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BGA组装制程能力分析
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Analyse BGA Assembly Process Capability
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由于BGA组装与现在的焊接装配技术完全兼容，芯片规模的BGA栅格间距为0.5mm、0.65mm、0.80mm，塑料或陶瓷的BGA具有相对较宽的接触间距（1.50mm、1.27mm、1.00mm），密间距的BGA比密间距的引脚包装IC较不容易受损坏，且BGA标准允许选择地去掉接触点以满足特定的I/O要求。BGA技术已发展为SMT制造业的前沿技术，BGA封装正迅速成为密间距和超密间距技术所选择的封装，在提供一个可靠的装配工艺的同时达到高密度的互连，使得在工业范围内越来越多地采用这种封装形式。
X射线断层照相检查设备在BGA组装中的应用
直到BGA使用到产品应用设计中的时候，大多数PCB与电子制造商还没有发现将X光检查使用到其生产过程中的太多需要。传统的方法，诸如人工视觉检查（MVI）和电气测试，包括制造缺陷分析（MDA）、在线测试（ICT）和功能测试（FBT），已经足够。可是，这些方法不足以检查隐蔽的焊锡点问题，诸如空洞、冷焊和焊锡附着差。X光检查系统是一个被证实的、检查隐蔽的焊锡点、帮助建立与控制制造过程、分析原型、确认过程缺陷的工具。它们效率高、并且与MDA、ICT和AOI系统不一样，它们可以迅速确认短路、开路、空洞和BGA及其它区域排列组装在板上的锡球不对准，监测过程品质和提供统计过程控制（SPC）所要求的即时反馈数据。
X射线断层照相设备可以把焊球分层，产生断层照相的结果。X射线断层照相的图片能够根据CAD原始设计数据和用户设置的参数进行自动分析焊点，它实时地进行断层扫描，能够在几十秒或2min之内对PCB两面的所有元件的所有焊点进行精确的对比分析，得出焊接合格与否的结论。
BGA组装过程及其变异来源
为了更有效地使用X光检查系统，我们必须明确BGA组装过程的控制参数和参数控制极限。BGA组装过程概述如下：
锡膏印刷→检查→BGA放置→回流焊→检查。
在生产过程中，具有共晶锡球的BGA贴装在锡膏中时，其位置通常在回流期间通过液态焊锡的自我对中得到纠正，因此贴装精度不象密脚引脚型元件那么关键，故BGA器件组装工艺中主要的控制环节是锡膏印刷和回流焊。当然，焊接点的形状和尺寸的变异也与其它许多因素有关。
要消除所有变异是不可能的，因此生产过程控制的关键是减少每一生产环节的变异。对不同变量及其对最终组装产品的影响要进行仔细分析和量化处理。考虑从BGA器件到PCB组装整个过程，影响焊接点质量的主要变量有：
1．焊球体积;
2．BGA器件焊盘尺寸;
3．PCB焊盘尺寸;
4．锡膏印刷量;
5．回流焊过程中BGA器件变形;
6.回流焊过程中BGA器件贴装区域PCB变形;
7．贴片放置精度;
8．回流焊温度曲线。
不管用哪种检查设备进行检查，判断焊点的质量是否合格都必须有依据。IPC-A-610C的12.2.12专门对BGA焊点的接收标准进行了定义。优良的BGA焊点的要求是焊点光滑、圆、边界清晰、无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一样，位置对准，无偏移或扭转，无焊料球。
BGA组装制程能力研究
以下论述是针对具有共晶锡球、使用免清洗焊膏、520脚塑料封装PBGA器件，其尺寸为2″ 2″，有五层锡球阵列。对BGA放置精度、BGA回流焊过程中焊点开路和焊点短路产生几率等，进行6Sigma制程能力分析。其数据统计及计算前提假设如下：
1．BGA器件和PCB板上的焊盘尺寸无变异;
2．BGA器件无变形（回流焊过程）;
3.回流焊后根据焊点（锡球和锡膏）平均体积计算平均标准偏差;
4．BGA器件重量假设由浮力和表面张力而平衡;
5．焊盘和共晶锡球，可焊性好;
6．所有分布均为正态分布。
BGA放置
使用标准SMT设备进行BGA放置。一般贴片设备具备BGA共晶锡球图象识别能力，其放置过程能力为：
