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1、smthome1net10109球栅阵列bga球栅阵列(BGA)封装器件与检测技术 日新月异的电子产品，大到航空、航天装置，小到便携式电脑、移动电话，都有一个共同的发展方向，即向更加小型化、轻量化、强功能、快速度、高可靠性方向发展，这就使得半导体工业发展到高密度组装的新水平。BGA(Ball Grid Array)球栅阵列封装正是这种技术革命的产物，近年来BGA封装技术发展速度惊人，并已在很多国际著名电子公司的产品中得到应用，如IBM、SUN、富士通、TNTEGRAL、松下、MOTOROLA、TWXAX INSTRUMENTS等。相信不久的将来，BGA封装器件将会得到更为广泛应用。lBGA封装

2、的特点 BGA是“球栅阵列”英文Ball Grid Array的缩写，其引出端为球或柱状合金，并矩阵状分布于封装体的底面，改变了引出端分布于封装体两侧或四周的形式。这种封装形式与细间距QFP相比，具有下列优点：(1)具有更多的 IO；(2)易于组装；(3)自感和互感小；(4)具有多IO，小体积。任何事物都有优、缺点，BGA封装也不例外，早在卯年代初，国际表面安装会议主席MARTINL、BARTON提出了BGA的五大潜在问题：(1)焊点的检测问题；(2)焊点的可靠性；(3)BGA器件的更换及返修问题；(4)多IO时的布线问题；(5)成本增加问题。到目前为止，这些问题基本得到了解决。BGA返修工作

3、站的问世解决了BGA器件更换及返修问题；多IO时的布线问题，采用多层板技术也得到解决；随着BGA技术的不断发展，其成本也得到大幅度降低，预计不久，BGA封装价格大约是每针001$；通过BGA器件本身设计以及组装设计的考虑，可以解决可靠性问题，BGA焊点的长期可靠性模型的建立以及热循环试验正在进行之中，预计不久的将来，BGA焊点的热循环寿命可达到7000次。下面就BGA封装的检测问题作一讨论。2 BGA封装的检测问题BSA封装的检测问题有两类：(1)BGA封装器件本身的检测。在BGA生产过程中，焊球连接到基板上有两种方法：A、由预成形的高温焊球W(Pb)：W(Sn)90：10转换而成；B、采用球

4、射工艺将球一个一个地形成。在转换期间，焊料球可能会掉下、错位或粘在一起等，转换焊球是用共晶钎料W(Sb)：W(Pb)63：37焊到BGA上；也可采用丝网印刷将共晶焊膏印刷到BG入基板上，再经过再流焊形成焊球，如图l所示，这种方法可能会引起焊球丢失、焊球过小、焊球过大、焊球桥连以及焊球缺损等，如图2所示，但这些缺陷可以进行返修。对BGA器件进行检查，主要是检查焊球是否丢失或变形，对于有缺陷的器件则放到处理盘上。另外，在BGA生产过程中要严格控制封装变形，否则会引起芯片报废，而付出昂贵的代价。BGA有一定的机械强度，在安装夹持期间不会变形，在组装期间不必进行封装变形和焊球共面性检查，因为这样会花费

5、很长的时间。(2)BGA器件组装焊点的检查由于BGA封装器件的焊点都隐藏在器件体下方，传统的SMT焊点检测方法已经满足不了BGA焊点的检测要求。采用光学检查只能检查到BGA器件四周边缘的焊点情况，如图3所示；而电性能测试，只能检测焊点连接的通、断情况，即只能检测开路和短路，不能有效地区别焊点缺陷；自动激光检测系统可以测量器件贴装前焊膏的沉积情况，也不能检查BGA焊点缺陷；国外有研究表明声学显检查聚酰亚胺和陶瓷封装的BGA焊点，而不能检测用BT树脂材料封装的BGA焊点，因为声波难以传播到焊点区域。X射线是焊点检测的一种有效方法，目前使用较多的有两种类型的X射线检测仪：一种是直射式X光检测仪；另一

