簡析BGA封裝技術與質量控制

　　ＳＭＴ（Surface Mount Technology)表面安裝技術順應了電子產品小型化、輕型化的潮流趨勢，為實現電子產品的輕、薄、短、小打下了基礎。
　　ＳＭＴ技術進入９０年代以來，走向了成熟的階段，但隨著電子產品向便攜式／小型化、網絡化和多媒體化方向的迅速發展，對電子組裝技術提出了更高的要求，新的高密度組裝技術不斷涌現，其中ＢＧＡ（Ball Grid Array球柵陣列封裝)就是一項已經進入實用化階段的高密度組裝技術。本文將就ＢＧＡ器件的組裝特點以及焊點的質量控制作一介紹。
　　一、ＢＧＡ 技術簡介
　　ＢＧＡ技術的研究始于６０年代，最早被美國ＩＢＭ公司采用，但一直到９０年代初，ＢＧＡ 才真正進入實用化的階段。
　　在８０年代，人們對電子電路小型化和I/O引線數提出了更高的要求。為了適應這一要求，ＱＦＰ的引腳間距目前已從1.27mm發展到了0.3mm。由于引腳間距不斷縮小，I/O數不斷增加，封裝體積也不斷加大，給電路組裝生產帶來了許多困難，導致成品率下降和組裝成本的提高。另方面由于受器件引腳框架加工精度等制造技術的限制，０．３ｍｍ已是ＱＦＰ引腳間距的極限，這都限制了組裝密度的提高。于是一種先進的芯片封裝ＢＧＡ（Ball Grid Array）應運而生，ＢＧＡ是球柵陣列的英文縮寫，它的Ｉ／Ｏ端子以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面，引線間距大，引線長度短，這樣ＢＧＡ消除了精細間距器件中由于引線而引起的共面度和翹曲的問題。ＢＧＡ技術的優點是可增加Ｉ／Ｏ數和間距，消除ＱＦＰ技術的高Ｉ／０數帶來的生產成本和可靠性問題。
　　ＪＥＤＥＣ（電子器件工程聯合會）（ＪＣ－１１）的工業部門制定了ＢＧＡ封裝的物理標準，ＢＧＡ與ＱＦＰ相比的最大優點是Ｉ／Ｏ引線間距大，已注冊的引線間距有１．０、１．２７和１．５ｍｍ，而且目前正在推薦由１．２７ｍｍ和１．５ｍｍ間距的ＢＧＡ取代０．４ｍｍ－０．５ｍｍ的精細間距器件。
　　ＢＧＡ器件的結構可按焊點形狀分為兩類：球形焊點和柱狀焊點。球形焊點包括陶瓷球柵陣列 ＣＢＧＡ（Ceramic Ball Grid Array）、載帶自動鍵合球柵陣列 ＴＢＧＡ（Tape Automatec Ball Grid Array）塑料球柵陣列ＰＢＧＡ（Plastic Ball Array）。 ＣＢＧＡ、ＴＢＧＡ和ＰＢＧＡ是按封裝方式的不同而劃分的。柱形焊點稱為ＣＣＧＡ(Ceramic Column Grid Array)。
　　ＢＧＡ技術的出現是ＩＣ器件從四邊引線封裝到陣列焊點封裝的一大進步，它實現了器件更小、引線更多，以及優良的電性能，另外還有一些超過常規組裝技術的性能優勢。這些性能優勢包括高密度的Ｉ／Ｏ接口、良好的熱耗散性能，以及能夠使小型元器件具有較高的時鐘頻率。
　　由于ＢＧＡ器件相對而言其間距較大，它在再流焊接過程中具有自動排列定位的能力，所以它比相類似的其它元器件，例如ＱＦＰ，操作便捷，在組裝時具有高可靠性。據國外一些印刷電路板制造技術資料反映， ＢＧＡ器件在使用常規的ＳＭＴ工藝規程和設備進行組裝生產時，能夠始終如一地實現缺陷率小于２０ＰＰＭ（Parts Per Million，百萬分率缺陷數），而與之相對應的器件，例如ＱＦＰ，在組裝過程中所形成的產品缺陷率至少要超過其１０倍。
　　綜上所述，ＢＧＡ器件的性能和組裝優于常規的元器件，但是許多生產廠家仍然不愿意投資開發大批量生產ＢＧＡ器件的能力。究其原因主要是ＢＧＡ器件焊接點的測試相當困難，不容易保證其質量和可靠性。
