00220BGA檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量控制

1、bga檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量控制摘要：從生產(chǎn)過(guò)種中的質(zhì)量控制角度出發(fā)，探討了目前一些生產(chǎn)中應(yīng)用于球柵封裝（bga）的檢測(cè)方法和實(shí)用系統(tǒng)，詳細(xì)倫述x射線檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及原理及研究應(yīng)用狀況，指出掌握和提高檢測(cè)技術(shù)，將能有效控制bga的焊接和組裝質(zhì)量。關(guān)鍵詞：表面組裝技術(shù)；球柵陣列封裝；x射線；質(zhì)量控制 bga技術(shù)是將原來(lái)器件 plcc/qfp封裝的“ j”形或翼形引線，改變成球形引腳；把從器件本體四周“單線性 ”順列引出的引線，改變成本體腹底之下“全平面 ”式的格柵陣排列。這樣既可以疏散引腳間距，又能夠增加引腳數(shù)目。同時(shí) bga封裝還有如下一些優(yōu)點(diǎn)；減少引腳缺陷，改善共面問(wèn)題，減小引線間電感及電容，增強(qiáng)電

2、性能及散熱性能。正因如此，所以在電子元器件封裝領(lǐng)域中， bga技術(shù)被廣泛應(yīng)用。尤其是近些年來(lái)，以 bga技術(shù)封裝的元器件在市場(chǎng)上大量出現(xiàn)，并呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。雖然 bga技術(shù)在某些方面有所突破，但并非是十全十美的。由于 bga封裝技術(shù)是一種新型封裝技術(shù)，與 qfp技術(shù)相比，有許多新技術(shù)指標(biāo)需要得到控制。另外，它焊裝后焊點(diǎn)隱藏在封裝之下，不可能 100目測(cè)檢測(cè)表面安裝的焊接質(zhì)量，為 bga安裝質(zhì)量控制提出了難題。下面就國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)應(yīng)用動(dòng)態(tài)作些介紹和探討。 1. bga焊前檢測(cè)與質(zhì)量控制生產(chǎn)中的質(zhì)量控制非常重要，尤其是在 bga封裝中，任何缺陷都會(huì)導(dǎo)致 bga封裝元器件在印制電

3、路板焊裝過(guò)程出現(xiàn)差錯(cuò)，會(huì)在以后的工藝中引發(fā)質(zhì)量問(wèn)題。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；焊料球的共面性；對(duì)熱、濕氣的敏感性；是否能通過(guò)封裝體邊緣對(duì)準(zhǔn)性，以及加工的經(jīng)濟(jì)性等。需指出的是， bga基板上的焊球無(wú)論是通過(guò)高溫焊球（90pb/10sn）轉(zhuǎn)換，還是采用球射工藝形成，焊球都有可能掉下丟失，或者形成過(guò)大、過(guò)小，或者發(fā)生焊料橋接、缺損等情況。因此，在對(duì) bga進(jìn)行表面貼裝之前，需對(duì)其中的一些指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)控制。英國(guó) scantron 公司研究和開(kāi)發(fā)的 proscan1000,用于檢查焊料球的共面性、封裝是否變形以及所有的焊料球是否都在。 proscan1000

4、采用三角激光測(cè)量法，測(cè)量光束下的物體沿 x軸和 y軸移動(dòng)，在 z軸方向的距離，并將物體的三維表面信息進(jìn)行數(shù)字化處理，以便分析和檢查。該軟件以 2000點(diǎn)/s的速度掃描 100萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直到亞微米級(jí)。掃描結(jié)果以水平、等量和截面示圖顯示在高分辯率 vga監(jiān)視器上。 prosan1000還能計(jì)算表面粗糙度參數(shù)、體積、表面積和截面積。 2. bga焊后質(zhì)量檢測(cè)使用球柵陣列封裝（ bga）器給質(zhì)量檢測(cè)和控制部門帶來(lái)難題：如何檢測(cè)焊后安裝質(zhì)量。由于這類器件焊裝后，檢測(cè)人員不可能見(jiàn)到封裝材料下面的部分，從而使用目檢焊接質(zhì)量成為空談。其它如板截芯片（ oob）及倒裝芯片安裝等新技術(shù)也面臨著同樣的問(wèn)題。而且與

5、 bga器件類似， qfp器件的 rf屏蔽也擋住了視線，使目檢者看不見(jiàn)全部焊點(diǎn)。為滿足用戶對(duì)可靠性的要求，必須解決不可見(jiàn)焊點(diǎn)的檢測(cè)問(wèn)題。光學(xué)與激光系統(tǒng)的檢測(cè)能力與目檢相似，因?yàn)樗鼈兺瑯有枰暰€來(lái)檢測(cè)。即使使用 qfp自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) aoi (automated optical inspection)也不能判定焊接質(zhì)量，原因是無(wú)法看到焊接點(diǎn)。為解決這些問(wèn)題，必須尋求其它檢測(cè)辦法。目前的生產(chǎn)檢測(cè)技術(shù)有電測(cè)試、邊界掃描及 x射線檢測(cè)。 2.1電測(cè)試傳統(tǒng)的電測(cè)試是查找開(kāi)路與短路缺陷的主要方法。其唯一目的是在板的預(yù)置點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際的電連接，這樣便可以提供使信號(hào)流入測(cè)試板、數(shù)據(jù)流入 ate的接口。如果印制電路板