3mils @ 6sigma
其它影响放置过程能力的变量有：
锡膏印刷能力＝ 4mils @ 6sigma
PCB焊盘X、Y位置精度＝ 3mils @ 6sigma
共晶锡球X、Y位置精度＝ 3mils @ 6sigma
合并标准偏差可估算为： c＝ 1＋ 2＋ 3＋ 4＋…
其中, 1， 2， 3， 4…为制程各变异组成部分的标准偏差。
由此可计算出制程能力为6sigma时，最大放置偏差为6.53 mils。焊盘尺寸为直径28 mils，因锡膏熔化时表面张力产生的器件自我对中，该放置偏差可忽略，排除了BGA器件放置偏离的顾虑。虽因PCB流转过程中运动或操作者人为因素会使锡球对准存在偏差，但就BGA器件放置过程而言，其制程能力为6sigma水平。
焊点开路
在组装过程中，因共晶锡球塌陷不足而产生焊点开路。对520脚PBGA，共晶锡球为直径30 mils的球体，其形成过程标准偏差为500mils3（以体积计算），共晶锡球体积规格值为14130mils3。BGA和PCB上的焊盘直径均为28
mils，锡膏印刷厚度通常为6 mils，故BGA锡球器件侧的平均高度可粗略为24 mils，考虑锡球体积变异的6sigma能力，则：
锡球高度差（共面性）＝5.0 mils @ 6sigma
器件贴装处PCB板形变量＝6.0 mils @ 6sigma
合并共面性(从零基准面计算) ＝7.8 mils @ 6sigma
经回流焊后，由焊点平均体积（锡球和锡膏体积）决定的焊接接合支座高度为19 mils。在制程能力为6sigma时，锡膏厚度经测量为4～8
mils。且发现BGA锡球在放置过程中会塌陷进入锡膏3mils，则：
锡球下方锡膏最小厚度＝3 mils
锡球塌陷最小值＝7 mils
合并塌陷最小值＝10 mils
防止开路产生的最小安全允差＝2.2 mils
以上变量如能控制在确定的规格内, 则BGA回流焊制程可达到6Sigma能力。
不幸的是，通常在BGA回流焊组装时，BGA和PCB板的变形会使焊接接合处高度不一致。BGA器件和PCB板二者的焊盘直径也各自存在一定差异，会产生制程变异。以上二因素在实际计算制程能力时，均应考虑。总之，如计入所有变异因素，则焊点开路仍可能产生。因此，可用X光检查系统进行潜在的焊点开路等缺陷检查。
焊点桥连（短路）
用同样的方法，可估算焊点短路对组装制程能力的影响。焊点直径存在差异，测量数据表明其单个焊接点合并焊接体积（锡球和锡膏）在6sigma制程能力时为12800～19250
mils3。据此，假定最小焊点接合支座高度为15 mils，则焊接接合直径最大可达38.5 mils，当BGA栅格间距为50 mils时，焊点短路产生可能性极小（人为因素除外）。
SPC分析
有效控制BGA组装制程，可使焊接接合处质量变异极少。但实际组装过程中，以下变量常会使制程产生波动，需要对其进行连续监测：
1．锡膏高度和体积;
2．BGA器件侧接合点直径;
3．PCB焊盘侧接合点直径;
4．接合点中心接合直径;
5．空洞大小和产生几率;
6．锡球;
对锡膏厚度可用激光检测设备监控，根据需要的焊点形状和一致性，其制程变异可控制在一定水平内。因为X射线透射技术无法测量不同高度处的直径，焊接点接合直径测量常用X射线断层照相检查设备。
图1和图2对焊接接合中心半径和PCB焊盘侧焊接接合半径进行X-bar分析，从图中可看出，21#样品(点)在二图中均超出管制界限，经检查后发现21#样品(点)为焊接点"去湿"。
从图中可看出，焊接接合处接合点最小半径及较小半径均分布在PCB焊盘侧，因此，焊接接合直径拒收控制下限应设定在焊盘侧。X光断层照相显示，PCB焊盘接合处接合点与相邻BGA器件侧接合点相比，明显偏小。且焊盘接合处接合点呈颈缩形，这种变异是BGA技术固有的。
结论
BGA组装在各制程变量受控时，其可达6Sigma制程组装能力（3.4ppm）。本文讨论的所有变量如能控制在规格值内，则缺陷产生几率非常小，制程检查可完全取消。但实际组装中，许多变量不能完全受控，故可用X射线断层检查设备对制程进行监测，并利用即时数据进行制程SPC控制，满足质量控制要求。
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