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BGA技術(shù)與質(zhì)量控制
發(fā)布時(shí)間:2012-03-26 15:00:06 點(diǎn)擊次數(shù):2693

BGA是是現(xiàn)代組裝技術(shù)的新概念,它的出現(xiàn)促進(jìn)SMT(表面貼裝技術(shù))與SMD(表面貼裝元器件)的發(fā)展和革新,并將成為高密度、高性能、多功能及高I/O數(shù)封裝的最佳選擇。本文簡(jiǎn)要介紹了BGA的概念、發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用情況以及一些生產(chǎn)中應(yīng)用的檢測(cè)方法等,并討論了BGA的返修工藝。 


關(guān)鍵詞:表面組裝技術(shù);球柵陣列封裝;檢測(cè);X射線;質(zhì)量控制;返修。


隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代社會(huì)與電子技術(shù)息息相關(guān),超小型移動(dòng)電話、超小型步話機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器、高清晰度電視機(jī)等都對(duì)產(chǎn)品的小型化、輕型化提出了苛刻的要求。要達(dá)到達(dá)一目標(biāo),就必須在生產(chǎn)工藝、元器件方面著手進(jìn)行深入研究。SMT(Surface Mount Technology)表面安裝 技術(shù)順應(yīng)了這一潮流,為實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的輕、薄、短、小打下了基礎(chǔ)。


SMT技術(shù)進(jìn)入90年代以來,走向了成熟的階段,但隨著電子產(chǎn)品向便攜式/小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向的迅速發(fā)展,對(duì)電子組裝技術(shù)提出了更高的要求,新的高密度組裝技術(shù)不斷涌現(xiàn),其中BGA(Ball Grid Array球柵陣列封裝)就是一項(xiàng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段的高密度組裝技術(shù)。本文將就BGA器件的組裝特點(diǎn)以及焊點(diǎn)的質(zhì)量控制作一介紹。


一、BGA 技術(shù)簡(jiǎn)介

BGA技術(shù)的研究始于60年代,最早被美國(guó)IBM公司采用,但一直到90年代初,BGA 才真正進(jìn)入實(shí)用化的階段。


在80年代,人們對(duì)電子電路小型化和I/O引線數(shù)提出了更高的要求。為了適應(yīng)這一要求,QFP的引腳間距目前已從1.27mm發(fā)展到了0.3mm。由于引腳間距不斷縮小,I/O數(shù)不斷增加,封裝體積也不斷加大,給電路組裝生產(chǎn)帶來了許多困難,導(dǎo)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(shù)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(jìn)的芯片封裝BGA(Ball Grid Array)應(yīng)運(yùn)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(diǎn)按陣列形式分布在封裝下面,引線間距大,引線長(zhǎng)度短,這樣BGA消除了精細(xì)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可增加I/O數(shù)和間距,消除QFP技術(shù)的高I/0數(shù)帶來的生產(chǎn)成本和可靠性問題。


JEDEC(電子器件工程聯(lián)合會(huì))(JC-11)的工業(yè)部門制定了BGA封裝的物理標(biāo)準(zhǔn),BGA與QFP相比的最大優(yōu)點(diǎn)是I/O引線間距大,已注冊(cè)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(xì)間距器件。


BGA器件的結(jié)構(gòu)可按焊點(diǎn)形狀分為兩類:球形焊點(diǎn)和柱狀焊點(diǎn)。球形焊點(diǎn)包括陶瓷球柵陣列 CBGA(Ceramic Ball Grid Array)、載帶自動(dòng)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(diǎn)稱為CCGA(Ceramic Column Grid Array)。


BGA技術(shù)的出現(xiàn)是IC器件從四邊引線封裝到陣列焊點(diǎn)封裝的一大進(jìn)步,它實(shí)現(xiàn)了器件更小、引線更多,以及優(yōu)良的電性能,另外還有一些超過常規(guī)組裝技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)。這些性能優(yōu)勢(shì)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(shí)鐘頻率。


