简析BGA封装技术与质量控制
ＳＭＴ（Surface Mount Technology)表面安装技术顺应了电子产品小型化、轻型化的潮流趋势，为实现电子产品的轻、薄、短、小打下了基础。
ＳＭＴ技术进入９０年代以来，走向了成熟的阶段，但随着电子产品向便携式／小型化、网络化和多媒体化方向的迅速发展，对电子组装技术提出了更高的要求，新的高密度组装技术不断涌现，其中ＢＧＡ（Ball Grid Array球栅阵列封装)就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器件的组装特点以及焊点的质量控制作一介绍。
一、ＢＧＡ 技术简介
ＢＧＡ技术的研究始于６０年代，最早被美国ＩＢＭ公司采用，但一直到９０年代初，ＢＧＡ 才真正进入实用化的阶段。
在８０年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了更高的要求。为了适应这一要求，ＱＦＰ的引脚间距目前已从1.27mm发展到了0.3mm。由于引脚间距不断缩小，I/O数不断增加，封装体积也不断加大，给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。另方面由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制，０．３ｍｍ已是ＱＦＰ引脚间距的极限，这都限制了组装密度的提高。于是一种先进的芯片封装ＢＧＡ（Ball Grid Array）应运而生，ＢＧＡ是球栅阵列的英文缩写，它的Ｉ／Ｏ端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度短，这样ＢＧＡ消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。ＢＧＡ技术的优点是可增加Ｉ／Ｏ数和间距，消除ＱＦＰ技术的高Ｉ／０数带来的生产成本和可靠性问题。
ＪＥＤＥＣ（电子器件工程联合会）（ＪＣ－１１）的工业部门制定了ＢＧＡ封装的物理标准，ＢＧＡ与ＱＦＰ相比的最大优点是Ｉ／Ｏ引线间距大，已注册的引线间距有１．０、１．２７和１．５ｍｍ，而且目前正在推荐由１．２７ｍｍ和１．５ｍｍ间距的ＢＧＡ取代０．４ｍｍ－０．５ｍｍ的精细间距器件。
ＢＧＡ器件的结构可按焊点形状分为两类：球形焊点和柱状焊点。球形焊点包括陶瓷球栅阵列 ＣＢＧＡ（Ceramic Ball Grid Array）、载带自动键合球栅阵列 ＴＢＧＡ（Tape Automatec Ball Grid Array）塑料球栅阵列ＰＢＧＡ（Plastic Ball Array）。 ＣＢＧＡ、ＴＢＧＡ和ＰＢＧＡ是按封装方式的不同而划分的。柱形焊点称为ＣＣＧＡ(Ceramic Column Grid Array)。
ＢＧＡ技术的出现是ＩＣ器件从四边引线封装到阵列焊点封装的一大进步，它实现了器件更小、引线更多，以及优良的电性能，另外还有一些超过常规组装技术的性能优势。这些性能优势包括高密度的Ｉ／Ｏ接口、良好的热耗散性能，以及能够使小型元器件具有较高的时钟频率。
由于ＢＧＡ器件相对而言其间距较大，它在再流焊接过程中具有自动排列定位的能力，所以它比相类似的其它元器件，例如ＱＦＰ，操作便捷，在组装时具有高可靠性。据国外一些印刷电路板制造技术资料反映， ＢＧＡ器件在使用常规的ＳＭＴ工艺规程和设备进行组装生产时，能够始终如一地实现缺陷率小于２０ＰＰＭ（Parts Per Million，百万分率缺陷数），而与之相对应的器件，例如ＱＦＰ，在组装过程中所形成的产品缺陷率至少要超过其１０倍。
综上所述，ＢＧＡ器件的性能和组装优于常规的元器件，但是许多生产厂家仍然不愿意投资开发大批量生产ＢＧＡ器件的能力。究其原因主要是ＢＧＡ器件焊接点的测试相当困难，不容易保证其质量和可靠性。
二、ＢＧＡ器件焊接点检测中存在的问题
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。
三、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。
·电测试 传统的电测试，是查找开路与短路缺陷的主要方法。其唯一的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。
·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。尽管边界扫描提供了比电测试更广的不可见焊点检测专门设计印制电路板与ＩＣ元件。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。
·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。
①Ｘ射线图象检测原理 Ｘ射线由一个微焦点Ｘ射线管产生，穿过管壳内的一个铍管，并投射到实验样品上。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比率。穿过样品的Ｘ射线的吸收率或Ｘ射线敏感板上的磷涂层，并激出发光子，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，有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，处理后的灰度图像显示了被检查的物体密度或材料厚度的差异。
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。但通常的目视检测要求培训操作人员，并且易于出错。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，但全自动系统的检测正确度比人工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。具有高价值或要求可靠性的产品与需要进行自动检测。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的信息。
④选择合适的Ｘ射线检测系统
选择适合实际生产中应用的、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。
四、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。