BGA焊接技術與X-ray檢測技術

從生產過程中的質量控制角度出發,探討了目前一些生產中應用于球柵陣列封裝(BGA)的檢測方法和實用系統,詳細論述了X射線檢測系統的開發原理及研究應用狀況,指出掌握和提高檢測技術,將能有效控制BGA的焊接和組裝質量。
 BGA技術是將原來器件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,又能夠增加引腳數目。同時BGA封裝還有如下一些優點;減少引腳缺陷,改善共面問題,減小引線間電感及電容,增強電性能及散熱性能。正因如此, 所以在電子元器件封裝領域中,BGA技術被廣泛應用。尤其是近些年來。以BGA技術封裝的元器件在市場上大量出現,并呈現高速增長的趨勢。
雖然BGA技術在某些方面有所突破,但并非是十全十美的。由于BGA封裝技術是一種新型封裝技術,與QFP技術相比,有許多新技術指示需得到控制。另外,它焊裝后的焊點隱藏在封裝之下,不可能100%目測檢測表面安排的焊接質量,為BGA安裝的質量控制提出了難題。下面使國內外對這方面技術的研究,開發應用作些介紹和探討。
1、 BGA焊前檢測與質量控制
生產中的質量控制非常重要,尤其是在BGA封裝中,任何缺陷都會導致BGA封裝元器件在印制電路板焊裝過程出現差錯,會在以后的工藝中引發質量問題。封裝工藝中所要求的主要性以有:封裝組件的可靠性;與PCB的熱匹配性;焊料球的共面性;對熱,濕氣的敏感性;是否能通過封裝體邊緣對準性,以及加工的經濟性等。需指出的是,BGA基板上的焊球無論是通過高溫焊球(90pb/10su)轉換,還是采用球射工藝形成,焊球都有可能掉下丟失,或者成形過大,過小,或者發生焊料橋接,缺損等情況。因此,在對BGA進行表面貼裝之前,需對其中的一些指標進行檢測控制。
英國Scantron公司研究和開發的Proscan1000,用于檢測焊料球的共面性,封裝是否變形以及所有的焊料球是否都存在。Proscan1000采用三角激光測量法,測量光束下的物體沿X軸和Y軸移動時,在Z軸方向的距離,并將物體的三維表面信息進行數字化處理,以便分析和檢查。該軟件以2 000點/S的速度掃描100萬個數據點,直到亞微米級。掃描結果以水平,等量和截面示圖顯示在高分辯VGA監視器上,Proscan1000還能計算表面粗糙度參數,體積,表面積和截面積。
2、 BGA焊后質量檢測
使用球珊陣列封裝(BGA)器件給質量檢測和控制部門帶來難題:如何檢測焊后安裝質量。由于這類器件焊裝后,檢測人員不可能見到封裝材料下面的部分,從而使目檢焊接質量成為空談。其它如板載芯片(COB)及倒裝芯片安裝等新技術也面臨著同樣的問題。而且與BGA器件類似,QFP器件的RF屏蔽也擋住了視線,使目檢者看不見全部焊接點。為滿足用戶對可靠性的要求,必須解決不可見焊點的檢測問題。光學與激光系統的檢測能力與目檢相似,因為它們同樣需要通過視線來檢測。即使使用QFP自動檢測系統AOI(Automated Optical lnspection)也不能判定焊接質量,原因是無法看到焊接點。為解決這此問題,必須尋求其它的檢測辦法。目前的生產檢測技術有電測試,邊界掃描及X射線檢測。
2.1 電測式
傳統的電測試是查找開路與短路缺陷的主要方法。其唯一目的是在板的預置點進行的電連接,這樣便可以提供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,有效地查到開路,短路及故障器件。系統也可檢 查器件的功能。測試儀器一般由微機控制,檢測每塊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時行檢測。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,電感及高阻值電阻高頻信號單元。但在封裝密度與不可見焊點數量都大量增加時,尋找線路節點則變得昂貴,不可靠。
2.2 邊界掃描檢測
邊界掃描技術解決了一些復雜器件及封裝密度有關的問題。采用邊界掃描技術,每一個IC器件設計一系列寄存器,將功能線路與檢測線路分離開,并記錄通過器件的檢測數據。測試通路檢查IC器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范圍,但也必須為掃描檢測專門設計印制電路板與IC器件。電測試與邊界掃描檢測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,必須尋找其它方法來檢測焊接質量,尤其是不可見焊點的質量。
2.3 X 射線測試
另一種檢測方法是X射線檢測,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并檢測缺陷。在今天這個生產競爭的時代,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。
(1)X射線圖像檢測原理:
X射線由一個微焦點X射線管產生,穿 過管殼內的一個鈹窗,并股射到試驗樣品上。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對比率。穿 過樣品的X射線轟擊到X射線敏感板上的磷涂層,并激發出光子,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,由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見表2。處理后的灰度圖像顯示了被檢查的物體密度的差異。
                     
表2 不同材料對X射線的不透明度系數:

(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。詳細定義的標準或目視檢測圖表可指導評估圖像。但通常的目視檢測要求培訓操作人員,并且容易出錯。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,但全自動系統的復測正確度比人工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,且有高價值或要求可靠性的產品也需要進行自動檢測。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。

自動檢測系統需要設置正確的檢測參數。大多數新系統的件中都定義了檢測指標,但必須重新制訂,要適應以生產工藝中所特有的因素,否則可能產生錯誤的信息并全降低系統的可靠性。

自動X射線分層系統使用了三維剖面技術。該系統能夠檢測單面和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型引線與細間距QFP.傳輸X射線系統是測定焊接質量最好的方法,但它卻不能區分垂直重疊的特征。困此,在傳輸X射線透視圖中,BGA器件的焊縫被其引線的焊球遮掩。對于RF屏敞之下的雙面密集型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,并通過使目標區域上下平面散焦的方法,將PCB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,就能準確檢測出焊接缺陷。就多數線路板而言,;無夾具;也有助于減少在產品檢測上所花的精力。對于小體積的復雜產品,制造廠商最好便用斷面X射線測系統。雖然所有方法都可檢查焊接點,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組裝工藝的信息。

(4)選擇合適的X射線檢測系統

選擇適合實際生產應用的,有較高性能價格比的X射線檢測系統以滿足質量控制需要是一項十分重要的工作。最近較新的超高分辯X射線系統在檢測及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,也比較省時的解決方案。在決定購買檢測X射線系統之前,一定要了解系統所需的最小分辯,見表3.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,人員配備等因素也要在選購時全盤考慮。

4.結束語

隨著BGA封裝器件的出現并大量進入市場,針對高封裝密度,焊點不可見等特點,電子廠商為控制BGAS的焊接質量,需充分應用高科技工具,手段,努力掌握和大力提提高檢測技術水平,使用新的工藝方法能有與之相適應,相匹配的檢測手段。只有這樣,生產過程中的質量問題才能得到有效控制。而且,把檢測過程中反映生產更加順暢,減少返修工作量。


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