6、种是断层剖面X光检测仪。前者价格低廉，但不能检测BGA焊点中的焊料不足、气孔、虚焊等缺陷，后者可以满足BGA焊点检测要求。断层剖面X光检测BGA焊点的方法：在BGA同一焊点的不同高度处(至少两处以上)取“水平切片”，来直接测量焊点的焊料量以及焊点成形情况，“水平切片”一般在PCB焊盘与焊料的界面处、器件与焊料的界面处或器件与PCB板中间位置“切换片”，通过这些“切片”的测量结果处理，综合可以得到BGA焊点的三维检测结果。BGA组装焊点的缺陷主要有：讲授(如图4所示)、开路、焊料不足、焊料球、气孔、移位等。断层剖面法检测这些缺陷非常有效，因为在焊点“切片”时(如图5所示)测量了每个“切片的4个基

7、本物理参数：(a)焊点的中心位置；(b)焊点的直径；(c)与焊点中心轴同轴的5个圆环的各自的焊料厚度；(d)焊点相对于已知圆度的圆形的形状误差。其中，焊点中心位置在不同切片影像中的相对位置则表明BGA器件在PCB焊盘上的移位情况；焊点直径测量则表示焊点中焊料量与标准焊料量相比的相对量；在焊盘位置的直径测量则表示因焊膏印刷或焊盘污染引起的开路情况；而在焊球处的直径测量则表示焊点的共面性情况；各个同轴圆环的焊料厚度测量以及它的变化率则判定焊点中焊料的分布情况，对确定润湿不够和气孔缺陷更为有效。焊点的圆度表示与标准圆相比，焊点周围焊料分布的均匀性，为判定器件移位和焊点润湿情况提供数据。可见，断层剖面

8、X光检测BGA焊点是十分有效的，它对焊点结构进行了定量测量。充分理解测量参数与BGA组装工艺影响因素之间的关系，可以避免各种工艺缺陷的发生。断层剖面X光检测法，设备成本高，所以有些制造商则把电性能检测与直射式X光检测结合起来，即先由电性能检测检出开路、短路，再用直射式X光检测气孔、移位等，但焊料不足还是难以判断。还有些厂家采用设计特殊焊盘的方法与直射式X光检测结合，如采用非圆形焊盘，一般焊盘设计为碎片状，焊料润湿焊盘是非圆形的，X射线检测过程中在焊盘形状中还有个X射线检测图象，这样就表明焊点已经形成。这种方法对X光影像的识别能力要求非常高，检测准确率受到影响。另外，“倾斜式”X光检测仪也是当今

9、最常用的X光检测BGA焊点的方法之一，它采用倾斜的工作台，这样可以得到一个BGA焊点的X射线斜透视图避免了直射式X光检测的缺陷，是值得推荐的方法。3讨论与建议31BGA封装是新一代电子封装的必然趋势，随着组装密度的增加，采用QFP封装，靠减小引线间距、增加引线数的方法，已经使器件制造商步入绝境，而BGA封装的特点则决定了其在提高组装密度方面的巨大潜力。32BGA封装的发展促进了电子制造、芯片制造技术、多层基板与布线技术、对中技术、检测技术等相关技术的发展。33在BGA组装技术中，解决检测问题，将会为提高BGA焊点的长期可靠性打下坚实的基础。34根据我们的实践，在军事领域中采用BGA组装技术，必

10、须在SMT基本设备的基础上，增加对中返修台、X光检测仪，这样才能保证BGA应用的需要。建议采用带有分光棱镜对中系统的BGA返修工作站和断层刻面或“倾斜式”X光检测仪。 建立BGA的接收标准By Don Miller本文介绍，来自X光检查的信息可以为回流焊接的BGA/PCB焊点的 可接受条件建立一个工业工业标准。在现代PCB设计中，球栅阵列(BGA)和其它面积排列元件(area array device)的使用很快变成为标准。许多电子装配制造商面对一个检查的难题：保证正确的装配和达到过程合格率，而传统的确认方法已经不再足够。今天，越来越多的制造商选择X射线来满足检查要求。通过使用X射线检查，BG

11、A、微型BGA和倒装芯片元件的隐藏焊点的特性可以用可靠的和非破坏性的的方式在生产运行的早期检查出来。还有，大多数人员可以作出通过/失效的决定。在BGA使用到产品设计中之前，多数PCB制造商不在其检查工艺中使用X光系统。传统的方法，如自动光学检查(AOI, automated optical inspection)、人工视觉检查、包括制造缺陷分析(MDA, manufacturing defect analysis)的电气测试、和在线与功能测试，用来测试PCB元件。可是，这些方法不提供隐藏焊接问题(如空洞、冷焊和焊粘接差)的准确检查。X射线检查可有效地发现这类问题，监测质量保证和提供过程控制的即

