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类型BGA技术与质量控制.doc

  • 上传人:dzzj200808
  • 文档编号:2464622
  • 上传时间:2018-09-17
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    1、BGA 技术简介BGA 技术的研究始于 60 年代,最早被美国 IBM 公司采用,但一直到 90年代初,BGA 才真正进入实用化的阶段。在 80 年代,人们对电子电路小型化和 I/O 引线数提出了更高的要求。为了适应这一要求,QFP 的引脚间距目前已从 1.27mm 发展到了 0.3mm。由于引脚间距不断缩小,I/O 数不断增加,封装体积也不断加大,给电路组装生产带来了许多困难,导致成品率下降和组装成本的提高。另方面由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制,0.3mm 已是 QFP 引脚间距的极限,这都限制了组装密度的提高。于是一种先进的芯片封装 BGA(Ball Grid Array)应运

    2、而生,BGA 是球栅阵列的英文缩写,它的 I/O 端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面,引线间距大,引线长度短,这样 BGA 消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。BGA 技术的优点是可增加 I/O 数和间距,消除 QFP 技术的高 I/0 数带来的生产成本和可靠性问题。JEDEC(电子器件工程联合会)(JC-11)的工业部门制定了 BGA 封装的物理标准,BGA 与 QFP 相比的最大优点是 I/O 引线间距大,已注册的引线间距有1.0、1.27 和 1.5mm,而且目前正在推荐由 1.27mm 和 1.5mm 间距的 BGA 取代0.4mm-0.5mm 的精细间距

    3、器件。BGA 器件的结构可按焊点形状分为两类:球形焊点和校状焊点。球形焊点包括陶瓷球栅阵列 CBGA(Ceramic Ball Grid Array)、载带自动键合球栅阵列 TBGA(Tape Automatec Ball Grid Array)塑料球栅阵列 PBGA(Plastic Ball Array)。 CBGA、TBGA 和 PBGA 是按封装方式的不同而划分的。柱形焊点称为CCGA(Ceramic Column Grid Array)。BGA 技术的出现是 IC 器件从四边引线封装到阵列焊点封装的一大进步,它实现了器件更小、引线更多,以及优良的电性能,另外还有一些超过常规组装技术的性

    4、能优势。这些性能优势包括高密度的 I/O 接口、良好的热耗散性能,以及能够使小型元器件具有较高的时钟频率。由于 BGA 器件相对而言其间距较大,它在再流焊接过程中具有自动排列定位的能力,所以它比相类似的其它元器件,例如 QFP,操作便捷,在组装时具有高可靠性。据国外一些印刷电路板制造技术资料反映, BGA 器件在使用常规的 SMT 工艺规程和设备进行组装生产时,能够始终如一地实现缺陷率小于20PPM(Parts Per Million,百万分率缺陷数),而与之相对应的器件,例如QFP,在组装过程中所形成的产品缺陷率至少要超过其 10 倍。综上所述,BGA 器件的性能和组装优于常规的元器件,但是

    5、许多生产厂家仍然不愿意投资开发大批量生产 BGA 器件的能力。究其原因主要是 BGA 器件焊接点的测试相当困难,不容易保证其质量和可靠性。BGA 器件焊接点检测中存在的问题目前,对以中等规模到大规模采用 BGA 器件进行电子组装的厂商,主要是采用电子测试的方式来筛选 BGA 器件的焊接缺陷。在 BGA 器件装配期间控制装配工艺过程质量和鉴别缺陷的其它办法,包括在焊剂漏印(Paste Screening)上取样测试和使用 X 射线进行装配后的最终检验,以及对电子测试的结果进行分析。满足对 BGA 器件电子测试的评定要求是一项极具挑战性的技术,因为在BGA 器件下面选定测试点是困难的。在检查和鉴别

