我们使用的HP 5DX电路板检查仪是专门用来检查焊点的X射线断层扫描检查设备。当然它不仅能够检查BGA,电路板上所有封装的焊点它都可以检查。虽然以前人们认为这种设备太昂贵,用来进行焊点的检查成本太高,但随着BGA器件的应用越来越广泛,人们已经能接受这种昂贵的设备了。
HP 5DX采用的是X射线断层照相,通过它可以把焊接球分层,产生断层照相的效果。X射线断层照相的图片能够根据CDA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2分钟之内(视电路板焊点的数量及复杂程度不同)对PCB的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。为什么断层扫描的X射线照相能够得到清晰度非常高的效果呢?这是由其工作原理决定的。HP 5DX系统的X射线是由位于设备上端的一个X射线管产生的。工作时,必须将电压从220V升至160KV,电流为100 mA。在高电压下产生的电子束照射到金属钨上会产生X射线。这一束X射线斜着射下来,以760转/秒的速度高速旋转。同时在下面还不一个闪烁器平台也以同样的速度与X射线同步旋转。闪烁器平台实际上是一个对X光敏感的接收器。一般来讲金属,锡、铅等重金属X光不会透过,会形成深色的景象,而一般的物质则被X光穿透,什么都看不到。X光在光源与闪烁器平台之间的某一位置上聚集,出现一个聚集平面,聚集平面上的物体或图象会在闪烁器平台上形成一个清晰的图像,但不在聚集平面上的物体或图像在闪烁器平台上则被子虚掉了,只有一个阴影。X射线的断定层成像原理如图所示。于是对于PCB上高度不同的焊点进行断层,想要检查某一层的焊接情况,只要将这一层调整到聚集平面的位置,就会很清楚地将扫描结果展现出来。这个清晰的照片会由设备下面的X光照相机拍下来。
3BGA焊点的接收标准
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 12.2.12专门对BGA焊点的接收标准进行了定义。优选的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,无焊锡球。
焊接完成后,优选的标准是追求的目标,但作为合格焊点的判据,还可以比上述标准要求稍微放松。如位置对准,允许BGA焊点相对于焊盘有不超过25%的偏移量,对于焊锡球也不是绝对不允许存在,但焊锡球不能大于相邻最近的两个焊球间距的25%。
4BGA焊点的典型缺陷
BGA的典型缺陷包括:连焊、开路、焊球丢失、大空洞、大焊锡球和焊点边缘模糊。下面列举一张实际工作中遇到的X射线照片,包含了上述的大部分缺陷。
5有争议的一种缺陷 空洞
目前尚存在争议的一个问题是关于BGA中空洞的接收标准。空洞问题并不是BGA独有的。在通孔插装及表面贴装及通孔插装元件的焊点通常都可以用目视检查看到空洞,而不用X射线。在BGA中,由于所有的焊点隐藏在封装的下面,只有使用X射线才能检查到这些焊点。当然,用X射线不仅可以检查BGA的焊点,所有的各种各样的焊点都可以检查,使用X射线,空洞很容易就可以检查出来。
那么空洞一定对BGA的可靠性有负面影响吗?不一定。有些人甚至说空洞对于可靠性是有好处的。IPC-7095标准“实现BGA的设计和组装过程”详述了实现BGA和的设计及组装技术。IPC-7095委员会认为有些尺寸非常小,不能完全消除的空洞可能对于可靠性是有好处的,但是多大的尺寸应该有一个界定的标准。
5.1空洞的位置及形成原因
在BGA的焊点检查中在什么位置能发现空洞呢?BGA的焊球可以分为三个层,一个是元件层(靠近BGA元件的基板),一个是焊盘层(靠近PCB的基板),再有一个就是焊球的中间层。根据不同的情况,空洞可以发生在这三个层中的任何一个层。
空洞是什么时候出现的呢?BGA焊球中可能本身在焊接前就带有空洞,这样在再流焊过程完成后就形成了空洞。这可能是由于焊球制作工艺中就引入了空洞,或是PCB表面涂覆的焊膏材料的问题导致的。另外电路板的设计也是形成空洞的一个主要原因。例如,把过孔设计在焊盘的下面,在焊接的过程中,外界的空气通过过孔进入熔溶状态的焊球,焊接完成冷却后焊球中就会留下空洞。
焊盘层中发生的空洞可能是由于焊盘上面印刷的焊膏中的助焊剂在再流焊接过程中挥发,气体从熔深的焊料中逸出,冷却后就形成了空洞。焊盘的镀层不好或焊盘表面有污染都可能是在焊盘层出现空洞的原因。
通常发现空洞机率最多的位置是在元件层,也就是焊球的中央到BGA基板之间的部分。这有可能是因为PCB上面BGA的焊盘在再流焊接的过程中,存在有空气气泡和挥发的助焊剂气体,当BGA的共晶焊球与所施加的焊膏在再流焊过程中熔为一体时形成空洞。如果再流温度曲线在再流区时间不够长,空气气泡和助焊剂中挥发的气体来不及逸出,熔溶的焊炒已经进入冷却区变为固态,便形成了空洞。所以,再流温度曲线是形成空洞的种原因。共晶焊料63n/37Pb的BGA最易出现空洞,而成分为10Sn/90Pb的非法共晶高熔点焊球的BGA,熔点为302℃,一般基本上没有空洞,这是因为在焊膏熔化的再流焊接过程中BGA上的焊球不熔化。
5.2空洞的接收标准 空洞中的气体存在可能会在热循环过程中产生收缩和膨胀的应力作用空洞存在的地方便会成为应力集中点,并有可能成为产生应力裂纹的根本原因。
但是空洞的存在由于减小了焊料球所申的过分间,也就减小了焊料球上的机械应力。具体减小多少还要视空洞的尺寸、位置、形状等因素而定。