6、有足夠的空間設(shè)定測(cè)試點(diǎn)，系統(tǒng)也可檢查器件的功能。測(cè)試儀器一般由微機(jī)控制，檢測(cè)每塊 pcb時(shí)，需要相應(yīng)的針床和軟件。對(duì)于不同的測(cè)試功能，該儀器可提供相應(yīng)工作單元來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。例如，測(cè)試二極管、三極管直流電平單元；測(cè)試電容、電感時(shí)用交流單元；而測(cè)試低數(shù)值電容、電感及高阻值電阻時(shí)用高頻信號(hào)單元。但在封裝密度與不可見(jiàn)焊點(diǎn)數(shù)量都大量增加時(shí)，尋找線路節(jié)點(diǎn)則變得昂貴、不可靠。 2.2 邊界掃描檢測(cè)邊界掃描技術(shù)解決了一些與復(fù)雜器件及封裝密度有關(guān)的問(wèn)題。采用邊界掃描技術(shù)，每一個(gè) ic器件設(shè)計(jì)有一系列寄存器，將功能線路與檢測(cè)線路分離開(kāi)，并記錄通過(guò)器件的檢測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)試通路檢查 ic器件上每一個(gè)焊接點(diǎn)的開(kāi)路、短路情況。

7、基于邊界掃描設(shè)計(jì)的檢測(cè)端口，通過(guò)邊緣連接器給每個(gè)焊點(diǎn)提供一條通路，從而免除全節(jié)點(diǎn)查找的需要。盡管邊界掃描提供了比電測(cè)試更廣的不可見(jiàn)焊點(diǎn)檢測(cè)范圍，但也必須為掃描檢測(cè)專門設(shè)計(jì)印制電路板與 ic器件。電測(cè)試與邊界掃描檢測(cè)主要用以測(cè)試電性能，卻不能較好地檢測(cè)焊接質(zhì)量。為提高并保證生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量，必須尋找其它方法來(lái)檢測(cè)焊接質(zhì)量，尤其是不可見(jiàn)焊點(diǎn)的質(zhì)量。 2.3 x射線測(cè)試另一種檢測(cè)方法是 x射線檢測(cè)法，換言之， x射線透視圖可顯示焊接厚度、形狀及質(zhì)量的密度分布。厚度與形狀不僅是反映長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)質(zhì)量的指標(biāo)，在測(cè)定開(kāi)路、短路缺陷及焊接不足方面，也是很好的指標(biāo)。此技術(shù)有助于收集量化的過(guò)程參數(shù)并檢測(cè)缺陷。在今天這

8、個(gè)生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，這些補(bǔ)充數(shù)據(jù)有助于降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用，縮短投放市場(chǎng)的時(shí)間。（1）x射線圖像檢測(cè)原理 x射線由一個(gè)微焦點(diǎn) x射線管產(chǎn)生，穿過(guò)管殼內(nèi)的一個(gè)鈹窗，并投射到試驗(yàn)樣品上。樣品對(duì) 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(guò)樣品的 x射線轟擊到 x射線敏感板上的磷涂層，并激發(fā)出光子，這些光子隨后被攝像機(jī)探測(cè)到，然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理放大，由計(jì)算機(jī)進(jìn)一步分析或觀察。不同的樣品材料對(duì) x射線具有不同的不透明系數(shù)見(jiàn)表 2.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。表2不同材料對(duì) x射線的不透明度系數(shù)材料（2）人工 x射線檢測(cè)使用人工 x射線檢測(cè)設(shè)備，需要逐個(gè)檢查焊點(diǎn)

9、并確定其是否合格。該設(shè)備配有手動(dòng)或電腦轉(zhuǎn)輔助裝置使組件傾斜，以便更好地進(jìn)行檢測(cè)和攝像。詳細(xì)定義的標(biāo)準(zhǔn)或目視檢測(cè)圖表可指導(dǎo)評(píng)估圖像。但通常的目視檢測(cè)要求培訓(xùn)操作人員，并且容易出錯(cuò)。此外，人工設(shè)備并不適合對(duì)全部焊點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，而只適合工藝鑒定和工藝故障分析。（3）自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)全自動(dòng)系統(tǒng)能對(duì)全部焊點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。雖然已定義了人工檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但全自動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)測(cè)正確度比人工 x射線檢測(cè)方法高得多。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通常用于產(chǎn)量高且品種少的生產(chǎn)設(shè)備上，具有高價(jià)值或要求可靠性的產(chǎn)品也需要進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果與需要返修的電路板一起送給返修人員。這些結(jié)果還能提供相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料，用于改進(jìn)生產(chǎn)工藝。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)需要設(shè)置正確的檢

