發(fā)展，BGA（BallGrid Array）成為高密度、高性能、多功能及高I/O數(shù)封裝的最佳選擇。對(duì)BGA器件篩選過程中出現(xiàn)的不良案例發(fā)生的原因進(jìn)行了分析。根據(jù)異常情況提出了BGA器件篩選過程中的控制措施，包括來料把關(guān)、過程控制和質(zhì)量控制（規(guī)范化）等，以保證BGA器件在后期篩選過程中的可靠性。重點(diǎn)對(duì)BGA器件在篩選過程中的現(xiàn)場(chǎng)控制、焊球防護(hù)及管理方面進(jìn)行了闡述。

BGA器件；質(zhì)量控制；防護(hù)

1 引言

隨著電子產(chǎn)品向便攜化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體方向的迅速發(fā)展，其對(duì)多芯片組件的封裝技術(shù)提出了更高要求，新的高密度封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)，BGA就是近年來興起的新型高密度封裝工藝。BGA改變傳統(tǒng)封裝采用的周邊引線方式，變成基板下面面陣排列引出腳，并將引出腳改為Pb/Sn焊料凸點(diǎn)。與傳統(tǒng)的封裝形式相比，BGA具有單位面積上的I/O數(shù)多、引線電感和電容小、散熱效果好、對(duì)位要求低等優(yōu)點(diǎn)，從而逐漸成為現(xiàn)代封裝技術(shù)的主流。

BGA封裝的優(yōu)點(diǎn)固然很多，也存在不少缺陷，尤其是篩選過程中的質(zhì)量控制方面，本文就BGA器件的特點(diǎn)及篩選過程中的質(zhì)量控制進(jìn)行介紹。

2 BGA器件篩選過程中的案例分析

2.1 BGA器件篩選過程中出現(xiàn)的異常情況

BGA器件篩選過程中容易出現(xiàn)的問題主要有兩大類：焊球問題和蓋板問題。焊球問題主要表現(xiàn)在焊球損傷、焊球脫落和焊球氧化，蓋板的問題主要按照GJB548B-2005方法2009.1的依據(jù)來進(jìn)行判斷。BGA封裝篩選過程中的焊球問題如圖1所示。

圖4 蓋板劃傷露底層金屬

2.2 焊球損傷及蓋板劃傷案例分析

圖1（a）及圖4所示現(xiàn)象是XX產(chǎn)品篩選過程中，因老化插座不匹配，器件高溫老化所致。該器件焊球變形及蓋板劃傷后，我們對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，確定其原因是插座不匹配。該器件及其對(duì)應(yīng)的國產(chǎn)器件的相關(guān)尺寸及原因分析如表1所示。

表1 XX器件與對(duì)應(yīng)國產(chǎn)器件尺寸比對(duì)及原因分析

圖1（b）和圖1（c）所示現(xiàn)象是測(cè)試插座造成的焊球損傷。BGA封裝的測(cè)試插座主要有兩類，針尖類和爪類。針尖類測(cè)試插座即器件（焊球）與插座的接觸方式為針類，是點(diǎn)對(duì)球的接觸方式。這類插座容易在焊球上扎出針眼，長時(shí)間使用后插座的針尖變形更易造成焊球損傷，如圖1（b）所示。爪類插座是指測(cè)試插座將焊球全部包入測(cè)試凹槽中，這類插座長時(shí)間使用會(huì)因測(cè)試凹槽的磨損造成焊球周邊凹凸不平，如圖1（c）所示。不論是針尖類插座還是爪類插座，長時(shí)間使用都容易造成焊球損傷。

2.3 焊球脫落案例分析

CBGA429電路在進(jìn)行耐濕試驗(yàn)后1只電路的焊球出現(xiàn)脫落情況（見圖2和圖5）。該批次電路共15只進(jìn)行試驗(yàn)，1只電路出現(xiàn)問題，做過的試驗(yàn)包括高低溫測(cè)試、恒定加速度、溫度循環(huán)。

圖5 CBGA429電路焊球脫落后的焊盤表面照片

經(jīng)過分析，該電路的焊球脫落屬于偶發(fā)現(xiàn)象，未在同電路其他焊球、同批次其他電路上復(fù)現(xiàn)失效；從SEM/EDX分析看，與外殼焊盤金屬化層無關(guān)，與鍍鎳底層無關(guān)，失效發(fā)生在鍍鎳層表面或鍍金層上；焊球脫落可能與焊盤表面有相關(guān)性（如篩選考核中沾污、鎳氧化等，在回流焊接中錫膏與焊盤之間黏附不良，導(dǎo)致耐濕試驗(yàn)中焊球脫落；也有可能與焊盤表面鍍金層厚度相關(guān)，成分分析發(fā)現(xiàn)少量金，表明該電路焊盤金層較厚，過厚的金與錫在焊接層中生成脆性金屬間化合物，導(dǎo)致焊球脫落；還有一種可能是實(shí)驗(yàn)中碰脫焊球（因未尋得焊球，無法判斷）。