12、时反馈。BGA接收标准对安装在印刷电路装配(PCA)上的BGA元件的接收标准问题是最重要的。今天，没有完好的工业标准用于决定回流焊接的BGA/PCB焊点的可接受条件。有人提出过几个方法作为测量技术，用来决定这些焊点的品质。诸如显微评估、X射线分层法、电气测试和标准透射X光等技术被建议或者在使用中。到今天唯一定义用来在生产环境中评估回流焊接的BGA连接的实际方法是透射X射线。视觉评估只评估周围排列的BGA焊点。在BGA包装底部的焊接点不能视觉评估。超声波技术要求深入的数据整理分析，X射线分层法对许多应用是令人望而却步的昂贵；电气测试倾向于提供可能与焊锡连接质量无关的数据。许多测量技术提供焊接点质

13、量的指示，但不提供足够的信息来确认BGA/PCA焊点的焊接条件。作为一个例子，周围视觉检查只给出BGA外围排列的焊点情况的一般了解。不能有效确认焊点内排回流焊接有多好和是否内排实际上适当地焊接在电路焊盘上。透射X光，可评估内排的焊点，决定于X光系统解析数据的能力。例如，考虑一下0.050直径的球坐落在0.050的电路焊盘 上。如果接受标准是焊接点内部空洞不可超过球直径的20%，那么使用的X光系统必须至少解析0.005直径的空洞。假设正确的PCB布局和具有高热容量的强制对流的回流焊接炉，锡膏应该适当地回流形成一个包锡球的弯液面(图一)。在这个情况中，装配的X光图象将显示均匀的焊锡球，没有任何桥接

14、或其它缺陷。在某些情况中，焊锡回流设定或条件不十分正确，锡膏中的助焊剂将不会适当排气。 其结果是在焊锡连接中的空洞或焊锡的不充分回流，引起焊点差或冷焊。当这些缺陷在X光图象中出现时，工艺过程需要调整。X射线评估在第一个贴装元件的PCA上，通过焊盘边缘、开路、短路、桥接和空洞附近的粗糙的未焊接区域的示范，来评估缺乏回流的X射线。这些情况表示不能让锡膏充分回流的低温范围。短路/锡桥可能表示太高的温度经历，允许焊锡液化太长时间，并使它流出焊盘和在相邻焊盘之间短路。空洞要求主观的评估。甚至当发现空洞时，焊点还可能足够地焊接在焊盘上。理想的条件是焊点内无空洞(void)。可是，空洞可能作为夹住的助焊剂穴

15、、污染和锡/铅或助焊剂在锡膏内不均匀分布出现。还有，弯曲的PCB可能造成不充分焊接的连接。开路的焊接点也可能存在。在许多情况中，只有PCA的斜视图才显示这些情况。一个俯视图，由于焊接密度，可能不反映出开路的焊盘/球连接点(图二)。可以容忍的和允许PCA正常功能的空洞数量与尺寸是关键问题。通常，允许单个空洞的大小达到锡球直径的50%，如果球是由回流的焊锡包住(图三)。电气接触是通过焊锡，如果球附着在焊盘，50%的空洞还可允许BGA工作，虽然是一个非常边缘的标准。虽然电 气性能可能不会削落，但温度和机械应力问题还应该考虑。由于来自正常环境使用的应力所造成的PCA的挠曲可造成一个有空洞朝焊盘/锡球连

16、接外边或大空洞的焊锡点裂开。X射线检查发现的大于BGA直径35%的或在焊点外的空洞应该看作不可接受。如果空洞完全被包住，锡点裂开是不可能的，因为应力一般会均匀地作用于焊盘/锡球焊点。不管怎么样，大于35%的锡球直径的空洞表示一个工艺过程有关的问题，不应该接受。PCB布局因为BGA的焊点的成功是与PCA有很大关系，所以在PCB布局方面必须考虑三个特别关键的地方。热管理PCA的布局必须考虑PCA的热质量。例如，在板的一个区域，BGA集中在一起可引起在回流炉中PCB反应的热不平衡。在回流期间，将整个板均匀地带到焊锡液相是重要的。在板的某个区域集中许多大的BGA，可能要求太多的加热，会造成PCA的较少

