BGA 封裝電路焊球外觀異常解決方案研究

丁鵬飛，王恒彬，王建超

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214035）

1 引言

球柵陣列（BGA）封裝技術(shù)為高密度表面裝配封裝技術(shù)。BGA 封裝底部的引腳都為球狀并排列成一個(gè)類(lèi)似于格子的圖案，因此該封裝形式被命名為BGA封裝。測(cè)試插座也稱測(cè)試夾具或者IC 插座，是指可以放入多引腳集成電路并且可以被安裝在集成電路測(cè)試板上的插座[1]。

BGA 封裝作為主流封裝形式之一，避免其在集成電路測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)封裝外觀異常對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量非常重要。BGA 封裝的特點(diǎn)之一是使用焊錫作為引線。這些引線在芯片底部是呈現(xiàn)球狀排列的，因此被稱為焊錫球或焊球。由于BGA 封裝的球狀引線數(shù)量多、間距小，并且焊球的強(qiáng)度相對(duì)較差，因此在測(cè)試過(guò)程中，需要保證良好的電接觸，同時(shí)也要盡可能減小對(duì)焊球的損傷[2]。

BGA 封裝測(cè)試插座的接觸件多采用彈簧針式結(jié)構(gòu)。彈簧針本身能夠在一定程度上保護(hù)BGA 封裝電路的焊球，但是彈簧針式結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)在球體上產(chǎn)生較大壓痕，因此，研究如何解決測(cè)試插座對(duì)BGA封裝電路焊球外觀造成損壞的問(wèn)題，具有重要的意義[3]。通過(guò)分析傳統(tǒng)的測(cè)試插座結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化一種用于BGA 封裝的測(cè)試插座，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出一種解決BGA 封裝電路焊球在測(cè)試中出現(xiàn)外觀異常的方案。

2 BGA 測(cè)試插座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以一款包含77 個(gè)引腳的BGA 封裝電路作為研究對(duì)象，該電路是一款單通道電流為4 A 的四通道降壓型DC-DC 電源模塊，其工作電壓為4～14 V，采用BGA 塑封結(jié)構(gòu)。測(cè)試插座的結(jié)構(gòu)為翻蓋式結(jié)構(gòu)，其主要由鎖緊機(jī)構(gòu)、接觸件、蓋板、彈簧等零件組成。將封裝電路放入插座后即可實(shí)現(xiàn)電路與接觸件的可靠接觸，翻蓋式插座結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 翻蓋式插座結(jié)構(gòu)

將優(yōu)化前和優(yōu)化后的插座分別稱為插座A 和插座B，插座A、B 與BGA 封裝電路焊球的接觸部位不同。插座A 的接觸件采用彈簧針式結(jié)構(gòu)，彈簧針與焊球緊密接觸，圖2 為彈簧針與BGA 焊球接觸示意圖。插座B 放棄彈簧針式接觸件結(jié)構(gòu)，改為無(wú)針式接觸件結(jié)構(gòu)，采用導(dǎo)電膠與BGA 焊球接觸，提高了焊球與接觸件的接觸面積，避免了彈簧針對(duì)焊球外觀產(chǎn)生異常影響。導(dǎo)電膠接觸件的外觀結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中每個(gè)焊球的中心部分為導(dǎo)電膠，球體與導(dǎo)電膠直接接觸，焊球中心部分和邊緣之間設(shè)置一圈環(huán)形絕緣材料，避免因?qū)щ娔z與其他部分直接接觸而產(chǎn)生短路的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

圖2 彈簧針與BGA 焊球接觸示意圖

圖3 導(dǎo)電膠接觸件的外觀結(jié)構(gòu)

