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BGA（球柵陣列封裝）是一種典型的高密度封裝技術(shù)，其特點(diǎn)是芯片引腳以球形焊點(diǎn)按陣列形式分布在封裝下面，可使器件更小、引腳數(shù)更多、引腳間距更大、成品組裝率更高和電性能更優(yōu)良。因此這種封裝類型器件應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是由于BGA焊點(diǎn)隱藏在芯片底部，焊接裝配后不利于檢測(cè)，另一方面國(guó)家或行業(yè)沒(méi)有制定BGA焊接質(zhì)量檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，所以BGA焊接質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)是這類器件應(yīng)用中的一大問(wèn)題。
目前BGA焊接質(zhì)量檢測(cè)手段非常局限，常用的檢測(cè)手段包括：目檢、飛針電子測(cè)試、X射線檢測(cè)、染色檢測(cè)和切片檢測(cè)。其中染色和切片檢測(cè)為破壞性檢測(cè)，可作為失效分析手段，不適于焊接質(zhì)量檢測(cè)。無(wú)損檢測(cè)中目檢僅能檢測(cè)器件邊緣的焊球，不能檢測(cè)焊球內(nèi)部缺陷；飛針電子測(cè)試誤判率太高；而X射線檢測(cè)利用X射線透射特性，可以很好地檢測(cè)隱藏在器件下方的焊球焊接情況，是目前最有效的BGA焊接質(zhì)量檢測(cè)方法。但是目前X射線僅限于檢測(cè)連焊和空洞等有限的幾種缺陷的檢測(cè)，不能覆蓋全部BGA焊接缺陷；同時(shí)缺乏檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。
1 常見(jiàn)的BGA焊接缺陷及其特征
1.1 焊球橋連
BGA焊球橋連是指兩個(gè)或多個(gè)BGA焊球粘連在一起形成短路的一種缺陷。這種缺陷是由于BGA焊球融化后流動(dòng)造成粘連導(dǎo)致的一種缺陷。由于這種缺陷會(huì)導(dǎo)致短路是決不允許的一種嚴(yán)重缺陷。
1.2 焊球丟失
BGA焊球丟失是指焊接后出現(xiàn)焊球缺失的一種缺陷。這種缺陷可能是由于植球過(guò)程中遺漏，也可能是焊接過(guò)程中焊球流入PCB通孔造成的一種缺陷。這種缺陷將直接導(dǎo)致無(wú)電氣連接，是決不允許出現(xiàn)的嚴(yán)重缺陷。
1.3 焊球移位
焊球移位是指BGA焊球與PCB焊盤未能完全對(duì)準(zhǔn)，存在相對(duì)位移的一種缺陷。這種缺陷常常不影響電氣連接，但對(duì)器件焊接的機(jī)械性能有影響。實(shí)際工作中常常允許焊球相對(duì)于焊盤有最大25%的位移，但是相鄰焊球之間的間隙不能減小25%及以上。
1.4 焊球空洞
焊球空洞是指BGA焊球中存在氣泡的一種缺陷。這種缺陷往往是由于焊錫膏中的有機(jī)成分未能及時(shí)排除或焊盤未清洗干凈造成的。焊球氣泡對(duì)信號(hào)傳輸有一些影響 ，而更主要的影響是氣泡會(huì)影響機(jī)械性能。實(shí)際工作中生產(chǎn)單位或使用方常常規(guī)定焊點(diǎn)內(nèi)氣泡總量不超過(guò)某一閾值，比如空洞面積小于等于焊球投影面積的25%即為合格。
1.5 虛焊
虛焊是指BGA焊球未與焊盤形成真正的電氣連接的一種缺陷。這種缺陷往往與金屬間化合物的形成有關(guān)，表現(xiàn)形式是電氣連接不良或不通，對(duì)其施加外力時(shí)電氣連接良好。除這些間接表現(xiàn)形式外，虛焊難以通過(guò)無(wú)損方式直接被檢測(cè)到。
1.6 枕頭效應(yīng)（HIP）
枕頭效應(yīng)是指BGA焊球和焊膏沒(méi)有完全融合在一起或成部分融合擠壓的凹形或沒(méi)有擴(kuò)散的凸形 。這種缺陷常常沒(méi)有特殊的表現(xiàn)形式，并且不容易被檢測(cè)手段查出，但是在后期使用過(guò)程焊點(diǎn)容易斷裂形成虛焊，所以危害較大。
