摘 要：文章介绍一种SMT生产线上配置的X射线自动检查系统，采用BGA球引脚尺寸比较方法，检查再流焊后BGA器件球引脚的开路缺陷。
关键词：X射线，BGA，开路缺陷。
1. 引 言
印制板的复杂性及组装密度仍保持其原有的势头继续提高,而且在这些印制板上，使用了更多更复杂的IC器件。常用的器件封装有；QFP，SOIC，TSOP，SSOP及PLCC等，有些电子产品生产中，当引脚数超过200，在已经达到其技术极限。
器件封装形式从封装周边引脚转向倒装两维阵列，同样面积能实现更多电路互连，这与使用老式的表面贴装器件相比，需要占用的空间就更大。球引脚阵列（BGA）就是这类封装最常见的一种形式（如图 1所示）。
图 1 BGA器件球引脚阵列
所有阵列引脚封装都存在一个共同的问题：在阵列内圈的球引脚焊点被遮蔽，无法采用目检方法，检验焊接质量，确认缺陷。
2. 应用的扩大
几年前,BGA器件还是作为一项特殊应用处理,通常用于专用集成电路(引脚数大于200)的封装。那时，一块印制板上安装一个或几个BGA
人们感到很惊奇。
如今，由于制造成本降低及高热散能力，低于100引脚数的BGA，CSP器件封装已很普遍应用。BGA几乎达到与QFP一样常见。大多数印制板至少一个BGA，一块印制板贴装20个BGA器件也很平常。
即使人们对BGA器件性能有很好认识，组装过程能很好控制，BGA
器件组装仍可能会产生缺陷，也没有可以视觉检查有效的实用方法。
3. X射线自动检查（AXI）与BGA
自动X射线检查用于BGA器件是最合适的。使用AXI系统可清晰地看到球引脚中的锡，铅及其他组分材料与焊料合金。而BGA器见封装大部分材料如FR-4，铜或陶瓷对X射线是透过的。5年来，2-D（透射）或三维（3-D，X射线分层摄像/X射线层析摄像）X射线检查系统可非常有效分离许多BGA的缺陷，如漏球，短路，位置偏差。
自动光学检查（AOI）在过程控制中，对焊膏印刷，焊前贴装检查也是有效的。然而，当每块印制板有5,000-15,000个球引脚焊点,仍会产生缺陷,在决定高价及BGA器件返修风险前,这些缺陷必须得到隔离与确认。
BGA器件通常是高价的器件，返修时从印制板上拆除取下后，BGA必须清除残留物，经培训的操作人员操作专用返修工作台完成返修。在操作过程中难以避免对印制板造成损伤，所以整个组件的清洁整理存在着风险。
4. BGA球引脚焊点
所有的BGA器件,按阵列网格在的每个位置上安置焊料合金的球引脚，此工艺常称为植球。植球一般在封装粘贴IC芯片前。组装过程中，采用焊料将球引脚与印制板焊盘连接。
可熔坍（共晶）焊球引脚由焊料合金组成，可与焊膏中的焊料熔融。这些封装采用PC材料制成，是最通用，价格也最便宜的。
非熔坍（非共晶）球引脚是由组装过程不能被熔化的合金组成，焊膏将球引脚焊接到印制板焊盘上。此项技术常用于陶瓷封装，为减少应力影响，需要与印制板平面间有较大的支承高度。
5. BGA球引脚开路缺陷
有些BGA器件的焊接缺陷是焊点开路。搜寻BGA的开路焊点，使用AOI系统检测是不可能的，这对AXI系统来讲也是件难事。BGA器件的球引脚直径与印制板焊盘相接触的焊点相比，其直径要大。于是，X射线被阻断，2-D，3-D AXI系统难以获得焊点开路界面的清晰图象。所以必需有一个能搜寻BGA焊点开路的有效方法。现采用与焊点开路相符的焊点两次特征，可得到正确搜寻缺陷的方法。
印制板在印刷焊膏贴装BGA器件，再流焊后产生焊点开路缺陷。通常，焊料因毛细管虹吸作用爬上球引脚。对共晶焊料（熔坍型）而言，这部分焊料与球引脚内的焊料组分相熔合，此时由于表面张力的作用，焊点开路的球引脚直径要比正常值大得多。