17、元件的区域烧坏元件。相反，如果PCA的较少元件区域达到更快的焊锡液相，助焊剂可能没有从BGA焊点中排出，引起空洞或者缺乏球到焊盘的熔化。旁通孔(via)旁通孔经常设计到PCA中。任何与BGA焊盘相邻的旁路孔必须很好地覆盖阻焊层。不覆盖阻焊层经常会引起温度稳定，会有过多的焊锡从焊盘流到旁路孔，引起焊盘与相邻旁通孔的短路(图四)。焊盘几何形状、直径小型化和更高的与芯片规模包装有关的排列密度对焊盘几何形状和直径有直接的影响。同样，BGA也出现不同的尺寸、形状和复杂性。包装尺寸的不断减少、焊盘的几何形状和直径将导致检查技术更高的清晰度。这也将不断形成与BGA/PCB焊点附着有关的问题。建议的接收标准一

18、个接收标准将帮助X射线检查系统确认许多典型的焊接问题，这些问题可能与BGA元件的使用有关。包括：空洞焊接空洞是由加热期间焊锡中夹住的化合物的膨胀所引起的。虽然有空洞的BGA焊接点可能表示会引起将来失效的工艺问题。焊接点中可接受的标准不应该超过锡球直径的20%，并且没有单个空洞出现在焊接点外表。多个空洞可能出现在焊点中，假设空洞的总和不超过锡球直径的20%。脱焊焊点不允许脱焊焊点。锡桥和短路当过多焊锡在接触点或者当焊锡放置不当时，经常发生桥接和短路。在接收标准中，不能存在短路或桥接的焊点，除非它们专门设计成底层电路或BGA。不对准X光图象将清楚地显示是否BGA球没有适当地对准PCB上的焊盘。不对

19、准是不允许的。开路和冷焊点当焊锡和相应的焊盘不接触或者焊锡不正确流动时，发生开路和冷焊点。这种情况不允许。不接触一旦元件已经贴装在PCB上，丢失或误放的焊锡和锡球是不允许的。X光评估含有BGA的PCA必须使用能够分辨至少小于100微米直径孔的X光系统来评估。X光系统必须能够允许在测单元(UUT, unit under test)从上往下和倾斜两个方向观察。使用实时X光检查来评估焊接点和保证一个高的过程合格率已经成为成功的BGA装配的一个必要元素。对于这些无引脚装配，X光为成功的焊接运行和可靠的焊点取得实际的认可。如果生产运行协调良好，使用现代回流炉，BGA的自我对中特性使得X光检查也将找不出太

20、多的缺陷。如果是这样，应该马上检查工艺过程，以决定是否和在哪里已经超过参数极限。结论X光检查系统是一个被证实的检查隐藏焊接点的工具，帮助建立和控制制造过程，分析产品原型和确认工艺错误。它们是有效的，可以快速确认面积排列包装的短路、开路、空洞和锡球在板上的不对准。那些有或将要在其生产过程中使用BGA包装的制造商，必须依靠实时X光评估作为建立和维持其高效、高品质水平的生产输出。随着更新的BGA形式与类似的元件进入装配工艺，为回流焊接的BGA焊接点的接收或拒绝建立合理的标准是重要的。BGA器件及其焊点的质量控制 华东计算机技术研究所胡志勇 随着科学技术的不断发展，现代社会与电子技术息息相关，超小型移

21、动电话、超小型步话机、便携式计算机、存储器、硬盘驱动器、光盘驱动器、高清晰度电视机等都对产品的小型化、轻型化提出了苛刻的要求。要达到达一目标，就必须在生产工艺、元器件方面着手进行深入研究。 SMT(Surface Mount Technology 表面安装)技术顺应了这一潮流，为实现电子产品的轻、薄、短、小打下了基础。SMT技术进入90年代以来，走向了成熟的阶段，但随着电子产品向便据式小型化、网络化和多媒体化方向的迅速发展，对电子组装技术提出了更高的要求，新的高密度组装技术不断涌现，其中BGA(Ball Grid Array 球栅阵列封装)就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。本文试图就