2 X射線檢測(cè)BGA焊接質(zhì)量
2.1 X射線檢測(cè)設(shè)備
X射線檢測(cè)常用設(shè)備是X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，該設(shè)備分為二維成像和3D斷層掃描兩類。其原理都是利用X射線穿透被測(cè)樣品后，被圖像接收器接收后轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，圖像表現(xiàn)出明顯的灰度對(duì)比。圖像中灰度大的區(qū)域表明X光能量衰減多，說(shuō)明該區(qū)域材料厚或材料原子序數(shù)大。二維成像觀察到的是被測(cè)件的俯視圖，它具有成像快的優(yōu)點(diǎn)。圖1為正常BGA焊球二維X射線圖，圖片中黑色圓為BGA焊球。因?yàn)楹盖虺煞譃殄a合金，所以吸收X光多，相對(duì)于周邊材料灰度大。三維斷層掃描是利用設(shè)備中機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)，從各個(gè)角度對(duì)樣品進(jìn)行掃描，通過(guò)軟件分析處理，形成被測(cè)樣品三維形貌。這種測(cè)試方式能更真實(shí)和清晰地反映被測(cè)樣品內(nèi)部的真實(shí)狀態(tài)，但是掃描時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試成本高。
圖1 正常BG A焊球二維X射線圖
2.2 BGA焊接質(zhì)量的X射線檢測(cè)流程
BGA器件常常有數(shù)百粒焊球，并且可能同時(shí)具有多種焊接缺陷。檢測(cè)既不能漏掉某類缺陷又要兼顧效率，工程經(jīng)驗(yàn)和合理的檢測(cè)流程十分重要。圖2為BGA焊接質(zhì)量的X射線檢測(cè)流程，先通過(guò)二維X射線檢測(cè)BGA焊接，再根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析是否需要進(jìn)行3D斷層掃描。二維X射線檢測(cè)應(yīng)采用五點(diǎn)檢測(cè)法：著重檢測(cè)器件四周及中心五點(diǎn)，快速檢測(cè)其他區(qū)域。如果BGA焊球形狀（正常為圓形）、大小和灰度都無(wú)異常，那么可不進(jìn)行3D斷層掃描檢測(cè)；若存在焊球大小異常、形狀異常、空洞較大和邊界模糊等，則需要對(duì)這些焊球進(jìn)行3D掃描。
圖2 BG A焊接質(zhì)量的X射線檢測(cè)流程
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及檢測(cè)判據(jù)
3.1 焊球橋連與焊球丟失檢測(cè)
二維X射線檢測(cè)很容易檢測(cè)到這兩種缺陷。常常僅需觀察BGA器件的全貌就能輕易發(fā)現(xiàn)是否存在焊球橋連和焊球丟失。焊球橋連在X射線圖片中的表現(xiàn)是相鄰的焊球之間沒(méi)有間隙。圖3為BGA焊球橋連X射線形貌，圖中紅色圓內(nèi)即是相鄰兩個(gè)焊球橋連的情況。因?yàn)锽GA焊球是以相同間距整齊排列在器件下方，所以焊球丟失在X射線檢測(cè)圖片中的表現(xiàn)更加明顯。常見(jiàn)的形貌是在相應(yīng)位置缺少焊球，圖4為BGA焊球丟失X射線形貌，箭頭所指區(qū)域丟失了一顆焊球。
圖3 BG A焊球橋連的X射線形貌
圖4 BG A焊球丟失的X射線形貌
3.2 焊球移位檢測(cè)
焊球移位的表現(xiàn)形式是BGA焊球整體向某一方向扭曲。這種缺陷很容易被X射線檢測(cè)所觀察，更關(guān)鍵的是需要檢測(cè)焊球移位的嚴(yán)重程度。這需要將BGA放大，并調(diào)節(jié)X射線強(qiáng)度和圖像對(duì)比度等參數(shù)，使圖像足夠清晰，以便測(cè)量焊球中心相對(duì)于焊盤偏移的程度。圖5為焊球移位二維俯視圖， L 為焊球球心至焊盤圓心的距離， D 為焊盤直徑。焊球移位偏移量的計(jì)算公式為 L / D 。這個(gè)偏移量一般需要根據(jù)用戶的具體需求來(lái)判定焊接是否合格，通用的判據(jù)為L(zhǎng) / D <25%。
