應(yīng)用于射頻BGA外殼的無損測試夾具研發(fā)

李明磊，喬志壯，劉林杰，高 嶺，任 贊

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

球柵陣列封裝技術(shù)（BGA）作為上世紀90年代以后發(fā)展起來的先進封裝技術(shù)，由于可以減少互聯(lián)引線的長度，在高密度、高I/O數(shù)、高頻應(yīng)用等領(lǐng)域，BGA封裝已逐漸取代了引線框架式封裝。越來越多的高頻高速封裝采用BGA形式。隨著應(yīng)用的擴展，射頻BGA封裝測試也越來越重要。

1 無損測試介紹

現(xiàn)有射頻BGA封裝測試采用測試插座的形式，主要依靠彈簧探針或球形探針保證BGA器件與印制電路板接觸，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)需針對BGA器件背面植球情況設(shè)置對應(yīng)探針，同時對背面射頻結(jié)構(gòu)進行探針阻抗匹配設(shè)計，實現(xiàn)較復雜。且目前測試插座僅針對于器件進行測試，無法測試射頻BGA外殼的電性能。而外殼作為電路的封裝載體，其電性能對器件功能的實現(xiàn)至關(guān)重要，也是器件實現(xiàn)性能的重要前提。

圖1 彈簧探針、球形探針照片

本文設(shè)計一種射頻BGA外殼無損測試夾具，同時適用于射頻BGA外殼和器件的電性能測試。由于外殼和器件采用相同的測試夾具，可直接提取出外殼的電性能參數(shù)，為器件內(nèi)部電路設(shè)計提供幫助。該夾具采用開放式定位及鎖緊結(jié)構(gòu)，引入各向異性導電膠膜（ACF）代替探針，合理設(shè)置印制電路板及接地結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)簡單。

2 夾具設(shè)計

2.1 定位及鎖緊結(jié)構(gòu)

常規(guī)BGA測試插座考慮的是為器件測試，通常采用翻蓋式鎖緊結(jié)構(gòu)。其中壓板整個作用于外殼表面，整個外殼不外露，完全被夾具包裹。本文的測試夾具考慮到要兼顧外殼的性能測試，因此采用開放式鎖緊結(jié)構(gòu)，外殼的整個腔體外露，鎖緊部分作用于外殼邊緣，如圖2所示。為滿足微波探針進入外殼腔體內(nèi)部進行測試的需要，鎖緊結(jié)構(gòu)需設(shè)置合理的高度，以防遮擋探針。開放式結(jié)構(gòu)滿足了微波測試探針深入外殼的需求，同時起到了固定外殼的作用。

圖2 開放式鎖緊結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 接觸件結(jié)構(gòu)

不同于常規(guī)的彈簧探針或球形探針，本文采用各向異性導電膠膜（ACF）作為接觸件。各向異性導電膠膜ACF（Anisotropic Conductive Films）主要由導電粒子、膠粘劑組成，如圖3所示。導電粒子的材質(zhì)是金屬，具有優(yōu)異的導電性和化學穩(wěn)定性，是理想的導電粒子。各向異性保證了其在X、Y方向是絕緣的，而在Z方向是導電的?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于液晶模塊以及電子產(chǎn)品模塊的封裝工藝中。本文采用導電膠膜作為接觸件，放置于外殼與PCB板之間，根據(jù)導電膠膜的特性，在Z方向上將外殼背面焊盤與PCB板上對應(yīng)焊盤連接，起到導通的作用。外殼與導電膠膜、導電膠膜與PCB板僅需要接觸即可實現(xiàn)導通，因此對外殼無損傷，可實現(xiàn)對外殼的無損測試。

圖3 各向異性導電膠膜

2.3 印制電路板（PCB）及接地結(jié)構(gòu)

印制電路板為測試夾具的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，起到將BGA引出端導出的作用。通過在印制電路板上走內(nèi)埋帶狀線的方式，將BGA焊盤背面的引出端導出到印制電路板正面。通過優(yōu)化印制電路板上pad尺寸、接地開口尺寸以及地孔間距實現(xiàn)與BGA焊球的阻抗匹配。本文設(shè)計的印制電路板共13個功能端，中間部位pad與BGA器件背面焊盤對應(yīng)，外部引出端與中間部位pad導通，便于實際測試。實際加工的印制電路板如圖4所示。同時為滿足射頻接地的需求，在印制電路板背面增加整塊鋁板。

圖4 實際加工的印制電路板

2.4 夾具整體結(jié)構(gòu)

上面針對無損測試夾具的定位及鎖緊結(jié)構(gòu)、接觸件結(jié)構(gòu)、印制電路板（PCB）及接地結(jié)構(gòu)進行了專門設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對測試夾具進行整體組裝，夾具整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，包含了定位框、導電膠膜、PCB板、鋁板。

從圖5中可以看出，器件或外殼放置于開放式的定位框內(nèi)，方便探針進行測試，導電膠膜實現(xiàn)器件或外殼與PCB板的電連接，PCB板將器件或外殼背面焊盤引出。實際加工的無損測試夾具如圖6所示。

圖5 夾具整體結(jié)構(gòu)

圖6 實際加工的無損測試夾具圖

3 實際測試

為了驗證無損測試夾具的實際應(yīng)用效果，分別對外殼的常規(guī)電性能及微波性能進行了測試。

3.1 常規(guī)電性能測試

將外殼放入無損測試夾具進行測試，如圖7所示。該外殼包括接地共13個引出端，分別對應(yīng)印制電路板上的13個引出端。采用導通電阻測試儀對其互連關(guān)系進行測試，經(jīng)實際驗證，印制電路板上的13個引出端與外殼內(nèi)部鍵合指導通性良好，可滿足常規(guī)電性能測試的要求。

圖7 常規(guī)電性能測試照片

3.2 微波性能測試

為檢驗微波性能的測試效果，對比了真實的外殼焊接到PCB板的應(yīng)用場景，如圖8所示。

圖8 真實的外殼焊接到PCB板的應(yīng)用場景對比

采用無損測試夾具測試與焊接到PCB板的S參數(shù)測試結(jié)果對比如圖9所示。

從圖9中可以看出，在DC~8GHz內(nèi)，采用無損測試夾具測試的回波損耗與插入損耗結(jié)果與模擬真實使用情況測試的結(jié)果吻合性較好，說明這種測試方法實際效果好，真實反映了外殼在板級應(yīng)用時的微波性能。

通過上述對外殼的常規(guī)電性能測試及微波性能測試可以看出無損測試夾具應(yīng)用情況良好，可實現(xiàn)器件及外殼的無損測試。

圖9 采用無損測試夾具測試與焊接到PCB板的S參數(shù)測試結(jié)果對比

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的應(yīng)用于BGA陶瓷外殼的無損測試夾具，通過采用開放式定位及鎖緊結(jié)構(gòu)滿足對外殼內(nèi)部測試的需要；采用各向異性導電膠膜實現(xiàn)無損測試；采用結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的PCB板實現(xiàn)器件及外殼的引出端導出。經(jīng)過實際測試對比，該夾具與采用常規(guī)焊接方式的測試結(jié)果一致性好，可取代常規(guī)的測試方法，無損地實現(xiàn)批量BGA外殼的性能驗證。