上述焊球脫落的案例是耐濕試驗(yàn)后造成的，也有很多大型FPGA電路僅常溫測(cè)試后就發(fā)生焊球脫落現(xiàn)象，如圖6所示，原因可能為測(cè)試插座氧化、操作不當(dāng)、焊球虛焊等。

圖6 大型FPGA器件焊球脫落圖

2.4 焊球氧化分析

BGA封裝的器件在首次篩選檢驗(yàn)過程中一般都不會(huì)發(fā)生焊球氧化的現(xiàn)象，焊球暴露在空氣中的時(shí)間越長，就越容易發(fā)生氧化，因此焊球氧化都發(fā)生在二次篩選過程中，如圖3所示。如何預(yù)防焊球的氧化也是BGA封裝器件的重點(diǎn)攻關(guān)問題。

3 BGA器件篩選過程中的質(zhì)量控制

3.1 來料把關(guān)控制

任何器件來料目檢都是必做的，BGA器件不僅需要100%檢驗(yàn)，更需要針對(duì)焊球進(jìn)行100%鏡檢，尤其是二次篩選的器件，100%鏡檢必不可少。二次篩選的器件時(shí)間跨度較長，容易發(fā)生焊球氧化的問題。對(duì)于進(jìn)口BGA器件，因其來源多樣化，器件的狀態(tài)也可能多樣化，也有可能是拆機(jī)件，來樣外觀檢驗(yàn)即可發(fā)現(xiàn)問題并判定不合格。另外，由于運(yùn)輸過程中器件保護(hù)不良，也有可能造成焊球損傷、焊球脫落的問題。遇到此類問題，需要反饋給客戶，在征得客戶同意的基礎(chǔ)上對(duì)器件進(jìn)行后續(xù)處理。

3.2 過程控制

BGA封裝的器件篩選過程中焊球防護(hù)至關(guān)重要，如何做好焊球防護(hù)是BGA器件篩選過程中的重中之重。根據(jù)BGA器件篩選過程中遇到的以上問題，擬制定相關(guān)過程控制方案，具體如下。

3.2.1 規(guī)范化操作

制定BGA器件操作規(guī)范，加強(qiáng)BGA器件現(xiàn)場(chǎng)控制。

3.2.2 器件防護(hù)

（1）防氧化：所有BGA器件及其測(cè)試插座在未試驗(yàn)階段均要放置在氮?dú)夤裰校泳徍盖蚣安遄趸?/p>

（2）焊球防護(hù)：BGA器件的周轉(zhuǎn)必須通過專用托盤（指定包裝）和防靜電泡沫，做好BGA器件周轉(zhuǎn)過程的物理防護(hù)。

3.2.3 測(cè)試試樣

每次測(cè)試前先要檢查插座，并試測(cè)1～2只樣品，測(cè)完后檢查電路的蓋板有無劃傷、焊球有無缺損（或脫落），如無異常方可繼續(xù)測(cè)試；如有異常，需待插座修復(fù)（或替換）后再次試測(cè)，確保測(cè)試不會(huì)對(duì)外觀造成影響才能進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。

3.2.4 插座壽命評(píng)估及檢查

所有插座都有使用壽命，但凡超出使用壽命范圍就會(huì)對(duì)器件造成影響，BGA器件的壽命評(píng)估尤為重要。插座投產(chǎn)后需預(yù)估使用壽命，并在即將達(dá)到使用壽命前對(duì)插座進(jìn)行檢查并預(yù)警，后續(xù)測(cè)試前需預(yù)估測(cè)試量，測(cè)試前后都需對(duì)插座和器件進(jìn)行檢查，確保不因插座造成外觀問題。

3.3 質(zhì)量控制

質(zhì)量方面需從源頭抓起。首先，需對(duì)所有管理及一線操作員工進(jìn)行質(zhì)量宣貫和質(zhì)量教育，確保所有人對(duì)已出現(xiàn)和易出現(xiàn)的問題有所了解并引起警覺，避免因質(zhì)量宣貫不到位再次出現(xiàn)質(zhì)量問題。其次，還需對(duì)一線操作員工針對(duì)BGA器件進(jìn)行統(tǒng)一操作培訓(xùn)，規(guī)范操作方法，盡一切可能降低因操作不當(dāng)造成的質(zhì)量損失。最后，質(zhì)量檢查和質(zhì)量反饋也必不可少，要堅(jiān)持質(zhì)量信息統(tǒng)計(jì)和反饋上報(bào)工作，上報(bào)內(nèi)容除了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)是批次性問題、可能存在的質(zhì)量隱患以及對(duì)質(zhì)量控制的建議，為用戶提供可靠性的信息，同時(shí)也為上級(jí)部門制定相應(yīng)管理措施提供了參考依據(jù)。

另外，在質(zhì)量上要積極做好質(zhì)量體系內(nèi)部審核和監(jiān)督檢查。堅(jiān)持從源頭抓起，控制重點(diǎn)環(huán)節(jié)，切實(shí)暴露問題，持續(xù)不斷改進(jìn)，達(dá)到閉環(huán)目標(biāo)；按人員比例配備質(zhì)量監(jiān)督員，對(duì)篩選檢測(cè)全過程實(shí)施質(zhì)量監(jiān)督并記錄。