由于BGA器件相對(duì)而言其間距較大,它在再流焊接過程中具有自動(dòng)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(shí)具有高可靠性。據(jù)國(guó)外一些印刷電路板制造技術(shù)資料反映, BGA器件在使用常規(guī)的SMT工藝規(guī)程和設(shè)備進(jìn)行組裝生產(chǎn)時(shí),能夠始終如一地實(shí)現(xiàn)缺陷率小于20PPM(Parts Per Million,百萬分率缺陷數(shù)),而與之相對(duì)應(yīng)的器件,例如QFP,在組裝過程中所形成的產(chǎn)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(yōu)于常規(guī)的元器件,但是許多生產(chǎn)廠家仍然不愿意投資開發(fā)大批量生產(chǎn)BGA器件的能力。究其原因主要是BGA器件焊接點(diǎn)的測(cè)試相當(dāng)困難,不容易保證其質(zhì)量和可靠性。 


二、BGA器件焊接點(diǎn)檢測(cè)中存在的問題

目前,對(duì)以中等規(guī)模到大規(guī)模采用BGA器件進(jìn)行電子組裝的廠商,主要是采用電子測(cè)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(zhì)量和鑒別缺陷的其它辦法,包括在焊劑漏?。╬aste Screening)上取樣測(cè)試和使用X射線進(jìn)行裝配后的最終檢驗(yàn),以及對(duì)電子測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析。


滿足對(duì)BGA器件電子測(cè)試的評(píng)定要求是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的技術(shù),因?yàn)樵冢拢牵疗骷旅孢x定測(cè)試點(diǎn)是困難的。在檢查和鑒別BGA器件的缺陷方面,電子測(cè)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(shí)的費(fèi)用支出。 


據(jù)一家國(guó)際一流的計(jì)算機(jī)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(cè)試方式對(duì)其進(jìn)行測(cè)試是失敗的,它們實(shí)際上并不存在缺陷,因而也就不應(yīng)該被剔除掉。電子測(cè)試不能夠確定是否是BGA器件引起了測(cè)試的失效,但是它們卻因此而被剔除掉。對(duì)其相關(guān)界面的仔細(xì)研究能夠減少測(cè)試點(diǎn)和提高測(cè)試的準(zhǔn)確性,但是這要求增加管芯級(jí)電路以提供所需的測(cè)試電路。


在檢測(cè)BGA器件缺陷過程中,電子測(cè)試僅能確認(rèn)在BGA連接時(shí),判斷導(dǎo)電電流是通還是斷﹖如果輔助于非物理焊接點(diǎn)測(cè)試,將有助于組裝工藝過程的改善和SPC(Statistical Process Control統(tǒng)計(jì)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(zhì)量,要求了解和測(cè)試影響其長(zhǎng)期工作可靠性的物理因素,例如:焊料量、導(dǎo)線與焊盤的定位情況,以及潤(rùn)濕性,不能單單基于電子測(cè)試所產(chǎn)生的結(jié)果就進(jìn)行修改。


三、BGA檢測(cè)方法的探討

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)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(duì)熱、濕氣的敏感性;是否能通過封裝體邊緣對(duì)準(zhǔn),以及加工的經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)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(fā)生焊球連、缺損等情況。因此,需要對(duì)BGA焊接后質(zhì)量情況的一些指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)控制。 


目前常用的BGA檢測(cè)技術(shù)有電測(cè)試、邊界掃描及X射線檢測(cè)。


?電測(cè)試 傳統(tǒng)的電測(cè)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(yù)制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際的電連接,這樣便可以撮合一個(gè)使信號(hào)流入測(cè)試板、數(shù)據(jù)流入ATE的接口。如果印制電路板有足夠的空間設(shè)定測(cè)試點(diǎn),系統(tǒng)就能快速、有效地查找到開路、短路及故障元件。系統(tǒng)也可檢查元件的功能。測(cè)試儀器一般由微機(jī)控制,檢測(cè)不同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)工作單元來進(jìn)行檢測(cè)。例如,測(cè)試二極管、三極管時(shí)用直流電平單元,測(cè)試電容、電感時(shí)用交流單元,而測(cè)試低數(shù)值電容及電感、高阻值電阻時(shí)用高頻信號(hào)單元。