    6、 BGA 器件的缺陷方面,电子测试通常是无能为力的,这在很大程度上增加了用于排除缺陷和返修时的费用支出。据一家国际一流的计算机制造商反映,从印刷电路板装配线上剔除的所有BGA 器件中的 50以上,采用电子测试方式对其进行测试是失败的,它们实际上并不存在缺陷,因而也就不应该被剔除掉。电子测试不能够确定是否是BGA 器件引起了测试的失效,但是它们却因此而被剔除掉。对其相关界面的仔细研究能够减少测试点和提高测试的准确性,但是这要求增加管芯级电路以提供所需的测试电路。 在检测 BGA 器件缺陷过程中,电子测试仅能确认在 BGA 连接时,判断导电电流是通还是断? 如果辅助于非物理焊接点测试,将有助于组装

    7、工艺过程的改善和 SPC(Statistical Process Control 统计工艺控制)。BGA 器件的组装是一种基本的物理连接工艺过程。为了能够确定和控制这样一种工艺过程的质量,要求了解和测试影响其长期工作可靠性的物理因素,例如:焊料量、导线与焊盘的定位情况,以及润湿性,不能单单基于电子测试所产生的结果就进行修改。BGA 检测方法的探讨目前市场上出现的 BGA 封装类型主要有:PBGA(塑料 BGA)、CBGA(陶瓷 BGA)及 TBGA(载带 BGA)。封装工艺中所要求的主要性能有:封装组件的可靠性;与 PCB 的热匹配性能;焊球的共面性;对热、湿气的敏感性;是否能通过封装体边缘对

    8、准,以及加工的经济性能。需指出的是,BGA 基板上的焊球不论是通过高温焊球(90Pb/10Sn)转换,还是采用球射工艺形成,焊球都有可能掉下丢失,或者成型过大、过小,或者发生焊球连、缺损等情况。因此,需要对 BGA 焊接后质量情况的一些指标进行检测控制。目前常用的 BGA 检测技术有电测试、边界扫描及 X 射线检测。1)电测试传统的电测试,是查找开路与短路缺陷的主要方法。其唯一的目的是在板的预制点进行实际的电连接,这样便可以撮合一个使信号流入测试板、数据流入 ATE 的接口。如果印制电路板有足够的空间设定测试点,系统就能快速、有效地查找到开路、短路及故障元件。系统也可检查元件的功能。测试仪器一

    9、般由微机控制,检测不同 PCB 时,需要相应的针床和软件。对于不同的测试功能,该仪器可提供相应工作单元来进行检测。例如,测试二极管、三极管时用直流电平单元,测试电容、电感时用交流单元,而测试低数值电容及电感、高阻值电阻时用高频信号单元。2)边界扫描检测 边界扫描技术解决了一些与复杂元件及封装密度有关的搜寻问题。采用边界扫描技术,每一个 IC 元件设计有一系列寄存器,将功能线路与检测线路分离开,并记录通过元件的检测数据。测试通路检查 IC 元件上每一个焊接点的开路、短路情况。基于边界扫描设计的检测端口,通过边缘连接器给每一个焊点提供一条通路,从而免除全节点查找的需要。尽管边界扫描提供了比电测试更

    10、广的不可见焊点检测专门设计印制电路板与 IC 元件。电测试与边界扫描检测都主要用以测试电性能,却不能较好检测焊接的质量。为提高并保证生产过程的质量,必须找寻其它方法来检测焊接质量,尤其是不可见焊点的质量。3)X 射线测试有效检测不可见焊点质量的方法是 X 射线检测,该检测方法基于 X 射线不能象透过铜、硅等材料一样透过焊料的思想。换言之,X 射线透视图可显示焊接厚度、形状及质量的密度分布。厚度与形状不仅是反映长期结构质量的指标,在测定开路、短路缺陷及焊接不足方面,也是很好的指标。此技术有助于收集量化的过程参数,这些补充数据有助于降低新产品开发费用,缩短投放市场的时间。X 射线图象检测原理X 射