　　二、ＢＧＡ器件焊接點檢測中存在的問題
　　目前，對以中等規模到大規模采用ＢＧＡ器件進行電子組裝的廠商，主要是采用電子測試的方式來篩選ＢＧＡ器件的焊接缺陷。在ＢＧＡ器件裝配期間控制裝配工藝過程質量和鑒別缺陷的其它辦法，包括在焊劑漏印（paste Screening)上取樣測試和使用Ｘ射線進行裝配后的最終檢驗，以及對電子測試的結果進行分析。
　　滿足對ＢＧＡ器件電子測試的評定要求是一項極具挑戰性的技術，因為在ＢＧＡ器件下面選定測試點是困難的。在檢查和鑒別ＢＧＡ器件的缺陷方面，電子測試通常是無能為力的，這在很大程度上增加了用于排除缺陷和返修時的費用支出。
　　據一家國際一流的計算機制造商反映，從印刷電路板裝配線上剔除的所有ＢＧＡ器件中的５０％以上，采用電子測試方式對其進行測試是失敗的，它們實際上并不存在缺陷，因而也就不應該被剔除掉。電子測試不能夠確定是否是ＢＧＡ器件引起了測試的失效，但是它們卻因此而被剔除掉。對其相關界面的仔細研究能夠減少測試點和提高測試的準確性，但是這要求增加管芯級電路以提供所需的測試電路。
　　在檢測ＢＧＡ器件缺陷過程中，電子測試僅能確認在ＢＧＡ連接時，判斷導電電流是通還是斷﹖如果輔助于非物理焊接點測試，將有助于組裝工藝過程的改善和ＳＰＣ（Statistical Process Control統計工藝控制　。
　　ＢＧＡ器件的組裝是一種基本的物理連接工藝過程。為了能夠確定和控制這樣一種工藝過程的質量，要求了解和測試影響其長期工作可靠性的物理因素，例如：焊料量、導線與焊盤的定位情況，以及潤濕性，不能單單基于電子測試所產生的結果就進行修改。
　　三、ＢＧＡ檢測方法的探討
　　目前市場上出現的ＢＧＡ封裝類型主要有：ＰＢＧＡ（塑料ＢＧＡ）、ＣＢＧＡ（陶瓷ＢＧＡ）及ＴＢＧＡ（載帶ＢＧＡ）。封裝工藝中所要求的主要性能有：封裝組件的可靠性；與ＰＣＢ的熱匹配性能；焊球的共面性；對熱、濕氣的敏感性；是否能通過封裝體邊緣對準，以及加工的經濟性能。需指出的是，ＢＧＡ基板上的焊球不論是通過高溫焊球（９０Ｐｂ／１０Ｓｎ）轉換，還是采用球射工藝形成，焊球都有可能掉下丟失，或者成型過大、過小，或者發生焊球連、缺損等情況。因此，需要對ＢＧＡ焊接后質量情況的一些指標進行檢測控制。
　　目前常用的ＢＧＡ檢測技術有電測試、邊界掃描及Ｘ射線檢測。
　　·電測試 傳統的電測試，是查找開路與短路缺陷的主要方法。其唯一的目的是在板的預制點進行實際的電連接，這樣便可以撮合一個使信號流入測試板、數據流入ＡＴＥ的接口。如果印制電路板有足夠的空間設定測試點，系統就能快速、有效地查找到開路、短路及故障元件。系統也可檢查元件的功能。測試儀器一般由微機控制，檢測不同ＰＣＢ時，需要相應的針床和軟件。對于不同的測試功能，該儀器可提供相應工作單元來進行檢測。例如，測試二極管、三極管時用直流電平單元，測試電容、電感時用交流單元，而測試低數值電容及電感、高阻值電阻時用高頻信號單元。
　　·邊界掃描檢測 邊界掃描技術解決了一些與復雜元件及封裝密度有關的搜尋問題。采用邊界掃描技術，每一個ＩＣ元件設計有一系列寄存器，將功能線路與檢測線路分離開，并記錄通過元件的檢測數據。測試通路檢查ＩＣ元件上每一個焊接點的開路、短路情況。基于邊界掃描設計的檢測端口，通過邊緣連接器給每一個焊點提供一條通路，從而免除全節點查找的需要。盡管邊界掃描提供了比電測試更廣的不可見焊點檢測專門設計印制電路板與ＩＣ元件。電測試與邊界掃描檢測都主要用以測試電性能，卻不能較好檢測焊接的質量。為提高并保證生產過程的質量，必須找尋其它方法來檢測焊接質量，尤其是不可見焊點的質量。