?邊界掃描檢測(cè) 邊界掃描技術(shù)解決了一些與復(fù)雜元件及封裝密度有關(guān)的搜尋問題。采用邊界掃描技術(shù),每一個(gè)IC元件設(shè)計(jì)有一系列寄存器,將功能線路與檢測(cè)線路分離開,并記錄通過元件的檢測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)試通路檢查IC元件上每一個(gè)焊接點(diǎn)的開路、短路情況?;谶吔鐠呙柙O(shè)計(jì)的檢測(cè)端口,通過邊緣連接器給每一個(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)試更廣的不可見焊點(diǎn)檢測(cè)專門設(shè)計(jì)印制電路板與IC元件。電測(cè)試與邊界掃描檢測(cè)都主要用以測(cè)試電性能,卻不能較好檢測(cè)焊接的質(zhì)量。為提高并保證生產(chǎn)過程的質(zhì)量,必須找尋其它方法來檢測(cè)焊接質(zhì)量,尤其是不可見焊點(diǎn)的質(zhì)量。


?X射線測(cè)試 有效檢測(cè)不可見焊點(diǎn)質(zhì)量的方法是X射線檢測(cè),該檢測(cè)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(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程參數(shù),這些補(bǔ)充數(shù)據(jù)有助于降低新產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用,縮短投放市場(chǎng)的時(shí)間。


①X射線圖象檢測(cè)原理 X射線由一個(gè)微焦點(diǎn)X射線管產(chǎn)生,穿過管殼內(nèi)的一個(gè)鈹管,并投射到實(shí)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(fā)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,有計(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),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(cè) 使用人工X射線檢測(cè)設(shè)備,需要逐個(gè)檢查焊點(diǎn)并確定其是否合格。該設(shè)備配有手動(dòng)或電動(dòng)輔助裝置使組件傾斜,以便更好地進(jìn)行檢測(cè)和攝像。但通常的目視檢測(cè)要求培訓(xùn)操作人員,并且易于出錯(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),而只適合作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)的檢測(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)品與需要進(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)X射線分層系統(tǒng)使用了三維剖面技術(shù)。該系統(tǒng)能檢測(cè)單面或雙面表面貼裝電路板,而沒有傳統(tǒng)的X射線系統(tǒng)的局限性。系統(tǒng)通過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)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射線測(cè)試系統(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型引線與微間距QFP,傳輸X射線系統(tǒng)是測(cè)定焊接質(zhì)量最好的辦法,但它卻不能區(qū)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(duì)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)克服了傳輸X射線測(cè)試系統(tǒng)的眾多問題。它設(shè)計(jì)了一個(gè)聚焦斷面,并通過上下平面散焦的方法,將PC的水平區(qū)域分開。該系統(tǒng)的成功在于只需較短的測(cè)試開發(fā)時(shí)間,就能準(zhǔn)確檢查焊接點(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)所有類型的焊接質(zhì)量,并獲得有價(jià)值的調(diào)整裝配工藝的信息。


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)中應(yīng)用的、有較高性能價(jià)格比的X射線檢測(cè)系統(tǒng)以滿足控制需求是一項(xiàng)十分重要的工作。最近較新出現(xiàn)的超高分辨率X射線系統(tǒng)在檢測(cè)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)量問題(包括焊接缺陷)提供了較全面的、比較省時(shí)的解決方案。在決定購買檢測(cè)X射線系統(tǒng)之前,一定要了解系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用方面及所要達(dá)到的功能,以便于確定系統(tǒng)所需的最小分辨率,與此同時(shí)也就決定了所要購置的系統(tǒng)的大致價(jià)格。當(dāng)然,設(shè)備的放置、人員的配置等因素也要在選購時(shí)通盤考慮。 


四、BGA的返修

由于BGA封裝形式與傳統(tǒng)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(tǒng)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(yù)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(fēng)回流焊