22、BGA器件的组装特点以及焊点的质量控制作一介绍。1BGA 技术简介BGA技术的研究始于60年代，最早被美国IBM公司采用，但一直到90年代初，BGA 才真正进入实用化的阶段。在80年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了更高的要求。虽然SMT使电路组装具有轻、薄、短、小的特点，对于具有高引线数的精细间距器件的引线间距以及引线共平面度也提出了更为严格的要求，但是由于受到加工精度、可生产性、成本和组装工艺的制约，一般认为 QFP(Quad Flat Pack 方型扁平封装)器件间距的极限为0.3mm，这就大大限制了高密度组装的发展。另外，由于精细间距QFP器件对组装工艺要求严格，使其应用受到

23、了限制，为此美国一些公司就把注意力放在开发和应用比QFP器件更优越的BGA器件上。精细间距器件的局限性在于细引线易弯曲、质脆而易断，对于引线间的共平面度和贴装精度的要求很高。 BGA技术采用的是一种全新的设计思维方式，它采用将圆型或者柱状点隐藏在封装下面的结构，引线间距大、引线长度短。这样， BGA就消除了精细间距器件中由于引线问题而引起的共平面度和翘曲的问题。JEDEC(电子器件工程联合会)(JC-11)的工业部门制定了BGA封装的物理标准，BGA与QFD相比的最大优点是I/O引线间距大，已注册的引线间距有1.0、1.27和1.5mm，而且目前正在推荐由1.27mm和1.5mm间距的BGA取

24、代0.4mm-0.5mm的精细间距器件。BGA器件的结构可按焊点形状分为两类：球形焊点和校状焊点。球形焊点包括陶瓷球栅阵列 CBGA(Ceramic Ball Grid Array)、载带自动键合球栅阵列 TBGA(Tape Automatec Ball Grid Array)塑料球栅阵列PBGA(Plastic Ball Array)。 CBGA、TBGA和PBGA是按封装方式的不同而划分的。柱形焊点称为CCGA(Ceramic Column Grid Array)。BGA技术的出现是IC器件从四边引线封装到阵列焊点封装的一大进步，它实现了器件更小、引线更多，以及优良的电性能，另外还有一些超

25、过常规组装技术的性能优势。这些性能优势包括高密度的I/O接口、良好的热耗散性能，以及能够使小型元器件具有较高的时钟频率。由于BGA器件相对而言其间距较大，它在再流焊接过程中具有自动排列定位的能力，所以它比相类似的其它元器件，例如QFP，操作便捷，在组装时具有高可靠性。据国外一些印刷电路板制造技术资料反映， BGA器件在使用常规的SMT工艺规程和设备进行组装生产时，能够始终如一地实现缺陷率小于20(PPM)，而与之相对应的器件，例如QFP，在组装过程中所形成的产品缺陷率至少要超过其10倍。综上所述， BGA器件的性能和组装优于常规的元器件，但是许多生产厂家仍然不愿意投资开发大批量生产BGA器件的

26、能力。究其原因主要是BGA器件焊接点的测试相当困难，不容易保证其质量和可靠性。2BGA器件焊接点检测中存在的问题目前，对以中等规模到大规模采用BGA器件进行电子组装的厂商，主要是采用电子测试的方式来筛选BGA器件的焊接缺陷。在BGA器件装配期间控制装配工艺过程质量和鉴别缺陷的其它办法，包括在焊剂漏印(Paste Screening)上取样测试和使用X射线进行装配后的最终检验，以及对电子测试的结果进行分析。满足对BGA器件电子测试的评定要求是一项极具挑战性的技术，因为在BGA器件下面选定溯试点是困难的。在检查和鉴别BGA器件的缺陷方面，电子测试通常是无能为力的，这在很大程度上增加了用于排除缺陷和

27、返修时的费用支出。据一家国际一流的计算机制造商反映，从印刷电路板装配线上剔除的所有BGA器件中的50以上，采用电子测试方式对其进行测试是失败的，它们实际上并不存在缺陷，因而也就不应该被剔除掉。电子测试不能够确定是否是BGA器件引起了测试的失效，但是它们却因此而被剔除掉。对其相关界面的仔细研究能够减少测试点和提高测试的准确性，但是这要求增加管芯级电路以提供所需的测试电路。在检测BGA器件缺陷过程中，电子测试仅能确认在BGA连接时，判断导电电流是通还是断?如果辅助于非物理焊接点测试，将有助于组装工艺过程的改善和SPC(Statistical Process Control统计工艺控制)。BGA器件

