應(yīng)用于射頻BGA外殼的無損測(cè)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(tuán)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(jì)90年代以后發(fā)展起來的先進(jìn)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(kuò)展，射頻BGA封裝測(cè)試也越來越重要。

1 無損測(cè)試介紹

現(xiàn)有射頻BGA封裝測(cè)試采用測(cè)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(duì)BGA器件背面植球情況設(shè)置對(duì)應(yīng)探針，同時(shí)對(duì)背面射頻結(jié)構(gòu)進(jìn)行探針阻抗匹配設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。且目前測(cè)試插座僅針對(duì)于器件進(jìn)行測(cè)試，無法測(cè)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(duì)器件功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，也是器件實(shí)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(jì)一種射頻BGA外殼無損測(cè)試夾具，同時(shí)適用于射頻BGA外殼和器件的電性能測(cè)試。由于外殼和器件采用相同的測(cè)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(jì)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

2 夾具設(shè)計(jì)

2.1 定位及鎖緊結(jié)構(gòu)

常規(guī)BGA測(cè)試插座考慮的是為器件測(cè)試，通常采用翻蓋式鎖緊結(jié)構(gòu)。其中壓板整個(gè)作用于外殼表面，整個(gè)外殼不外露，完全被夾具包裹。本文的測(cè)試夾具考慮到要兼顧外殼的性能測(cè)試，因此采用開放式鎖緊結(jié)構(gòu)，外殼的整個(gè)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(jìn)入外殼腔體內(nèi)部進(jìn)行測(cè)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(cè)試探針深入外殼的需求，同時(shí)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(dǎo)電膠膜（ACF）作為接觸件。各向異性導(dǎo)電膠膜ACF（Anisotropic Conductive Films）主要由導(dǎo)電粒子、膠粘劑組成，如圖3所示。導(dǎo)電粒子的材質(zhì)是金屬，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，是理想的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電膠膜作為接觸件，放置于外殼與PCB板之間，根據(jù)導(dǎo)電膠膜的特性，在Z方向上將外殼背面焊盤與PCB板上對(duì)應(yīng)焊盤連接，起到導(dǎo)通的作用。外殼與導(dǎo)電膠膜、導(dǎo)電膠膜與PCB板僅需要接觸即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，因此對(duì)外殼無損傷，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外殼的無損測(cè)試。

圖3 各向異性導(dǎo)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(cè)試夾具的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，起到將BGA引出端導(dǎo)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)與BGA焊球的阻抗匹配。本文設(shè)計(jì)的印制電路板共13個(gè)功能端，中間部位pad與BGA器件背面焊盤對(duì)應(yīng)，外部引出端與中間部位pad導(dǎo)通，便于實(shí)際測(cè)試。實(shí)際加工的印制電路板如圖4所示。同時(shí)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(shí)際加工的印制電路板

2.4 夾具整體結(jié)構(gòu)

上面針對(duì)無損測(cè)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(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)試夾具進(jìn)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(dǎo)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(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)電膠膜實(shí)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(shí)際加工的無損測(cè)試夾具如圖6所示。

圖5 夾具整體結(jié)構(gòu)

圖6 實(shí)際加工的無損測(cè)試夾具圖

3 實(shí)際測(cè)試

為了驗(yàn)證無損測(cè)試夾具的實(shí)際應(yīng)用效果，分別對(duì)外殼的常規(guī)電性能及微波性能進(jìn)行了測(cè)試。

3.1 常規(guī)電性能測(cè)試

將外殼放入無損測(cè)試夾具進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示。該外殼包括接地共13個(gè)引出端，分別對(duì)應(yīng)印制電路板上的13個(gè)引出端。采用導(dǎo)通電阻測(cè)試儀對(duì)其互連關(guān)系進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，印制電路板上的13個(gè)引出端與外殼內(nèi)部鍵合指導(dǎo)通性良好，可滿足常規(guī)電性能測(cè)試的要求。

圖7 常規(guī)電性能測(cè)試照片

3.2 微波性能測(cè)試

為檢驗(yàn)微波性能的測(cè)試效果，對(duì)比了真實(shí)的外殼焊接到PCB板的應(yīng)用場(chǎng)景，如圖8所示。

圖8 真實(shí)的外殼焊接到PCB板的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比

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

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

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

圖9 采用無損測(cè)試夾具測(cè)試與焊接到PCB板的S參數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語

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