BGA技術與質量控制

1、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，人人們對電子電電路小型化和和I/O引線數數提出了更高高的要求。為為了適應這一一要求，QFFP的引腳間間距目前已從從1.27mmm發(fā)展到了了0.3mmm。由于引腳腳間距不斷縮縮小，I/OO數不斷增加加，封裝體積積也不斷加大大，給電路組組裝生產帶來來了許多困難難，導致成品品率下降和組組裝成本的提提高。另方面面由于受器件件引腳框架加加工精度等制制造技術的限限制，0.33mm已是QFP引腳間間距的極限，這這都限制了組組裝密度的提提高。于是一一種先進的芯芯片封裝BGGA

2、（Ball Grid Arrayy）應運而生生，BGA是球柵柵陣列的英文文縮寫，它的的I/O端子以以圓形或柱狀狀焊點按陣列列形式分布在在封裝下面，引引線間距大，引引線長度短，這這樣BGA消除了了精細間距器器件中由于引引線而引起的的共面度和翹翹曲的問題。BGA技術的優(yōu)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(電電子器件工程程聯合會)(JC-111)的工業(yè)部部門制定了BBGA封裝的的物理標準，BGA與QFP相比的最大優(yōu)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.

3、4mm-0.5mm的精細間距器件。BGA器件的結結構可按焊點點形狀分為兩兩類：球形焊焊點和校狀焊焊點。球形焊焊點包括陶瓷瓷球柵陣列 CBGA(Cerammic Baall Grrid Arrray)、載載帶自動鍵合合球柵陣列 TBGA(Tape Autommatec Ball Grid Arrayy)塑料球柵柵陣列PBGGA(Plaastic Ball Arrayy)。 CBGAA、TBGA和PBGA是按按封裝方式的的不同而劃分分的。柱形焊焊點稱為CCCGA(Ceeramicc Coluumn Grrid Arrray)。BGA技術的出出現是IC器件從四四邊引線封裝裝到陣列焊點點封裝的一大大進

4、步，它實實現了器件更更小、引線更更多，以及優(yōu)優(yōu)良的電性能能，另外還有有一些超過常常規(guī)組裝技術術的性能優(yōu)勢勢。這些性能能優(yōu)勢包括高高密度的I/O接口、良良好的熱耗散散性能，以及及能夠使小型型元器件具有有較高的時鐘鐘頻率。由于BGA器件件相對而言其其間距較大，它它在再流焊接接過程中具有有自動排列定定位的能力，所所以它比相類類似的其它元元器件，例如如QFP，操作作便捷，在組組裝時具有高高可靠性。據據國外一些印印刷電路板制制造技術資料料反映， BBGA器件在在使用常規(guī)的的SMT工藝規(guī)規(guī)程和設備進進行組裝生產產時，能夠始始終如一地實實現缺陷率小小于20PPPM（Partss Per Milliion，百

5、萬萬分率缺陷數數），而與之之相對應的器器件，例如QQFP，在組組裝過程中所所形成的產品品缺陷率至少少要超過其110倍。綜上所述，BGGA器件的性性能和組裝優(yōu)優(yōu)于常規(guī)的元元器件，但是是許多生產廠廠家仍然不愿愿意投資開發(fā)發(fā)大批量生產產BGA器件的的能力。究其其原因主要是是BGA器件焊焊接點的測試試相當困難，不不容易保證其其質量和可靠靠性。BGA器件焊接接點檢測中存存在的問題目目前，對以中中等規(guī)模到大大規(guī)模采用BBGA器件進進行電子組裝裝的廠商，主主要是采用電電子測試的方方式來篩選BBGA器件的的焊接缺陷。在在BGA器件裝裝配期間控制制裝配工藝過過程質量和鑒鑒別缺陷的其其它辦法，包包括在焊劑漏漏印(

