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        關(guān)于BGA封裝器件焊點(diǎn)缺陷X—射線檢測法的探討

        2015-10-21 18:07:05張維成
        基層建設(shè) 2015年9期
        關(guān)鍵詞:缺陷

        張維成

        摘要:制造者一般都是采用目視觀察的方法,觀察最外面一圈焊點(diǎn)的塌陷是否一致,再將芯片對著光線觀察。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用X -射線檢測儀檢查BGA 封裝器件的焊點(diǎn),可以快速、準(zhǔn)確地檢測出BGA 封裝器件中焊點(diǎn)的橋連、空洞、虛焊等缺陷,在BGA 封裝器件焊點(diǎn)的質(zhì)量檢測方面得到廣泛應(yīng)用。本文所用儀器和檢測方法能夠自動(dòng)計(jì)算BGA 封裝器件貼裝焊點(diǎn)的空洞率,對空洞缺陷的快速檢測和預(yù)防具有實(shí)際意義。

        關(guān)鍵詞:BGA;無損檢測;缺陷

        引言:

        對于表面組裝焊點(diǎn),常用的無損檢測方法有X -射線檢測、三維光學(xué)攝像檢驗(yàn)、激光/紅外檢測、超聲波檢測等多種方法。要想不破壞BGA 封裝器件本身的結(jié)構(gòu)、性能等,就可以看出BGA 封裝器件內(nèi)在的缺陷或者是更加準(zhǔn)確地檢測出焊點(diǎn)的質(zhì)量,就必須采用其它更為先進(jìn)、可靠的無損檢測方法。通過對BGA 封裝器件可視圖像X -射線檢測和分析,可以準(zhǔn)確地檢測出BGA 封裝器件貼裝焊點(diǎn)的各種缺陷。

        一.試驗(yàn)材料與儀器

        (一)試驗(yàn)材料

        測試工件為采用再流焊焊接的BGA 封裝器件,基板材料為FR -4,釬料為A lpha公司生產(chǎn)的Sn62 /Pb36 /Ag2合金焊膏,BGA 焊球的直徑為0.7mm,I /O 端子間距為1.27 mm,通過貼片機(jī)或貼片裝置完成BGA 貼裝。

        (二)X -射線檢測儀

        實(shí)驗(yàn)所用X - 射線檢測儀型號(hào)為HAWK -160X I型。X -射線檢測儀的工作原理是由在高電壓下產(chǎn)生的電子束照射到金屬鎢表面,產(chǎn)生X 射線,產(chǎn)生的X 束射線傾斜向下照射并高速旋轉(zhuǎn),同時(shí)在下面有一個(gè)閃爍器平臺(tái)也以同樣的速度與X射線同步旋轉(zhuǎn),閃爍器平臺(tái)實(shí)際上是一個(gè)對X -射線敏感的接收器。

        一般來講,X -射線不能透過錫、鉛等重金屬,從而形成深色影像;而一般的物質(zhì)則被X -射線穿透,不會(huì)形成影像。X -射線在光源與閃爍器平臺(tái)之間的某一位置上聚焦,出現(xiàn)一個(gè)聚焦平面,聚焦平面上的物體或圖像會(huì)在閃爍器平臺(tái)上形成一個(gè)清晰的圖像,不在聚焦平面上的物體或圖像在閃爍器平臺(tái)上則被”虛掉“,只有一個(gè)陰影。

        二.試驗(yàn)結(jié)果及分析

        (一)BGA 封裝器件焊點(diǎn)的缺陷的檢測

        在BGA 封裝器件的生產(chǎn)過程中,可能會(huì)造成焊球丟失、焊球過小或過大、焊球橋連以及焊球缺損等。對BGA 封裝器件進(jìn)行檢查,主要是檢查焊球是否丟失或變形。

        對BGA 封裝器件組裝焊點(diǎn)的檢查,主要檢查焊點(diǎn)是否存在橋接、開路、釬料不足、缺球、氣孔、移位等[6]。由于本研究工作是為了檢驗(yàn)X -射線檢測BGA 封裝器件組裝焊點(diǎn)缺陷的可靠性,上述缺陷中部分是人為設(shè)置的。

        (二)X -射線檢測結(jié)果分析

        采用X -射線檢測時(shí),電壓調(diào)節(jié)為105 kV,電流調(diào)節(jié)為100 mA,觀察缺陷圖片并分析生產(chǎn)過程中缺陷產(chǎn)生的原因。

        1.橋連缺陷的檢測

        PCB 雙面貼裝器件采用X -射線檢測的橋連和反面器件圖像似乎有點(diǎn)混淆。

        對比分析如圖2和圖3所示,可以清楚辨別出圖2 為極其明顯的橋連缺陷。產(chǎn)生的原因可能是BGA 器件聚集在一起,在回流爐中引起PCB板的熱不平衡,或者是由于溫區(qū)曲線設(shè)置不合理,印制板焊區(qū)表面阻焊層設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)?。原因造成的?/p>

        如圖4 的短路是由于與BGA 器件焊盤相鄰的過孔沒有很好地覆蓋阻焊層,使得有過多的釬料從焊盤流到過孔中,從而引起焊盤短路。相關(guān)產(chǎn)品的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求焊點(diǎn)不能存在短路或橋接,而采用X -射線檢測BGA 器件的橋連缺陷比其它幾種無損檢測方法都容易觀察、判別。