　　·Ｘ射線測試 有效檢測不可見焊點質量的方法是Ｘ射線檢測，該檢測方法基于Ｘ射線不能象透過銅、硅等材料一樣透過焊料的思想。換言之，Ｘ射線透視圖可顯示焊接厚度、形狀及質量的密度分布。厚度與形狀不僅是反映長期結構質量的指標，在測定開路、短路缺陷及焊接不足方面，也是很好的指標。此技術有助于收集量化的過程參數，這些補充數據有助于降低新產品開發費用，縮短投放市場的時間。
　　①Ｘ射線圖象檢測原理 Ｘ射線由一個微焦點Ｘ射線管產生，穿過管殼內的一個鈹管，并投射到實驗樣品上。樣品對Ｘ射線的吸收率或透射率取決于樣品所包含材料的成分與比率。穿過樣品的Ｘ射線的吸收率或Ｘ射線敏感板上的磷涂層，并激出發光子，這些光子隨后被攝像機探測到，然后對該信號進行處理放大，有計算機進一步分析或觀察。不同的樣品材料對Ｘ射線具有不同的不透明系數，處理后的灰度圖像顯示了被檢查的物體密度或材料厚度的差異。
　　②人工Ｘ射線檢測 使用人工Ｘ射線檢測設備，需要逐個檢查焊點并確定其是否合格。該設備配有手動或電動輔助裝置使組件傾斜，以便更好地進行檢測和攝像。但通常的目視檢測要求培訓操作人員，并且易于出錯。此外，人工設備并不適合對全部焊點進行檢測，而只適合作工藝鑒定和工藝故障分析。
　　③自動檢測系統 全自動系統能對全部焊點進行檢測。雖然已定義了人工檢測標準，但全自動系統的檢測正確度比人工Ｘ射線檢測方法高得多。自動檢測系統通常用于產量高且品種少的生產設備上。具有高價值或要求可靠性的產品與需要進行自動檢測。檢測結果與需要返修的電路板一起送給返修人員。這些結果還能提供相關的統計資料，用于改進生產工藝。
　　自動Ｘ射線分層系統使用了三維剖面技術。該系統能檢測單面或雙面表面貼裝電路板，而沒有傳統的Ｘ射線系統的局限性。系統通過軟件定義了所要檢查焊點的面積和高度，把焊點剖成不同的截面，從而為全部檢測建立完整的剖面圖。
　　目前已有兩種檢測焊接質量的自動測試系統上市：傳輸Ｘ射線測試系統與斷面Ｘ射線自動測試系統。傳輸Ｘ射線測試系統源于Ｘ射線束沿通路復合吸收的特性。對ＳＭＴ的某些焊接，如單面ＰＣＢ上的Ｊ型引線與微間距ＱＦＰ，傳輸Ｘ射線系統是測定焊接質量最好的辦法，但它卻不能區分垂直重疊的特征。因此，在傳輸Ｘ射線透視圖中，ＢＧＡ元件的焊縫被其引線的焊球遮蔽。對于ＲＦ屏蔽之下的雙面密集型ＰＣＢ及元器件的不可見焊接，也存在這類問題。
　　斷面Ｘ射線自動測試系統克服了傳輸Ｘ射線測試系統的眾多問題。它設計了一個聚焦斷面，并通過上下平面散焦的方法，將ＰＣ的水平區域分開。該系統的成功在于只需較短的測試開發時間，就能準確檢查焊接點。但斷面Ｘ射線測試系統提供了一種非破壞性的測試方法，可檢測所有類型的焊接質量，并獲得有價值的調整裝配工藝的信息。
　　④選擇合適的Ｘ射線檢測系統
　　選擇適合實際生產中應用的、有較高性能價格比的Ｘ射線檢測系統以滿足控制需求是一項十分重要的工作。最近較新出現的超高分辨率Ｘ射線系統在檢測分析缺陷方面已達微米水平，為生產線上發現較隱蔽的質量問題（包括焊接缺陷）提供了較全面的、比較省時的解決方案。在決定購買檢測Ｘ射線系統之前，一定要了解系統在實際生產中的應用方面及所要達到的功能，以便于確定系統所需的最小分辨率，與此同時也就決定了所要購置的系統的大致價格。當然，設備的放置、人員的配置等因素也要在選購時通盤考慮。
　　四、ＢＧＡ的返修
　　由于ＢＧＡ封裝形式與傳統的表面元件不同，其引腳分布在元件體底部，所以ＢＧＡ的維修方式也不同于傳統的表面元件。