3 BGA 測(cè)試插座測(cè)試方案

彈簧針式測(cè)試插座雖然被廣泛使用，但在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)對(duì)BGA 封裝電路的焊球外觀造成異常影響。特定的使用條件（在超低溫和超高溫下）或者特定的使用目的（作為宇航產(chǎn)品使用）對(duì)經(jīng)過(guò)測(cè)試的BGA 封裝電路的完整性有較高要求，在測(cè)試中產(chǎn)生的微小外觀異常會(huì)增加產(chǎn)品的使用風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的BGA 封裝電路焊球外觀異常進(jìn)行優(yōu)化解決[5]。在實(shí)際測(cè)試中，溫度、工作電壓通常被認(rèn)為是影響電路測(cè)試結(jié)果的兩大因素，因此選擇溫度、工作電壓作為測(cè)試方案的主要影響因子，探究除了插座的材料與結(jié)構(gòu)外，這兩種因素是否會(huì)對(duì)BGA封裝焊球的外觀產(chǎn)生影響，在保證其他因素不變的情況下改變一種影響因子，觀察并分析2 種BGA 封裝電路焊球外觀的變化情況[6]。

3.1 不同溫度下BGA 封裝電路焊球外觀變化

軍品級(jí)集成電路一般在－55～125 ℃的溫度下工作，選擇－55 ℃、25 ℃、125 ℃3 種溫度作為影響因子，為確保其他變量不變，在此條件下僅對(duì)電路進(jìn)行接觸測(cè)試[7]。具體操作如下：

1）挑選6 顆BGA 封裝電路在顯微鏡下進(jìn)行觀察并拍照，確保6 顆電路的焊球外觀無(wú)明顯異常，6 顆電路分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T5、T6；

2）在－55 ℃、25 ℃、125 ℃的溫度下，分別把T1、T2、T3放入插座A 進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)保證電路在各溫度下靜置1 min 后再開(kāi)始測(cè)試，以符合實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)試電路的狀態(tài)；

3）在－55 ℃、25 ℃、125 ℃的溫度下，分別把T4、T5、T6放入插座B 進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)保證電路在各溫度下靜置1 min 后再開(kāi)始測(cè)試，以符合實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)試電路的狀態(tài)；

4）在顯微鏡下觀察測(cè)試后T1、T2、T3、T4、T5、T6的焊球并對(duì)外觀拍照；

5）分析測(cè)試前后各電路焊球的外觀差異。

3.2 不同工作電壓下BGA 封裝電路焊球外觀變化

選擇4 V、9 V、14 V 3 種工作電壓進(jìn)行測(cè)試，為確保其他變量不變，在25 ℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行測(cè)試，具體操作如下：

1）挑選6 顆BGA 封裝電路在顯微鏡下進(jìn)行觀察并拍照，確保6 顆電路的焊球外觀無(wú)明顯異常，6 顆電路分別為C1、C2、C3、C4、C5、C6；

2）分別把C1、C2、C3放入插座A，在4 V、9 V、14 V的工作電壓下進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)保證電路在常溫下靜置1 min 后開(kāi)始測(cè)試，以符合實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)試電路的狀態(tài)；

3）分別把C4、C5、C6放入插座B，在4 V、9 V、14 V的工作電壓下進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)保證電路在常溫下靜置1 min 后開(kāi)始測(cè)試，以符合實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)試電路的狀態(tài)；

4）在顯微鏡下觀察電路C1、C2、C3、C4、C5、C6的焊球并對(duì)外觀拍照；

5）分析測(cè)試前后各電路焊球的外觀差異。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 不同溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在－55 ℃、25 ℃、125 ℃3 個(gè)溫度下使用插座A 和插座B 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試后使用顯微鏡對(duì)各電路焊球外觀進(jìn)行拍照。－55 ℃下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA封裝電路焊球外觀如圖4 所示，25 ℃下采用插座A、B測(cè)試后的BGA 封裝電路焊球外觀如圖5 所示，125 ℃下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA 封裝電路焊球外觀如圖6 所示。從圖4（a）、5（a）、6（a）可以看出，3 種溫度下使用插座A 測(cè)試后電路焊球外觀出現(xiàn)了明顯的凹形坑體，在77 個(gè)焊球上均有分布。從圖4（b）、5（b）、6（b）可以看出，使用插座B 測(cè)試后電路焊球外觀無(wú)明顯坑體，表面光滑，這說(shuō)明插座B 對(duì)焊球外觀無(wú)顯著影響。25 ℃下采用插座A、B 測(cè)試后的電路單個(gè)焊球外觀如圖7 所示，從圖7（a）可以看出，凹形坑體主要分布在焊球上方，呈圓圈狀分布，坑體較深。綜上所述，在不同溫度下采用相同插座進(jìn)行測(cè)試，電路焊球的外觀無(wú)明顯差別，因此，在溫度為－55～125 ℃時(shí)，在電路測(cè)試中溫度變化不會(huì)對(duì)電路焊球的外觀產(chǎn)生影響。

