摘 要：从生产过种中的质量控制角度出发，探讨了目前一些生产中应用于球栅封装（BGA）的检测 方法和实用系统，详细伦述X射线检测系统的开发及原理及研究应用状况，指出掌握和提高检测技术，将能有效控制BGA的焊接和组装质量。
关键词：表面组装技术；球栅阵列封装；X射线；质量控制
BGA技术是将原来器件PLCC/QFP封装的“J”形或翼形引线，改变成球形引脚；把从器件本体四周“单线性”顺列引出的引线，改变成本体腹底之下“全平面”式的格栅阵排列。这样既可以疏散引脚间距，又能够增加引脚数目。同时BGA封装还有如下一些优点；减少引脚缺陷，改善共面问题，减小引线间电感及电容，增强电性能及散热性能。正因如此，所以在电子元器件封装领域中，BGA技术被广泛应用。尤其是近些年来，以BGA技术封装的元器件在市场上大量出现，并呈现高速增长的趋势。
虽然BGA技术在某些方面有所突破，但并非是十全十美的。由于 BGA封装技术是一种新型封装技术，与QFP技术相比 ，有许多新技术指标需要得到控制。另外，它焊装后焊点隐藏在封装之下，不可能100％目测检测表面安装的焊接质量，为BGA安装质量控制提出了难题。下面就国内外对这方面技术的研究、开发应用动态作些介绍和探讨。
1. 1. BGA焊前检测与质量控制
生产中的质量控制非常重要，尤其是在BGA封装中，任何缺陷都会导致BGA封装元器件在印制电路板焊装过程出现差错，会在以后的工艺中引发质量问题。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；焊料球的共面性；对热、湿气的敏感性；是否能通过封装体边缘对准性，以及加工的经济性等。需指出的是，BGA基板上的焊球无论是通过高温焊球（90Pb/10Sn）转换，还是采用球射工艺形成，焊球都有可能掉下丢失，或者形成过大、过小，或者发生焊料桥接、缺损等情况。因此，在对BGA进行表面贴装之前，需对其中的一些指标进行检测控制。
英国Scantron 公司研究和开发的Proscan1000,用于检查焊料球的共面性、封装是否变形以及所有的焊料球是否都在。Proscan1000采用三角激光测量法，测量光束下的物体沿X轴和Y轴移动，在Z轴方向的距离，并将物体的三维表面信息进行数字化处理，以便分析和检查。该软件以2000点/s的速度扫描100万个数据点，直到亚微米级。扫描结果以水平、等量和截面示图显示在高分辩率VGA监视器上。Prosan1000还能计算表面粗糙度参数、体积、表面积和截面积。
2. 2. BGA焊后质量检测
使用球栅阵列封装（BGA）器给质量检测和控制部门带来难题：如何检测焊后安装质量。由于这类器件焊装后，检测人员不可能见到封装材料下面的部分，从而使用目检焊接质量成为空谈。其它如板截芯片（OOB）及倒装芯片安装等新技术也面临着同样的问题。而且与BGA器件类似，QFP器件的RF屏蔽也挡住了视线，使目检者看不见全部焊点。为满足用户对可靠性的要求，必须解决不可见焊点的检测问题。光学与激光系统的检测能力与目检相似，因为它们同样需要视线来检测。即使使用QFP自动检测系统AOI(Automated Optical Inspection)也不能判定焊接质量，原因是无法看到焊接点。为解决这些问题，必须寻求其它检测办法。目前的生产检测技术有电测试、边界扫描及X射线检测。
2.1电测试
传统的电测试是查找开路与短路缺陷的主要方法。其唯一目的是在板的预置点进行实际的电连接，这样便可以提供使信号流入测试板、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，系统也可检查器件的功能。测试仪器一般由微机控制，检测每块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、电感及高阻值电阻时用高频信号单元。但在封装密度与不可见焊点数量都大量增加时，寻找线路节点则变得昂贵、不可靠。
2.2 边界扫描检测
边界扫描技术解决了一些与复杂器件及封装密度有关的问题。采用边界扫描技术，每一个IC器件设计有一系列寄存器，将功能线路与检测线路分离开，并记录通过器件的检测数据。测试通路检查IC器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范围，但也必须为扫描检测专门设计印制电路板与IC器件。电测试与边界扫描检测主要用以测试电性能，却不能较好地检测焊接质量。为提高并保证生产过程中的质量，必须寻找其它方法来检测焊接质量，尤其是不可见焊点的质量。
2.3 X射线测试
另一种检测方法是X射线检测法，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并检测缺陷。在今天这个生产竞争的时代，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。
（1）X射线图像检测原理
X射线由一个微焦点 X射线管产生，穿过管壳内的一个铍窗，并投射到试验样品上。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射线轰击到X射线敏感板上的磷涂层，并激发出光子，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，由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见表2.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。
表2 不同材料对X射线的不透明度系数
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材料
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用途
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X射线不透明度系数
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塑料
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包装
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极小
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金
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芯片引线键合
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非常高
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铅
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焊料