1)電路板,芯片預(yù)熱的主要目的是將潮氣去除,如果電路板和芯片的潮氣很?。ㄈ缧酒瑒偛鸱?,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(shí),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(duì)于BGA的返修結(jié)果有重要影響。為了準(zhǔn)確均勻方便地涂焊錫膏,美國(guó)OK集團(tuán)提供MS-1微型焊錫膏印板系統(tǒng)。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(shí),應(yīng)注意BGA芯片會(huì)比CBGA芯片的模板厚度薄,因?yàn)樗鼈兯枰暮稿a膏量不同。用OK集團(tuán)的BGA3000設(shè)備或MP-2000微型光學(xué)對(duì)中系統(tǒng)可以方便地檢驗(yàn)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(shí)間可略長(zhǎng)些,使用非清洗焊錫膏,回流溫度應(yīng)選的低些。 

5)貼片的主要目的是使BGA芯片上的每一個(gè)焊錫球與PCB上每一個(gè)對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)對(duì)正。由于BGA芯片的焊點(diǎn)位于肉眼不能觀測(cè)到的部位,所以必須使用專門的設(shè)備來對(duì)中。OK集團(tuán)制造的BGA3000和MP-2000設(shè)備可以精確地完成這些任務(wù)。

6)熱風(fēng)回流焊是整個(gè)返修工藝的關(guān)鍵。其中,有幾個(gè)問題比較重要:

芯片返修回流焊的曲線應(yīng)當(dāng)與芯片的原始焊接曲線接近,使用OK集團(tuán)的BGA3000可以保證作到這點(diǎn)。它的熱風(fēng)回流焊曲線可分成四個(gè)區(qū)間:預(yù)熱區(qū),加熱區(qū),回流區(qū),冷卻區(qū),四個(gè)區(qū)間的溫度、時(shí)間參數(shù)可以分別設(shè)定,通過與計(jì)算機(jī)連接,可以將這些程序存儲(chǔ)和隨時(shí)調(diào)用。


在回流焊過程中要正確選擇個(gè)區(qū)的加熱溫度和時(shí)間,同時(shí)應(yīng)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(qū),最大的冷卻速度不超過6℃/秒。因?yàn)檫^高的升溫和降溫速度有可能損壞PCB和芯片,這種損壞有時(shí)是肉眼不能觀察到的。OK集團(tuán)的BGA返修設(shè)備可以利用計(jì)算機(jī)方便地對(duì)此進(jìn)行選擇。不同的芯片,不同的焊錫膏,應(yīng)選擇不同的加熱溫度和時(shí)間。如CBGA芯片的回流溫度應(yīng)高于PBGA的回流溫度,90Pb/10Sn應(yīng)較73Pb/Sn焊錫膏選用更高的回流溫度。 


熱風(fēng)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(gè):避免由于PCB板的單面受熱而產(chǎn)生翹曲和變形,使焊錫膏溶化的時(shí)間縮短。對(duì)大尺寸板返修BGA,這種底部加熱尤其重要。OK集團(tuán)的BGA返修設(shè)備的底部加熱有兩種:一種是熱風(fēng)加熱,一種是紅外加熱。熱風(fēng)加熱的優(yōu)點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)是溫度升高快,但缺點(diǎn)是PCB受熱不均勻。


要選擇好的熱風(fēng)回流噴嘴。熱風(fēng)回流噴嘴屬于非接觸式加熱,加熱時(shí)依靠高溫空氣流使BGA芯片上的各焊點(diǎn)的焊錫同時(shí)溶化。美國(guó)OK集團(tuán)首先發(fā)明這種噴嘴,它將BGA元件密封,保證在整個(gè)回流過程中有穩(wěn)定的溫度環(huán)境,同時(shí)可保護(hù)相鄰元件不被對(duì)流熱空氣加熱損壞。 


五、結(jié)束語

BGA作為一種多引腳集成電路的新的封裝技術(shù),其貼裝、焊接與檢測(cè)在SMT技術(shù)領(lǐng)域中還都是新課題,隨著進(jìn)一步的深入研究,其成果必將會(huì)使SMT進(jìn)入一個(gè)新的階段。