10、測(cè)參數(shù)。大多數(shù)新系統(tǒng)的軟件中都定義了檢測(cè)指標(biāo)，但必須重新制訂，要適應(yīng)以生產(chǎn)工藝中所特有的因素。否則可能錯(cuò)誤的信息并且降低系統(tǒng)的可靠性。自動(dòng) x射線分層系統(tǒng)使用了三維剖面技術(shù)。該系統(tǒng)能夠檢測(cè)單面板和雙面板表面貼裝電路板，而沒(méi)有傳統(tǒng)的 x射線系統(tǒng)的局限性。系統(tǒng)通過(guò)軟件定義了所要檢查焊點(diǎn)的面積和高度，把焊點(diǎn)剖成不同的截面，從而為全部檢測(cè)建立完整的剖面圖。目前已有兩種檢測(cè)焊接質(zhì)量的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)上市：傳輸 x射線測(cè)試系統(tǒng)與斷面 x射線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。傳輸 x射線系統(tǒng)源于 x射線束沿通路復(fù)合吸收的特性。對(duì) smt的某些焊接，如單面 pcb上的 j型引線與細(xì)間距 qfp，傳輸 x射線系統(tǒng)是測(cè)定焊接質(zhì)量最好的

11、方法，但它卻不能區(qū)分垂直重疊的特征。因此，傳輸 x射線透視圖中， bga器件的焊縫被其引線的焊球遮掩。對(duì)于 rf屏蔽之下的雙面密集型 pcb及元器件的不可見(jiàn)焊接，也存在這類問(wèn)題。斷面 x射線測(cè)試系統(tǒng)克服了傳輸 x射線測(cè)試系統(tǒng)的眾多問(wèn)題。它設(shè)計(jì)了一個(gè)聚焦斷面，并通過(guò)使目標(biāo)區(qū)域上下平面散焦的方法，將 pcb的水平區(qū)域分開(kāi)。該系統(tǒng)的成功在于只需較短的測(cè)試開(kāi)發(fā)時(shí)間，就能準(zhǔn)確檢測(cè)出焊接缺陷。就多數(shù)線路板而言，“無(wú)夾具”也有助于減少在產(chǎn)品檢測(cè)上所花的精力。對(duì)于小體積的復(fù)雜產(chǎn)品，制造廠商最好使用斷面 x射線測(cè)試系統(tǒng)。雖然所有方法都可檢查焊接點(diǎn)，但斷面 x射線測(cè)試系統(tǒng)提供了一種非破壞性的測(cè)試方法，可檢測(cè)所有類

12、型的焊接質(zhì)量，并獲得有價(jià)值的調(diào)整組裝工藝的信息。（4）選擇合適的 x射線檢測(cè)系統(tǒng)選擇適合實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的。有較高性能價(jià)格比 x射線檢測(cè)系統(tǒng)以滿足質(zhì)量控制需要是一項(xiàng)十分重要的工作。最近較新的超高分辯率 x射線系統(tǒng)在檢測(cè)及分析缺陷方面已達(dá)微米水平，為生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)較隱蔽的質(zhì)量問(wèn)題（包括焊接缺陷）提供了較全面的、也比較省時(shí)的解決方案。在決定購(gòu)買檢測(cè) x射線系統(tǒng)之前。一定要了解系統(tǒng)所需的最小分辯率，見(jiàn)表 3。與些同時(shí)也就決定了所要購(gòu)置的系統(tǒng)的大致價(jià)格。當(dāng)然，設(shè)備放置、人員配備等因素也要在選購(gòu)時(shí)全盤考慮。表3不同分辯能力的 x射線系統(tǒng)的應(yīng)用 4結(jié)束語(yǔ)隨著 bga封裝器件的出現(xiàn)并大量進(jìn)入市場(chǎng)，針對(duì)高封裝密度、

13、焊點(diǎn)不可見(jiàn)等特點(diǎn)，電子廠商為控制 bgas的焊裝質(zhì)量，需充分應(yīng)用高科技工具、手段，努力掌握和大力提高檢測(cè)技術(shù)水平。使用新的工藝方法能有與之相適應(yīng)、相匹配的檢測(cè)手段。只有這樣，生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題才能得到控制中。而且，把檢測(cè)過(guò)程中反映出來(lái)的問(wèn)題反饋到生產(chǎn)工藝中去加以解決，將會(huì)使生產(chǎn)更加順暢，減少返修工作量。參考文獻(xiàn)： 1 王衛(wèi)平，電子工藝基礎(chǔ) m.北京：電子工業(yè)出版社， 1997.162-181。 2 宜大榮。表面組裝技術(shù) m.北京：電子工業(yè)出版社， 1995。 3 robert marts c.trends in ic packaging and advanced assemblyj.electronic