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高
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铝
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芯片引线键合，散热片
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极小
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锡
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焊料
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高
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铜
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PCB印制线
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中等
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环氧树脂
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PCB基板
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极小
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硅
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半导体芯片
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极小
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（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脑转辅助装置使组件倾斜，以便更好地进行检测和摄像。详细定义的标准或目视检测图表可指导评估图像。但通常的目视检测要求培训操作人员，并且容易出错。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，但全自动系统的复测正确度比人工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也需要进行自动检测。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。
自动检测系统需要设置正确的检测参数。大多数新系统的软件中都定义了检测指标，但必须重新制订，要适应以生产工艺中所特有的因素。否则可能错误的信息并且降低系统的可靠性。
自动X射线分层系统使用了三维剖面技术。该系统能够检测单面板和双面板表面贴装电路板，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型引线与细间距QFP，传输X射线系统是测定焊接质量最好的方法，但它却不能区分垂直重叠的特征。因此，传输X射线透视图中，BGA器件的焊缝被其引线的焊球遮掩。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，并通过使目标区域上下平面散焦的方法，将PCB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，就能准确检测出焊接缺陷。就多数线路板而言，“无夹具”也有助于减少在产品检测上所花的精力。对于小体积的复杂产品，制造厂商最好使用断面X射线测试系统。虽然所有方法都可检查焊接点，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组装工艺的信息。
（4）选择合适的X射线检测系统
选择适合实际生产应用的。有较高性能价格比X射线检测系统以满足质量控制需要是一项十分重要的工作。最近较新的超高分辩率X射线系统在检测及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、也比较省时的解决方案。在决定购买检测X射线系统之前。一定要了解系统所需的最小分辩率，见表3。与些同时也就决定了所要购置的系统的大致价格。当然，设备放置、人员配备等因素也要在选购时全盘考虑。
表3 不同分辩能力的X射线系统的应用
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系统应用的几个方面
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系统所需最小分辩率
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整体缺陷检查
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50um
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一般PCB检测与质量控制BGA检测
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10um
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细间距引线与焊点检测
uBGA检测
倒装片检测
PCB缺陷分析与工艺控制
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5um
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键合裂纹检测
微电路缺陷检测
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1um
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4 4 结束语
随着BGA封装器件的出现并大量进入市场，针对高封装密度、焊点不可见等特点，电子厂商为控制BGAs的焊装质量，需充分应用高科技工具、手段，努力掌握和大力提高检测技术水平。使用新的工艺方法能有与之相适应、相匹配的检测手段。只有这样，生产过程中的质量问题才能得到控制中。而且，把检测过程中反映出来的问题反馈到生产工艺中去加以解决，将会使生产更加顺畅，减少返修工作量。
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