　　ＢＧＡ返修工藝主要包括以下幾步：
　　１． 電路板，芯片預熱
　　２． 拆除芯片
　　３． 清潔焊盤
　　４． 涂焊錫膏，助焊劑
　　５． 貼片
　　６． 熱風回流焊
　　１）電路板，芯片預熱的主要目的是將潮氣去除，如果電路板和芯片的潮氣很小（如芯片剛拆封，這一步可以免除）。
　　２）拆除的芯片如果不打算重新使用，而且電路板可承受高溫，拆除芯片可采用較高的溫度（較短的加熱周期）。
　　３）清潔焊盤主要是將拆除芯片后留在ＰＣＢ表面的助焊劑，焊錫膏清理掉，必須使用符合要求的清潔劑。為了保證ＢＧＡ的焊接可靠性，一般不能使用焊盤上舊的殘留焊錫膏，必須將舊的焊錫膏清除掉，除非芯片上重新形成ＢＧＡ焊錫球。由于ＢＧＡ芯片體積小，特別是ＣＳＰ芯片體積更小，清潔焊盤比較困難，所以在返修ＣＳＰ芯片時，如果ＣＳＰ的周圍空間很小，就需使用非清洗焊劑。
　　４）在ＰＣＢ上涂焊錫膏對于ＢＧＡ的返修結果有重要影響。為了準確均勻方便地涂焊錫膏，美國ＯＫ集團提供ＭＳ－１微型焊錫膏印板系統。通過選用與芯片相符的模板，可以很方便地將焊錫膏涂在電路板上。選擇模板時，應注意ＢＧＡ芯片會比ＣＢＧＡ芯片的模板厚度薄，因為它們所需要的焊錫膏量不同。用ＯＫ集團的ＢＧＡ３０００設備或ＭＰ－２０００微型光學對中系統可以方便地檢驗焊錫膏是否涂的均勻。處理ＣＳＰ芯片，有３種焊錫膏可以選擇，ＲＭＡ焊錫膏，非清洗焊錫膏，水劑焊錫膏。使用ＲＭＡ焊錫膏，回流時間可略長些，使用非清洗焊錫膏，回流溫度應選的低些。
　　５）貼片的主要目的是使ＢＧＡ芯片上的每一個焊錫球與ＰＣＢ上每一個對應的焊點對正。由于ＢＧＡ芯片的焊點位于肉眼不能觀測到的部位，所以必須使用專門的設備來對中。ＯＫ集團制造的ＢＧＡ３０００和ＭＰ－２０００設備可以精確地完成這些任務。
　　６）熱風回流焊是整個返修工藝的關鍵。其中，有幾個問題比較重要：
　　芯片返修回流焊的曲線應當與芯片的原始焊接曲線接近，使用ＯＫ集團的ＢＧＡ３０００可以保證作到這點。它的熱風回流焊曲線可分成四個區間：預熱區，加熱區，回流區，冷卻區，四個區間的溫度、時間參數可以分別設定，通過與計算機連接，可以將這些程序存儲和隨時調用。
　　在回流焊過程中要正確選擇個區的加熱溫度和時間，同時應注意升溫的速度，一般，在１００℃以前，最大的升溫速度不超過６℃／秒，１００℃以后最大的升溫速度不超過３℃／秒，在冷卻區，最大的冷卻速度不超過６℃／秒。因為過高的升溫和降溫速度有可能損壞ＰＣＢ和芯片，這種損壞有時是肉眼不能觀察到的。ＯＫ集團的ＢＧＡ返修設備可以利用計算機方便地對此進行選擇。不同的芯片，不同的焊錫膏，應選擇不同的加熱溫度和時間。如ＣＢＧＡ芯片的回流溫度應高于ＰＢＧＡ的回流溫度，９０Ｐｂ／１０Ｓｎ應較７３Ｐｂ／Ｓｎ焊錫膏選用更高的回流溫度。
　　熱風回流焊中，ＰＣＢ板的底部必須能夠加熱。這種加熱的目的有兩個：避免由于ＰＣＢ板的單面受熱而產生翹曲和變形，使焊錫膏溶化的時間縮短。對大尺寸板返修ＢＧＡ，這種底部加熱尤其重要。ＯＫ集團的ＢＧＡ返修設備的底部加熱有兩種：一種是熱風加熱，一種是紅外加熱。熱風加熱的優點是加熱均勻，一般返修工藝建議采用這種加熱。紅外加熱的優點是溫度升高快，但缺點是ＰＣＢ受熱不均勻。
　　要選擇好的熱風回流噴嘴。熱風回流噴嘴屬于非接觸式加熱，加熱時依靠高溫空氣流使ＢＧＡ芯片上的各焊點的焊錫同時溶化。美國ＯＫ集團首先發明這種噴嘴，它將ＢＧＡ元件密封，保證在整個回流過程中有穩定的溫度環境，同時可保護相鄰元件不被對流熱空氣加熱損壞。