28、的组装是一种基本的物理连接工艺过程。为了能够确定和控制这样一种工艺过程的质量，要求了解和测试影响其长期工作可靠性的物理因素，例如：焊料量、导线与焊盘的定位情况，以及润湿性，否则试图单单基于电子测试所产生的结果进行修改，令人格忧。3 BGA器件检测方式的探索测试 BGA器件连接点的物理特性和确定如何才能始终如一地在装配工艺过程中形成可靠连接的能力，在开始进行工艺过程研究期间显得特别的重要。这些测试所提供的反馈信息影响到每个工艺过程的调整，或者要变动焊接点的参数。物理测试能够表明焊剂漏印的变化情况，以及BGA器件连接点在整个再流工艺过程中的情况，也可以表明在一块板上所有BGA的情况，以及从一块板到

29、另一块板的BGA情况。举例来说，在再流焊接期间，极度的环境湿度伴随着冷却时间的变化，将在BGA焊接点的空隙数量和尺寸大小上迅速反映出来。在BGA器件生产好以后，大量的测试对于组装过程控制而言仍然是关键，但是可以考虑降低检查的深入程度。可以用于对整个BGA器件组装工艺过程进行精确测量和质量检测的检验设备非常少，自动化的激光检测设备能够在元器件贴装前测试焊剂的涂覆情况，但是它们的速度缓慢，不能用来检验BGA器件焊接点的再流焊接质量。目前许多生产厂商用于分析电子测试结果的X射线设备，也存在能否测试BGA器件焊接点再流焊特性的问题。采用X射线装置，在焊盘层焊料的图象是“阴影”，这是由于在焊接点焊料处在

30、它上方的缘故。在不可拆( non-collapsible) BGA器件中，由于前置焊球的缘故，也会出现“阴影”现象。例如：当BGA中接触点升浮在印刷电路板焊盘的上方，产生断路现象时，由于前面的前置焊球使得确定这一现象显得非常困难。这是由于焊料或者前置焊球所引发的“阴影”效果限制了X射线设备的检测工作，使之仅能粗略地反映BGA的工艺过程缺陷，例如：桥接现象。同时也影响到检测边缘部份的工艺缺陷，像焊料不足，或者由于污染引起的断路现象。仅有横截面X射线检测技术，例如:X射线分层法，能够克服上述条件的制约。横截面X射线检测技术具有能够查出隐藏的焊接点缺陷的能力，通过对焊盘层焊接点的聚焦，能够揭示出BG

31、A焊接点的连接情况。在同样的情况下，采用X射线设各所获得的图像中，实际情况可能被隐藏掉了，从而不能够反映出真实的情况。焊料的数量以及它在连接点的分布情况，通过在BGA连接点的二个或更多个不同的高度(例如：在印制电路板焊盘接触面，在元器件接触面，或者在元器件和印刷电路板之间的一半高度)所产生的横截面图像或者“水平切片”予以直接测量，再结合同类BGA连接点的多次切片测量，能够有效地提供三维测试，可以在对BGA连接点不进行物理横截面操作的情况下进行检测。根据BGA连接点的常规结构，在每个横截面X射线图像“切片”内，具体连接点的特征被进行分离并予于以测量，从而提供定量的统计工艺控制(SPC)测量，SPC测量能够用于追踪过程偏移，以及将其特征归入对应的缺陷范畴。如图1所示，超过三个图像切片就能够获得不可拆BGA的焊接点情况，在图1中“印刷电路权焊料切片”中心定位于印刷电路板焊盘界面上，低共熔点焊料焊接轮廓内，“焊料球切片”中心定位引线焊球( lead solder ball)内，“元器件焊盘切片”中心定位于元器件界面的低共熔点焊料焊接轮廓线内。可拆卸BGA焊接点，通过两个或者更少的图像“切片”就可以反映其全部特征，图像“切片”中心可以定价于印刷电路板的焊盘界面处，也可以是在元器件界面处或者仅仅是