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BGA技术与质量控制
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BGA Technology and Quality Control
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■烽火通信科技股份有限公司 鲜飞
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BGA(Ball Grid Array 球栅阵列封装)是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。本文将就BGA器件焊点的质量控制作一介绍。
BGA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。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。
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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