BGA焊接技术与X-ray检测技术

从生产过程中的质量控制角度出发,探讨了目前一些生产中应用于球栅阵列封装(BGA)的检测方法和实用系统,详细论述了X射线检测系统的开发原理及研究应用状况,指出掌握和提高检测技术,将能有效控制BGA的焊接和组装质量。
 BGA技术是将原来器件PLCC/QFP封装的"J"形或翼形引线,改变成球形引脚;把从器件本体四周“单线性”顺列引出的引线,改变成本体腹底之下“全平面”式的格栅阵排列。这样,既可以疏散引脚间距,又能够增加引脚数目。同时BGA封装还有如下一些优点;减少引脚缺陷,改善共面问题,减小引线间电感及电容,增强电性能及散热性能。正因如此, 所以在电子元器件封装领域中,BGA技术被广泛应用。尤其是近些年来。以BGA技术封装的元器件在市场上大量出现,并呈现高速增长的趋势。
虽然BGA技术在某些方面有所突破,但并非是十全十美的。由于BGA封装技术是一种新型封装技术,与QFP技术相比,有许多新技术指示需得到控制。另外,它焊装后的焊点隐藏在封装之下,不可能100%目测检测表面安排的焊接质量,为BGA安装的质量控制提出了难题。下面使国内外对这方面技术的研究,开发应用作些介绍和探讨。
1、 BGA焊前检测与质量控制
生产中的质量控制非常重要,尤其是在BGA封装中,任何缺陷都会导致BGA封装元器件在印制电路板焊装过程出现差错,会在以后的工艺中引发质量问题。封装工艺中所要求的主要性以有:封装组件的可靠性;与PCB的热匹配性;焊料球的共面性;对热,湿气的敏感性;是否能通过封装体边缘对准性,以及加工的经济性等。需指出的是,BGA基板上的焊球无论是通过高温焊球(90pb/10su)转换,还是采用球射工艺形成,焊球都有可能掉下丢失,或者成形过大,过小,或者发生焊料桥接,缺损等情况。因此,在对BGA进行表面贴装之前,需对其中的一些指标进行检测控制。
英国Scantron公司研究和开发的Proscan1000,用于检测焊料球的共面性,封装是否变形以及所有的焊料球是否都存在。Proscan1000采用三角激光测量法,测量光束下的物体沿X轴和Y轴移动时,在Z轴方向的距离,并将物体的三维表面信息进行数字化处理,以便分析和检查。该软件以2 000点/S的速度扫描100万个数据点,直到亚微米级。扫描结果以水平,等量和截面示图显示在高分辩VGA监视器上,Proscan1000还能计算表面粗糙度参数,体积,表面积和截面积。
2、 BGA焊后质量检测
使用球珊阵列封装(BGA)器件给质量检测和控制部门带来难题:如何检测焊后安装质量。由于这类器件焊装后,检测人员不可能见到封装材料下面的部分,从而使目检焊接质量成为空谈。其它如板载芯片(COB)及倒装芯片安装等新技术也面临着同样的问题。而且与BGA器件类似,QFP器件的RF屏蔽也挡住了视线,使目检者看不见全部焊接点。为满足用户对可靠性的要求,必须解决不可见焊点的检测问题。光学与激光系统的检测能力与目检相似,因为它们同样需要通过视线来检测。即使使用QFP自动检测系统AOI(Automated Optical lnspection)也不能判定焊接质量,原因是无法看到焊接点。为解决这此问题,必须寻求其它的检测办法。目前的生产检测技术有电测试,边界扫描及X射线检测。
2.1 电测式
传统的电测试是查找开路与短路缺陷的主要方法。其唯一目的是在板的预置点进行的电连接,这样便可以提供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,有效地查到开路,短路及故障器件。系统也可检 查器件的功能。测试仪器一般由微机控制,检测每块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时行检测。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,电感及高阻值电阻高频信号单元。但在封装密度与不可见焊点数量都大量增加时,寻找线路节点则变得昂贵,不可靠。
2.2 边界扫描检测
边界扫描技术解决了一些复杂器件及封装密度有关的问题。采用边界扫描技术,每一个IC器件设计一系列寄存器,将功能线路与检测线路分离开,并记录通过器件的检测数据。测试通路检查IC器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广的不可见焊点检测范围,但也必须为扫描检测专门设计印制电路板与IC器件。电测试与边界扫描检测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,必须寻找其它方法来检测焊接质量,尤其是不可见焊点的质量。
2.3 X 射线测试
另一种检测方法是X射线检测,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并检测缺陷。在今天这个生产竞争的时代,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。
(1)X射线图像检测原理:
X射线由一个微焦点X射线管产生,穿 过管壳内的一个铍窗,并股射到试验样品上。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对比率。穿 过样品的X射线轰击到X射线敏感板上的磷涂层,并激发出光子,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,由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见表2。处理后的灰度图像显示了被检查的物体密度的差异。
                     
表2 不同材料对X射线的不透明度系数:

(2)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。详细定义的标准或目视检测图表可指导评估图像。但通常的目视检测要求培训操作人员,并且容易出错。此外,人工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。

(3)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,但全自动系统的复测正确度比人工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,且有高价值或要求可靠性的产品也需要进行自动检测。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。

自动检测系统需要设置正确的检测参数。大多数新系统的件中都定义了检测指标,但必须重新制订,要适应以生产工艺中所特有的因素,否则可能产生错误的信息并全降低系统的可靠性。

自动X射线分层系统使用了三维剖面技术。该系统能够检测单面和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型引线与细间距QFP.传输X射线系统是测定焊接质量最好的方法,但它却不能区分垂直重叠的特征。困此,在传输X射线透视图中,BGA器件的焊缝被其引线的焊球遮掩。对于RF屏敞之下的双面密集型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,并通过使目标区域上下平面散焦的方法,将PCB的水平区域分开。该系统的成功在于只需较短的测试开发时间,就能准确检测出焊接缺陷。就多数线路板而言,;无夹具;也有助于减少在产品检测上所花的精力。对于小体积的复杂产品,制造厂商最好便用断面X射线测系统。虽然所有方法都可检查焊接点,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组装工艺的信息。

(4)选择合适的X射线检测系统

选择适合实际生产应用的,有较高性能价格比的X射线检测系统以满足质量控制需要是一项十分重要的工作。最近较新的超高分辩X射线系统在检测及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,也比较省时的解决方案。在决定购买检测X射线系统之前,一定要了解系统所需的最小分辩,见表3.与此同时也就决定了所要购置的系统的大致价格。当然,设备的放置,人员配备等因素也要在选购时全盘考虑。

4.结束语

随着BGA封装器件的出现并大量进入市场,针对高封装密度,焊点不可见等特点,电子厂商为控制BGAS的焊接质量,需充分应用高科技工具,手段,努力掌握和大力提提高检测技术水平,使用新的工艺方法能有与之相适应,相匹配的检测手段。只有这样,生产过程中的质量问题才能得到有效控制。而且,把检测过程中反映生产更加顺畅,减少返修工作量。