4 改進(jìn)措施和合理化建議

BGA器件篩選過程中出現(xiàn)的焊球問題是重點(diǎn)要解決的問題，雖然無法確保100%杜絕問題，但是可以通過改進(jìn)方法，提出合理化建議，降低BGA器件出現(xiàn)問題的概率，具體改進(jìn)措施如下：

（1）焊球氧化改進(jìn)措施

所有BGA器件和其配套測(cè)試插座均放置在氮?dú)夤裰斜４?，延緩焊球氧化?/p>

（2）蓋板劃傷改進(jìn)措施

所有進(jìn)口BGA器件，首次來料必須進(jìn)行精確尺寸測(cè)量，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，投產(chǎn)時(shí)根據(jù)精確尺寸尋找專用插座（確認(rèn)進(jìn)口尺寸與國內(nèi)器件尺寸完全相同時(shí)可共用），首次試驗(yàn)時(shí)必須試樣，確認(rèn)試樣無誤方可全部投產(chǎn)。

（3）焊球損傷改進(jìn)措施

規(guī)范操作手冊(cè)，做好物理防護(hù)。

（4）焊球脫落改進(jìn)措施

近年來，焊球脫落情況都出現(xiàn)在大型FPGA器件（BGA封裝）測(cè)試后（僅進(jìn)行測(cè)試項(xiàng)目），如出現(xiàn)焊球脫落，在征得客戶認(rèn)可的基礎(chǔ)上，通過重新植球恢復(fù)原樣，出貨前再進(jìn)行測(cè)試，確保器件電性能測(cè)試合格。針對(duì)此種情況，提出以下合理化建議：

二次篩選是在一次篩選的基礎(chǔ)上，整機(jī)科研和生產(chǎn)單位為了滿足整機(jī)系統(tǒng)對(duì)元器件的可靠性要求，對(duì)元器件按照驗(yàn)收流程和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的第二次合格性和可靠性篩選。目前，國內(nèi)部分生產(chǎn)廠家對(duì)于BGA器件的焊球保護(hù)提出了新的解決方案，即一次篩選過程中不進(jìn)行植球（封裝形式為LGA），僅對(duì)需要驗(yàn)證焊球可靠性試驗(yàn)的步驟進(jìn)行抽樣植球并進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)。一次篩選完成后，器件不進(jìn)行植球便進(jìn)行二次篩選，二次篩選完成后再進(jìn)行植球，植球后再進(jìn)行電性能測(cè)試，確保器件不因植球造成損失。這種方案不僅降低了BGA器件篩選過程中的損傷，也在無形中降低了生產(chǎn)方的經(jīng)濟(jì)損失。此方案的可實(shí)施性也很強(qiáng)，在生產(chǎn)方認(rèn)可并同意的基礎(chǔ)上建議實(shí)行此方案。

在不考慮上述方案的條件下，生產(chǎn)方還可以從BGA插座方面來想辦法解決問題。首先要考慮插座材料的耐高低溫條件，滿足了這個(gè)條件之后再考慮插座頂針的形狀和軟硬程度（在不影響測(cè)試功能的前提下）。本文2.2節(jié)中提到了兩類插座頂針的形狀：針尖類和爪類。研制方要根據(jù)焊球的大小，選擇能在更大程度上減少焊球損傷的形狀。當(dāng)然，這種選擇也并不是絕對(duì)的，焊球的損傷更多還是和插座的使用壽命相關(guān)。插座頂針的軟硬程度有兩類：一，插座頂針偏軟，對(duì)BGA焊球可能造成的損傷較小，但是磨損更厲害，使用壽命較短；二，插座頂針偏硬，對(duì)BGA焊球可能造成的損傷較大，但是磨損小，使用壽命較長。由此可見，插座的使用壽命和BGA器件的焊球防護(hù)有著必然聯(lián)系。做好插座的使用壽命評(píng)估，對(duì)插座使用進(jìn)行記錄、檢查和更換是解決篩選過程中BGA焊球損傷的首選方法。

5 結(jié)束語

對(duì)BGA器件進(jìn)行二次篩選時(shí)，要做好質(zhì)量管理和控制，選擇合適的篩選方法，才能更好地保證BGA器件的高質(zhì)量，有效提高BGA器件的可靠性。

[1]楊兵，等.CBGA植球在線質(zhì)量檢測(cè)與控制技術(shù)[J].電子與封裝，2009，9（3）：6-10.

Study of Solder Ball Problems and Countermeasures During BGA Screening Process

WANG Yu
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

The recent development of high-density electronic packaging technology has distinguished BGA as the best choice for high-density,high-performance,multi-functional and high I/Os devices.In the paper,the causes of failure during the screening process and countermeasures including materials,process control and quality control are analyzed.Meanwhile, the field control,solder ball protection and management during the screening process are highlighted.

BGA device;quality control;protection

TN305.94

A

1681-1070（2017）10-0006-03

2017-4-28

王 瑜（1984—），女，江蘇宜興人，本科，畢業(yè)于江南大學(xué)，目前從事電子元器件的二次篩選檢驗(yàn)工作。