6、Passte Sccreeniing)上取取樣測試和使使用X射線進行裝裝配后的最終終檢驗，以及及對電子測試試的結果進行行分析。滿足對BGA器器件電子測試試的評定要求求是一項極具具挑戰(zhàn)性的技技術，因為在在BGA器件下下面選定測試試點是困難的的。在檢查和和鑒別BGAA器件的缺陷陷方面，電子子測試通常是是無能為力的的，這在很大大程度上增加加了用于排除除缺陷和返修修時的費用支支出。據一家國際一流流的計算機制制造商反映，從從印刷電路板板裝配線上剔剔除的所有BBGA器件中中的50以上，采采用電子測試試方式對其進進行測試是失失敗的，它們們實際上并不不存在缺陷，因因而也就不應應該被剔除掉掉。電子測試試不能夠確

7、定定是否是BGGA器件引起起了測試的失失效，但是它它們卻因此而而被剔除掉。對對其相關界面面的仔細研究究能夠減少測測試點和提高高測試的準確確性，但是這這要求增加管管芯級電路以以提供所需的的測試電路。 在檢測BGA器器件缺陷過程程中，電子測測試僅能確認認在BGA連接時時，判斷導電電電流是通還還是斷?如果輔助于于非物理焊接接點測試，將將有助于組裝裝工藝過程的的改善和SPPC(Staatistiical PProcesss Conntrol統統計工藝控制制)。BGA器件的組組裝是一種基基本的物理連連接工藝過程程。為了能夠夠確定和控制制這樣一種工工藝過程的質質量，要求了了解和測試影影響其長期工工作可靠性

8、的的物理因素，例例如：焊料量量、導線與焊焊盤的定位情情況，以及潤潤濕性，不能能單單基于電電子測試所產產生的結果就就進行修改。BGA檢測方法法的探討目前市場上出現現的BGA封裝類類型主要有：PBGA（塑塑料BGA）、CBGAA（陶瓷BGAA）及TBGAA（載帶BGAA）。封裝工工藝中所要求求的主要性能能有：封裝組組件的可靠性性；與PCBB的熱匹配性性能；焊球的的共面性；對對熱、濕氣的的敏感性；是是否能通過封封裝體邊緣對對準，以及加加工的經濟性性能。需指出出的是，BGGA基板上的的焊球不論是是通過高溫焊焊球（90PPb/10SSn）轉換，還還是采用球射射工藝形成，焊焊球都有可能能掉下丟失，或或者成

9、型過大大、過小，或或者發(fā)生焊球球連、缺損等等情況。因此此，需要對BBGA焊接后后質量情況的的一些指標進進行檢測控制制。目前常用的BGGA檢測技術術有電測試、邊邊界掃描及XX射線檢測。1）電測試傳統的電測試，是是查找開路與與短路缺陷的的主要方法。其其唯一的目的的是在板的預預制點進行實實際的電連接接，這樣便可可以撮合一個個使信號流入入測試板、數數據流入ATTE的接口。如如果印制電路路板有足夠的的空間設定測測試點，系統統就能快速、有有效地查找到到開路、短路路及故障元件件。系統也可可檢查元件的的功能。測試試儀器一般由由微機控制，檢檢測不同PCCB時，需要要相應的針床床和軟件。對對于不同的測測試功能，該

10、該儀器可提供供相應工作單單元來進行檢檢測。例如，測測試二極管、三三極管時用直直流電平單元元，測試電容容、電感時用用交流單元，而而測試低數值值電容及電感感、高阻值電電阻時用高頻頻信號單元。2）邊界掃描檢檢測 邊界掃描技術解解決了一些與與復雜元件及及封裝密度有有關的搜尋問問題。采用邊邊界掃描技術術，每一個IIC元件設計計有一系列寄寄存器，將功功能線路與檢檢測線路分離離開，并記錄錄通過元件的的檢測數據。測測試通路檢查查IC元件上每每一個焊接點點的開路、短短路情況?；谶吔鐠呙杳柙O計的檢測測端口，通過過邊緣連接器器給每一個焊焊點提供一條條通路，從而而免除全節(jié)點點查找的需要要。盡管邊界界掃描提供了了比