对非共晶焊料（非熔坍型）因毛细管虹吸作用爬上球引脚的焊料及表面张力作用，聚集在球引脚与封装连接处形成焊缝连接。
无论上述那种情况，焊点开路处球引脚的直径是反常大。AXI系统可通过测量球引脚的直径，与已知标准值比较，即可搜寻到开路焊点。需要指出的是这仅仅是焊点开路缺陷问题的答案之一。
在制造过程中，一些其他因素也会造成球引脚直径的变化，如单一将球引脚直径与相对标准值测量比较，会产生许多不可靠的缺陷判断结果。未经视觉检查确认，很难作出判断，要么进行高价，但并非必需的返修操作，要么否定这种判断方法。为此，必须建立一种能补偿其他因素影响判断缺陷的方法。
6. 弯曲变形
造成球引脚直径变化的另一个重要原因是BGA封装与印制板弯曲变形（图 2）。BGA器件封装底部与印制板平面间的支承高度，如空间很大，则形成直径小高度大的焊点，如空间变小时，形成的焊点变短变宽。
图 2 BGA封装,印制板弯曲变形的比较
造成弯曲变形的原因是再流焊加热温度不均匀或冷却速度过快，由印制板制造过程产生的内部应力择放所致。BGA封装芯片仓（上置式，倒置式）不平衡的结构设计也可能在加热或冷却过程中产生弯曲变形。
焊料不是在同一时间变成固态形成焊点。弯曲变形可能在冷却后保持下来。这对于采用球引脚直径比较方法搜寻焊点开路缺陷是件好事，这样补偿了弯曲变形对球引脚焊点直径的影响。弯曲对球引脚直径的影响通常渐渐横跨BGA封装体。在BGA与印制板之间的间隙不存在突变或不连续（图 3）。
图 3 BGA与印制板弯曲变形对封装边沿球引脚的影响
7. 球引脚比较方法
将每个球引脚对其相邻近的球引脚比较,就可忽视弯曲变形对球引脚直径测量的影响。从图 4 所示；为搜寻开路焊点，选择红色球引脚与邻近的绿色球引脚比较，重复采用这种方法对BGA封装每个球引脚进行对比。
图 4
从图 5 描述的是被放大的BGA焊点直径图示，每个球引脚直径减去BGA封装最小球引脚，这些差值被描绘图示突出球引脚间的直径差别。图示这些直径的变化分布，显示弯曲的特征；在BGA封装的中心，封装体与印制板要比边沿相互更为靠近。从图 5左下角有一个非常大的球引脚图象，显示焊点开路缺陷，与其相邻球引脚明显超大。
图 5 与相邻球引脚直径比较
图6所示X射线分层摄像获得超大直径的开路焊点。
图 6 X射线分层摄像超大直径的开路焊点
球引脚比较方法的差值测试，仅使用了塑料封装BGA器件（PBGA，熔坍型）进行测试，测试了大于900个样品，300,000个球引脚焊点,超过70%的开路焊点被搜寻到（图7）。这些缺陷的1/3位于BGA器件的外圈焊点，其中90%的缺陷是确认的。
图 7
取自35个不同的OEM与EMS单位提供的35块印制板进行测试，BGA器件球引脚数从100-1,200,在16块印制板上搜寻到开路焊点缺陷。
最近对另一个电子产品制造商提供的两个样品进行测试，CBGA陶瓷封装BGA，（非熔坍型）球引脚数360。在生产厂的线上测试超过100块印制板，在4个CBGA器件上搜寻到6个开路焊点（图8）。
图 8 非共晶球引脚的开路焊点
已知缺陷的位置，对与确定分析造成焊点开路的原因是极其有用的。在加工过程的早期，及时发现这些开路缺陷，就减少了在功能测试后诊断缺陷的工作量。
8. 结 论
印制板组装BGA器件的趋势增加,BGA器件封装也愈加复杂。对电路组装提出更高更多的要求，保证电子组装的质量尤为重要。BGA器件焊点开路是组装过程常见的难题。
使用X射线自动检查系统，加上相邻球引脚直径比较方法，检测熔坍型/非熔坍型球引脚是有效的，这种方法补偿了制造过程其他因素对测试带来的不可避免的影响。