圖4 －55 ℃下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA 封裝電路焊球外觀

圖5 25 ℃下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA封裝電路焊球外觀

圖6 125 ℃下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA封裝電路焊球外觀

圖7 25 ℃下采用插座A、B 測(cè)試后的電路單個(gè)焊球外觀

4.2 不同工作電壓下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在4 V、9 V、14 V 的工作電壓下使用插座A 和插座B 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試后使用顯微鏡對(duì)各電路焊球外觀進(jìn)行拍照。4 V 電壓下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA封裝電路焊球外觀如圖8 所示，9 V 電壓下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA 封裝電路焊球外觀如圖9 所示，14 V 電壓下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA 封裝電路焊球外觀如圖10 所示。從圖8（a）、9（a）、10（a）可以看出，3 種工作電壓下使用插座A 測(cè)試后電路焊球外觀出現(xiàn)了明顯的凹形坑體，在77 個(gè)焊球上均有分布。從圖8（b）、9（b）、10（b）可以看出，使用插座B 測(cè)試后電路焊球表面無(wú)明顯坑體和明顯壓痕，這說(shuō)明插座B 對(duì)焊球外觀無(wú)明顯影響。9 V 電壓下采用插座A、B 測(cè)試后的單個(gè)焊球外觀如圖11 所示，從圖11（a）可以看出，坑體主要分布在焊球上方，呈圓圈狀分布，坑體較深。在不同工作電壓下采用相同插座進(jìn)行測(cè)試，電路焊球的外觀無(wú)明顯差別。綜上所述，當(dāng)工作電壓為4～14 V 時(shí)，在電路測(cè)試中工作電壓的變化不會(huì)對(duì)電路焊球的外觀產(chǎn)生影響。

圖8 4 V 電壓下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA 封裝電路焊球外觀

圖9 9 V 電壓下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA 封裝電路焊球外觀

圖10 14 V 電壓下采用插座A、B 測(cè)試后的BGA 封裝電路焊球外觀

圖11 9 V 電壓下采用插座A、B 測(cè)試后電路的單個(gè)焊球外觀

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在不同溫度和工作電壓下采用2 種插座進(jìn)行BGA 封裝焊球外觀實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明優(yōu)化后的無(wú)針式插座對(duì)BGA 封裝電路焊球外觀的影響較小，而接觸件為彈簧針式結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)常用插座對(duì)BGA 封裝電路焊球外觀的影響較大。采用彈簧針式結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)常用插座測(cè)試后電路焊球上出現(xiàn)的壓痕較大，坑體較深。由測(cè)試插座造成的外觀缺陷會(huì)降低電路的可靠性，縮短電路的使用壽命，還會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)電路焊球產(chǎn)生裂紋，影響電路的電性能，并降低其抗振動(dòng)性能。優(yōu)化后的無(wú)針式插座可以大幅降低對(duì)電路焊球外觀的異常影響，從而降低電路后續(xù)使用風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

在BGA 封裝電路測(cè)試過(guò)程中，常用的彈簧針式測(cè)試插座容易對(duì)BGA 封裝的焊球外觀造成損傷，因此對(duì)彈簧針式測(cè)試插座進(jìn)行優(yōu)化，從優(yōu)化測(cè)試插座接觸件的角度設(shè)計(jì)出無(wú)針插座。在不同溫度和工作電壓下采用2 種插座對(duì)BGA 封裝的焊球進(jìn)行外觀影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)針插座能夠明顯減少對(duì)BGA 封裝焊球外觀的損傷，且在不同溫度和工作電壓下對(duì)焊球外觀都無(wú)明顯影響，有效保證了測(cè)試后的產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中僅選取了－55～125 ℃的溫度范圍和4～14 V的工作電壓范圍作為可能影響B(tài)GA 封裝焊球外觀的因素，后期將在此研究基礎(chǔ)上增加其他影響因素，探究無(wú)針式測(cè)試插座對(duì)測(cè)試BGA 封裝焊球外觀的影響。