11、電測試更更廣的不可見見焊點檢測專專門設計印制制電路板與IIC元件。電電測試與邊界界掃描檢測都都主要用以測測試電性能，卻卻不能較好檢檢測焊接的質質量。為提高高并保證生產產過程的質量量，必須找尋尋其它方法來來檢測焊接質質量，尤其是是不可見焊點點的質量。3）X射線測試試有效檢測不可見見焊點質量的的方法是X射線檢測，該該檢測方法基基于X射線不能象象透過銅、硅硅等材料一樣樣透過焊料的的思想。換言言之，X射線透視圖圖可顯示焊接接厚度、形狀狀及質量的密密度分布。厚厚度與形狀不不僅是反映長長期結構質量量的指標，在在測定開路、短短路缺陷及焊焊接不足方面面，也是很好好的指標。此此技術有助于于收集量化的的過程參數，

12、這這些補充數據據有助于降低低新產品開發(fā)發(fā)費用，縮短短投放市場的的時間。X射線圖象檢檢測原理X射線由一個微微焦點X射線管產生生，穿過管殼殼內的一個鈹鈹管，并投射射到實驗樣品品上。樣品對對X射線的吸收收率或透射率率取決于樣品品所包含材料料的成分與比比率。穿過樣樣品的X射線的吸收收率或X射線敏感板板上的磷涂層層，并激出發(fā)發(fā)光子，這些些光子隨后被被攝像機探測測到，然后對對該信號進行行處理放大，有有計算機進一一步分析或觀觀察。不同的的樣品材料對對X射線具有不不同的不透明明系數，處理理后的灰度圖圖像顯示了被被檢查的物體體密度或材料料厚度的差異異。人工X射線檢檢測使用人工X射線線檢測設備，需需要逐個檢查查焊

13、點并確定定其是否合格格。該設備配配有手動或電電動輔助裝置置使組件傾斜斜，以便更好好地進行檢測測和攝像。但但通常的目視視檢測要求培培訓操作人員員，并且易于于出錯。此外外，人工設備備并不適合對對全部焊點進進行檢測，而而只適合作工工藝鑒定和工工藝故障分析析。自動檢測系統統 全自動系統能對對全部焊點進進行檢測。雖雖然已定義了了人工檢測標標準，但全自自動系統的檢檢測正確度比比人工X射線檢測方方法高得多。自自動檢測系統統通常用于產產量高且品種種少的生產設設備上。具有有高價值或要要求可靠性的的產品與需要要進行自動檢檢測。檢測結結果與需要返返修的電路板板一起送給返返修人員。這這些結果還能能提供相關的的統計資料

14、，用用于改進生產產工藝。自動X射線分層層系統使用了了三維剖面技技術。該系統統能檢測單面面或雙面表面面貼裝電路板板，而沒有傳傳統的X射線系統的的局限性。系系統通過軟件件定義了所要要檢查焊點的的面積和高度度，把焊點剖剖成不同的截截面，從而為為全部檢測建建立完整的剖剖面圖。目前已有兩種檢檢測焊接質量量的自動測試試系統上市：傳輸X射線測試系系統與斷面XX射線自動測測試系統。傳傳輸X射線測試系系統源于X射線束沿通通路復合吸收收的特性。對對SMT的某些些焊接，如單單面PCB上的J型引線與微微間距QFPP，傳輸X射線系統是是測定焊接質質量最好的辦辦法，但它卻卻不能區(qū)分垂垂直重疊的特特征。因此，在在傳輸X射線

15、透視圖圖中，BGAA元件的焊縫縫被其引線的的焊球遮蔽。對對于RF屏蔽之下下的雙面密集集型PCB及元器器件的不可見見焊接，也存存在這類問題題。斷面X射線自動動測試系統克克服了傳輸XX射線測試系系統的眾多問問題。它設計計了一個聚焦焦斷面，并通通過上下平面面散焦的方法法，將PC的水平區(qū)區(qū)域分開。該該系統的成功功在于只需較較短的測試開開發(fā)時間，就就能準確檢查查焊接點。但但斷面X射線測試系系統提供了一一種非破壞性性的測試方法法，可檢測所所有類型的焊焊接質量，并并獲得有價值值的調整裝配配工藝的信息息。選擇合適的XX射線檢測系系統 選擇適合實際生生產中應用的的、有較高性性能價格比的的X射線檢測系系統以滿足控