    11、线由一个微焦点 X 射线管产生,穿过管壳内的一个铍管,并投射到实验样品上。样品对 X 射线的吸收率或透射率取决于样品所包含材料的成分与比率。穿过样品的 X 射线的吸收率或 X 射线敏感板上的磷涂层,并激出发光子,这些光子随后被摄像机探测到,然后对该信号进行处理放大,有计算机进一步分析或观察。不同的样品材料对 X 射线具有不同的不透明系数,处理后的灰度图像显示了被检查的物体密度或材料厚度的差异。人工 X 射线检测使用人工 X 射线检测设备,需要逐个检查焊点并确定其是否合格。该设备配有手动或电动辅助装置使组件倾斜,以便更好地进行检测和摄像。但通常的目视检测要求培训操作人员,并且易于出错。此外,人工

    12、设备并不适合对全部焊点进行检测,而只适合作工艺鉴定和工艺故障分析。自动检测系统 全自动系统能对全部焊点进行检测。虽然已定义了人工检测标准,但全自动系统的检测正确度比人工 X 射线检测方法高得多。自动检测系统通常用于产量高且品种少的生产设备上。具有高价值或要求可靠性的产品与需要进行自动检测。检测结果与需要返修的电路板一起送给返修人员。这些结果还能提供相关的统计资料,用于改进生产工艺。自动 X 射线分层系统使用了三维剖面技术。该系统能检测单面或双面表面贴装电路板,而没有传统的 X 射线系统的局限性。系统通过软件定义了所要检查焊点的面积和高度,把焊点剖成不同的截面,从而为全部检测建立完整的剖面图。目

    13、前已有两种检测焊接质量的自动测试系统上市:传输 X 射线测试系统与断面 X 射线自动测试系统。传输 X 射线测试系统源于 X 射线束沿通路复合吸收的特性。对 SMT 的某些焊接,如单面 PCB 上的 J 型引线与微间距 QFP,传输 X 射线系统是测定焊接质量最好的办法,但它却不能区分垂直重叠的特征。因此,在传输 X 射线透视图中,BGA 元件的焊缝被其引线的焊球遮蔽。对于RF 屏蔽之下的双面密集型 PCB 及元器件的不可见焊接,也存在这类问题。断面 X 射线自动测试系统克服了传输 X 射线测试系统的众多问题。它设计了一个聚焦断面,并通过上下平面散焦的方法,将 PC 的水平区域分开。该系统的成

    14、功在于只需较短的测试开发时间,就能准确检查焊接点。但断面 X 射线测试系统提供了一种非破坏性的测试方法,可检测所有类型的焊接质量,并获得有价值的调整装配工艺的信息。选择合适的 X 射线检测系统 选择适合实际生产中应用的、有较高性能价格比的 X 射线检测系统以满足控制需求是一项十分重要的工作。最近较新出现的超高分辨率 X 射线系统在检测分析缺陷方面已达微米水平,为生产线上发现较隐蔽的质量问题(包括焊接缺陷)提供了较全面的、比较省时的解决方案。在决定购买检测 X 射线系统之前,一定要了解系统在实际生产中的应用方面及所要达到的功能,以便于确定系统所需的最小分辨率,与此同时也就决定了所要购置的系统的大

    15、致价格。当然,设备的放置、人员的配置等因素也要在选购时通盘考虑。BGA 的返修 由于 BGA 封装形式与传统的表面元件不同,其引脚分布在元件体底部,所以 BGA 的维修方式也不同于传统的表面元件。BGA 返修工艺主要包括以下几步:1 电路板,芯片预热2 拆除芯片3 清洁焊盘4 涂焊锡膏,助焊剂5 贴片6 热风回流焊1)电路板,芯片预热的主要目的是将潮气去除,如果电路板和芯片的潮气很小(如芯片刚拆封,这一步可以免除)。2)拆除的芯片如果不打算重新使用,而且电路板可承受高温,拆除芯片可采用较高的温度(较短的加热周期)。3)清洁焊盘主要是将拆除芯片后留在 PCB 表面的助焊剂,焊锡膏清理掉,必须使用