圖5 位焊球俯視圖
3.3 焊球空洞檢測(cè)
通過(guò)二維X射線成像很容易觀察到焊球內(nèi)部空洞，圖6為焊球空洞的X射線形貌。圖中箭頭所指的區(qū)域即是焊球空洞，焊點(diǎn)黑色背景中的白色明亮部分。X射線成像系統(tǒng)在軟件中都集成了焊球空洞面積計(jì)算功能。一般來(lái)說(shuō)若空洞面積總和超過(guò)焊球面積的25%為不合格，需要返修。
圖6 球空洞的X射線形貌
3.4 虛焊檢測(cè)
3.4.1 二維X射線檢測(cè)初步診斷虛焊
為提升檢測(cè)效率，常常先用二維X射線對(duì)有無(wú)虛焊做初步診斷。具體操作時(shí)將X光光源傾斜進(jìn)行觀察。圖7為傾斜光源后焊球X射線二維形貌，如圖7所示應(yīng)能看到相互嵌套的三個(gè)圓。若僅能看到其中兩個(gè)圓，同時(shí)焊球形狀異常（周界模糊，大小異常，灰度較暗），那么這類焊球很有可能有虛焊的缺陷，應(yīng)進(jìn)行3D斷層掃描檢測(cè)。
圖7 傾斜光源后焊球X射線二維形貌
3.4.2 3D X射線檢測(cè)檢測(cè)虛焊
虛焊很難通過(guò)二維X射線檢測(cè)觀測(cè)，更多的時(shí)候這種缺陷僅能通過(guò)切片做金像觀察來(lái)檢測(cè)，而這種方式是破壞性的。隨著技術(shù)進(jìn)步可以通過(guò)借助3D斷層掃描來(lái)完成檢測(cè)。圖8為BGA虛焊的 3D形貌及截面斷層掃描圖，畫面左側(cè)金色球體為BGA焊球3D形貌圖，紅色圓圈中的焊球?yàn)樘摵负盖颍划嬅嬗覀?cè)為焊球的斷層掃描截面圖，紅色圓圈中為虛焊焊球。
圖8 BGA虛焊的3D形貌及截面圖
3.5 枕頭效應(yīng)檢測(cè)
與虛焊類似，枕頭效應(yīng)也很難通過(guò)二維X射線檢測(cè)來(lái)觀測(cè)，而是需要借助3D斷層掃描來(lái)檢測(cè)。圖9為BGA焊球枕頭效應(yīng)X射線3D形貌，圖10則是BGA焊球枕頭效應(yīng)截面斷層掃描形貌。
圖9 BGA焊球枕頭效應(yīng)X射線3D形貌
圖10 BGA焊球枕頭效應(yīng)截面斷層掃描形貌
BGA焊接質(zhì)量包括焊球連焊、焊球丟失、焊球移位、焊球空洞、虛焊和枕頭效應(yīng)。這些缺陷都會(huì)影響電路的可靠性，有些是立即表現(xiàn)出來(lái)，如焊球連焊會(huì)形成短路；而有些則在使用中表現(xiàn)出來(lái)，比如枕頭效應(yīng)在使用中焊球易在枕頭處斷裂形成虛焊。即時(shí)表現(xiàn)的缺陷我們通過(guò)一些檢測(cè)比較容易排查，而非即時(shí)表現(xiàn)的缺陷對(duì)電子系統(tǒng)危害更大，則更應(yīng)該加強(qiáng)檢測(cè)及時(shí)排查。
一般認(rèn)為X射線僅能檢測(cè)包括連焊、焊球丟失、焊球移位和空洞這幾類缺陷。引入3D斷層掃描，使得X射線檢測(cè)能覆蓋所有BGA焊接常見(jiàn)缺陷。特別是虛焊和枕頭效應(yīng)的檢測(cè)，不再僅僅依賴破壞性檢測(cè)手段。另一方面，在實(shí)際工程應(yīng)用中，為兼顧檢測(cè)效率，需要將二維成像和3D斷層掃描結(jié)合。通過(guò)二維成像快速檢測(cè)整體焊接質(zhì)量，排查焊球連焊、焊球丟失、焊球移位和焊球空洞，初步判定虛焊。再根據(jù)實(shí)際情況用3D斷層掃描確診是否存在虛焊和枕頭效應(yīng)。綜合利用兩種技術(shù)手段可以完成BGA器件焊接質(zhì)量檢測(cè)，為BGA器件應(yīng)用提供可靠的質(zhì)量保證。
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