16、控制需求是一一項十分重要要的工作。最最近較新出現現的超高分辨辨率X射線系統在在檢測分析缺缺陷方面已達達微米水平，為為生產線上發(fā)發(fā)現較隱蔽的的質量問題（包包括焊接缺陷陷）提供了較較全面的、比比較省時的解解決方案。在在決定購買檢檢測X射線系統之之前，一定要要了解系統在在實際生產中中的應用方面面及所要達到到的功能，以以便于確定系系統所需的最最小分辨率，與與此同時也就就決定了所要要購置的系統統的大致價格格。當然，設設備的放置、人人員的配置等等因素也要在在選購時通盤盤考慮。BGA的返修由于BGA封裝裝形式與傳統統的表面元件件不同，其引引腳分布在元元件體底部，所所以BGA的維修修方式也不同同于傳統的表表面

17、元件。BGA返修工藝藝主要包括以以下幾步：1 電路板，芯芯片預熱2 拆除芯片片3 清潔焊盤盤4 涂焊錫膏膏，助焊劑5 貼片6 熱風回流流焊1）電路板，芯芯片預熱的主主要目的是將將潮氣去除，如如果電路板和和芯片的潮氣氣很?。ㄈ缧拘酒瑒偛鸱?，這這一步可以免免除）。2）拆除的芯片片如果不打算算重新使用，而而且電路板可可承受高溫，拆拆除芯片可采采用較高的溫溫度（較短的的加熱周期）。3）清潔焊盤主主要是將拆除除芯片后留在在PCB表面的的助焊劑，焊焊錫膏清理掉掉，必須使用用符合要求的的清潔劑。為為了保證BGGA的焊接可可靠性，一般般不能使用焊焊盤上舊的殘殘留焊錫膏，必必須將舊的焊焊錫膏清除掉掉，除非芯片片

18、上重新形成成BGA焊錫球球。由于BGGA芯片體積積小，特別是是CSP芯片體體積更小，清清潔焊盤比較較困難，所以以在返修CSSP芯片時，如如果CSP的周圍圍空間很小，就就需使用非清清洗焊劑。4）在PCB上上涂焊錫膏對對于BGA的返修修結果有重要要影響。為了了準確均勻方方便地涂焊錫錫膏，美國OOK集團提供供MS-1微型型焊錫膏印板板系統。通過過選用與芯片片相符的模板板，可以很方方便地將焊錫錫膏涂在電路路板上。選擇擇模板時，應應注意BGAA芯片會比CBBGA芯片的的模板厚度薄薄，因為它們們所需要的焊焊錫膏量不同同。用OK集團的BGAA3000設設備或MP-2000微微型光學對中中系統可以方方便地檢驗

19、焊焊錫膏是否涂涂的均勻。處處理CSP芯片，有有3種焊錫膏可可以選擇，RRMA焊錫膏膏，非清洗焊焊錫膏，水劑劑焊錫膏。使使用RMA焊錫膏膏，回流時間間可略長些，使使用非清洗焊焊錫膏，回流流溫度應選的的低些。5）貼片的主要要目的是使BBGA芯片上上的每一個焊焊錫球與PCCB上每一個個對應的焊點點對正。由于于BGA芯片的的焊點位于肉肉眼不能觀測測到的部位，所所以必須使用用專門的設備備來對中。OOK集團制造造的BGA33000和MP-20000設備可可以精確地完完成這些任務務。6）熱風回流焊焊是整個返修修工藝的關鍵鍵。其中，有有幾個問題比比較重要：芯片返修回流焊焊的曲線應當當與芯片的原原始焊接曲線線接近，使用用OK集團的BGAA3000可可以保證作到到這點。它的的熱風回流焊焊曲線可分成成四個區(qū)間：預熱區(qū)，加加熱區(qū)，回流流區(qū)，冷卻區(qū)區(qū)，四個區(qū)間間的溫度、時時間參數可以以分別設定，通