    16、符合要求的清洁剂。为了保证 BGA 的焊接可靠性,一般不能使用焊盘上旧的残留焊锡膏,必须将旧的焊锡膏清除掉,除非芯片上重新形成 BGA焊锡球。由于 BGA 芯片体积小,特别是 CSP 芯片体积更小,清洁焊盘比较困难,所以在返修 CSP 芯片时,如果 CSP 的周围空间很小,就需使用非清洗焊剂。4)在 PCB 上涂焊锡膏对于 BGA 的返修结果有重要影响。为了准确均匀方便地涂焊锡膏,美国 OK 集团提供 MS-1 微型焊锡膏印板系统。通过选用与芯片相符的模板,可以很方便地将焊锡膏涂在电路板上。选择模板时,应注意BGA 芯片会比 CBGA 芯片的模板厚度薄,因为它们所需要的焊锡膏量不同。用 OK

    17、集团的 BGA3000 设备或 MP-2000 微型光学对中系统可以方便地检验焊锡膏是否涂的均匀。处理 CSP 芯片,有 3 种焊锡膏可以选择,RMA 焊锡膏,非清洗焊锡膏,水剂焊锡膏。使用 RMA 焊锡膏,回流时间可略长些,使用非清洗焊锡膏,回流温度应选的低些。5)贴片的主要目的是使 BGA 芯片上的每一个焊锡球与 PCB 上每一个对应的焊点对正。由于 BGA 芯片的焊点位于肉眼不能观测到的部位,所以必须使用专门的设备来对中。OK 集团制造的 BGA3000 和 MP-2000 设备可以精确地完成这些任务。6)热风回流焊是整个返修工艺的关键。其中,有几个问题比较重要:芯片返修回流焊的曲线应当

    18、与芯片的原始焊接曲线接近,使用 OK 集团的BGA3000 可以保证作到这点。它的热风回流焊曲线可分成四个区间:预热区,加热区,回流区,冷却区,四个区间的温度、时间参数可以分别设定,通过与计算机连接,可以将这些程序存储和随时调用。在回流焊过程中要正确选择个区的加热温度和时间,同时应注意升温的速度,一般,在 100以前,最大的升温速度不超过 6/秒,100以后最大的升温速度不超过 3/秒,在冷却区,最大的冷却速度不超过 6/ 秒。因为过高的升温和降温速度有可能损坏 PCB 和芯片,这种损坏有时是肉眼不能观察到的。OK 集团的 BGA 返修设备可以利用计算机方便地对此进行选择。不同的芯片,不同的焊

    19、锡膏,应选择不同的加热温度和时间。如 CBGA 芯片的回流温度应高于 PBGA 的回流温度, 90Pb/10Sn 应较 73Pb/Sn 焊锡膏选用更高的回流温度。热风回流焊中,PCB 板的底部必须能够加热。这种加热的目的有两个:避免由于 PCB 板的单面受热而产生翘曲和变形,使焊锡膏溶化的时间缩短。对大尺寸板返修 BGA,这种底部加热尤其重要。OK 集团的 BGA 返修设备的底部加热有两种:一种是热风加热,一种是红外加热。热风加热的优点是加热均匀,一般返修工艺建议采用这种加热。红外加热的优点是温度升高快,但缺点是PCB 受热不均匀。要选择好的热风回流喷嘴。热风回流喷嘴属于非接触式加热,加热时依靠高温空气流使 BGA 芯片上的各焊点的焊锡同时溶化。美国 OK 集团首先发明这种喷嘴,它将 BGA 元件密封,保证在整个回流过程中有稳定的温度环境,同时可保护相邻元件不被对流热空气加热损坏。

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