        2.空洞缺陷的檢測

        BGA 焊球本身在焊接前就可能帶有空洞或氣孔,是由于BGA 焊球生產(chǎn)工藝造成的。PCB 再流焊時(shí),溫度曲線設(shè)計(jì)不合理則是形成空洞的重要原因。通常發(fā)現(xiàn)空洞幾率最多的位置是在元件層,也就是焊球的中央到BGA 基板之間的部分。這有可能是因?yàn)镻CB上面BGA 的焊盤在再流焊接的過程中,存在空氣氣泡和易揮發(fā)的助焊劑氣體,當(dāng)共晶成分的BGA 焊球與所施加的焊膏在再流焊過程中熔為一體時(shí)則易形成空洞。

        X -射線檢測的BGA 焊點(diǎn)的典型空洞缺陷圖像如圖5所示,HAWK - 160XI型X -射線檢測儀自動(dòng)計(jì)算出圖6焊球中空洞率為9.83 %。它能夠真實(shí)反映實(shí)物中的缺陷,為控制產(chǎn)品的質(zhì)量提供了保證。

        在實(shí)際生產(chǎn)中,需要客觀地評(píng)估空洞??斩吹奈恢门c尺寸是驗(yàn)收合格的關(guān)鍵因素。由于目前尚沒有空洞缺陷允許尺寸的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),所以通常情況下是按照IPC - 7095來判別的。按照IPC - 7095 中規(guī)定空洞的接收/拒收標(biāo)準(zhǔn)主要考慮兩點(diǎn):空洞的位置及尺寸。

        空洞不論是存在在什么位置,是在焊料球中間或是在焊盤層或元件層,空洞尺寸及數(shù)量不同都會(huì)對質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生影響。如果多個(gè)空洞出現(xiàn)在焊點(diǎn)中,空洞的總和不能超過焊料球直徑的20 %,即空洞率不超過20 %,否則視為不合格。

        3.缺球缺陷

        缺球缺陷可通過比較實(shí)物與X -射線檢測圖像發(fā)現(xiàn)。缺球缺陷會(huì)使得PCB 產(chǎn)生斷路,其電學(xué)性能受到影響。X -射線檢測BGA 器件的缺球缺陷圖像如圖7所示。

        從圖7中可以清楚看出,右下角出現(xiàn)缺球缺陷,在BGA 封裝中不允許缺球缺陷存在。

        4.錯(cuò)位缺陷

        錯(cuò)位缺陷在X -射線檢測中明顯表現(xiàn)在過孔三維圖像及BGA 焊球的灰度級(jí)別上,如圖8所示。焊球與焊盤沒有很好地對準(zhǔn),使得圖像中焊球均有陰圖8 BGA 焊球的錯(cuò)位影,對產(chǎn)品的性能影響較大。

        雖然相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定貼片中可以允許有50 %的貼片誤差,但是采用X –射線測試儀能快速、準(zhǔn)確地檢測到BGA 焊球的錯(cuò)位,這樣可以采取技術(shù)措施,使BGA 貼片機(jī)能夠及時(shí)調(diào)整并自動(dòng)校準(zhǔn),從而避免錯(cuò)位缺陷的產(chǎn)生。

        5.虛焊

        從圖9(a)中明顯看出左下角的焊球明顯偏小,圖9(b)圖中間的焊球邊緣不平滑,圖9(c)中左兩排焊球不圓,它們都可能造成虛焊,X -射線檢測法比其它幾種無損檢測方法都容易檢測出虛焊。特別是圖9(b)是經(jīng)過X -射線在旋轉(zhuǎn)20°的時(shí)的檢測結(jié)果,這是其它幾種無損檢測方法都無法達(dá)到的。

        顆粒之間鋪展,降低表面張力,迅速減弱顆粒和表面間的作用力,使整個(gè)顆粒從表面上解吸,達(dá)到去除顆粒的目的。

        虛焊在BGA 器件的焊接中的影響是不可忽視的,它易于脫落,使器件的電性能受到影響,其力學(xué)性能也降低,是一種采用常規(guī)檢測方法難以檢測出的缺陷。因此,利用表面活性劑可以控制顆粒在表面的吸附狀態(tài),達(dá)到去除顆粒污染的目的。

        結(jié)束語:

        通過采用X -射線檢測儀檢測了BGA 封裝器件安裝焊點(diǎn)的幾種常見缺陷,分析、闡述了其圖像與相應(yīng)缺陷的關(guān)系,結(jié)果表明X -射線檢測方法能夠準(zhǔn)確地檢測出BGA 封裝器件安裝中的各種焊點(diǎn)缺陷,并能夠自動(dòng)計(jì)算BGA 封裝器件安裝焊點(diǎn)的空洞率,對空洞缺陷的快速檢測和預(yù)防具有實(shí)際意義。

        參考文獻(xiàn):

        [1]張瑞秋,張憲民,陳忠.基于三維X射線和Fisher準(zhǔn)則的BGA焊點(diǎn)檢測算法[J].焊接學(xué)報(bào).2011(04)

        [2]曹捷,麻樹波,張國琦,趙寶升,賽小鋒,李偉.新型高分辨率BGAX射線檢測機(jī)[J].電子工藝技術(shù).2008(06)

        [3]喻春雨,常本康,魏殿修.新型X光成像系統(tǒng)及其性能分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2007(01)

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