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建立BGA的接收标准
2003-12-21    Don Miller       点击: 7585
建立BGA的接收标准

  本文介绍,来自X光检查的信息可以为回流焊接的BGA/PCB焊点的可接受条件建立一个工业工业标准。

  在现代PCB设计中,球栅阵列(BGA)和其它面积排列元件(area array device)的使用很快变成为标准。许多电子装配制造商面对一个检查的难题:保证正确的装配和达到过程合格率,而传统的确认方法已经不再足够。今天,越来越多的制造商选择X射线来满足检查要求。通过使用X射线检查,BGA、微型BGA和倒装芯片元件的隐藏焊点的特性可以用可靠的和非破坏性的的方式在生产运行的早期检查出来。还有,大多数人员可以作出通过/失效的决定。
  在BGA使用到产品设计中之前,多数PCB制造商不在其检查工艺中使用X光系统。传统的方法,如自动光学检查(AOI, automated optical inspection)、人工视觉检查、包括制造缺陷分析(MDA, manufacturing defect analysis)的电气测试、和在线与功能测试,用来测试PCB元件。可是,这些方法不提供隐藏焊接问题(如空洞、冷焊和焊粘接差)的准确检查。X射线检查可有效地发现这类问题,监测质量保证和提供过程控制的即时反馈。

BGA接收标准
图一、典型的回流曲线  对安装在印刷电路装配(PCA)上的BGA元件的接收标准问题是最重要的。今天,没有完好的工业标准用于决定回流焊接的BGA/PCB焊点的可接受条件。有人提出过几个方法作为测量技术,用来决定这些焊点的品质。诸如显微评估、X射线分层法、电气测试和标准透射X光等技术被建议或者在使用中。
  到今天唯一定义用来在生产环境中评估回流焊接的BGA连接的实际方法是透射X射线。视觉评估只评估周围排列的BGA焊点。在BGA包装底部的焊接点不能视觉评估。超声波技术要求深入的数据整理分析,X射线分层法对许多应用是令人望而却步的昂贵;电气测试倾向于提供可能与焊锡连接质量无关的数据。
  许多测量技术提供焊接点质量的指示,但不提供足够的信息来确认BGA/PCA焊点的焊接条件。作为一个例子,周围视觉检查只给出BGA外围排列的焊点情况的一般了解。不能有效确认焊点内排回流焊接有多好和是否内排实际上适当地焊接在电路焊盘上。
  透射X光,可评估内排的焊点,决定于X光系统解析数据的能力。例如,考虑一下0.050"直径的球坐落在0.050"的电路焊盘上。如果接受标准是焊接点内部空洞不可超过球直径的20%,那么使用的X光系统必须至少解析0.005"直径的空洞。
  假设正确的PCB布局和具有高热容量的强制对流的回流焊接炉,锡膏应该适当地回流形成一个包锡球的弯液面(图一)。在这个情况中,装配的X光图象将显示均匀的焊锡球,没有任何桥接或其它缺陷。
  在某些情况中,焊锡回流设定或条件不十分正确,锡膏中的助焊剂将不会适当排气。其结果是在焊锡连接中的空洞或焊锡的不充分回流,引起焊点差或冷焊。当这些缺陷在X光图象中出现时,工艺过程需要调整。

X射线评估
图二、斜视显示出开路的焊盘/BGA连接  在第一个贴装元件的PCA上,通过焊盘边缘、开路、短路、桥接和空洞附近的粗糙的未焊接区域的示范,来评估缺乏回流的X射线。这些情况表示不能让锡膏充分回流的低温范围。短路/锡桥可能表示太高的温度经历,允许焊锡液化太长时间,并使它流出焊盘和在相邻焊盘之间短路。
  空洞要求主观的评估。甚至当发现空洞时,焊点还可能足够地焊接在焊盘上。理想的条件是焊点内无空洞(void)。可是,空洞可能作为夹住的助焊剂穴、污染和锡/铅或助焊剂在锡膏内不均匀分布出现。还有,弯曲的PCB可能造成不充分焊接的连接。开路的焊接点也可能存在。在许多情况中,只有PCA的斜视图才显示这些情况。一个俯视图,由于焊接密度,可能不反映出开路的焊盘/球连接点(图二)。
图三、超过锡球直径20%的单个空洞的锡球  可以容忍的和允许PCA正常功能的空洞数量与尺寸是关键问题。通常,允许单个空洞的大小达到锡球直径的50%,如果球是由回流的焊锡包住(图三)。电气接触是通过焊锡,如果球附着在焊盘,50%的空洞还可允许BGA工作,虽然是一个非常边缘的标准。虽然电气性能可能不会削落,但温度和机械应力问题还应该考虑。
  由于来自正常环境使用的应力所造成的PCA的挠曲可造成一个有空洞朝焊盘/锡球连接外边或大空洞的焊锡点裂开。X射线检查发现的大于BGA直径35%的或在焊点外的空洞应该看作不可接受。
  如果空洞完全被包住,锡点裂开是不可能的,因为应力一般会均匀地作用于焊盘/锡球焊点。不管怎么样,大于35%的锡球直径的空洞表示一个工艺过程有关的问题,不应该接受。

PCB布局
  因为BGA的焊点的成功是与PCA有很大关系,所以在PCB布局方面必须考虑三个特别关键的地方。

热管理
图四、不覆盖的旁路孔引起焊从锡球短路到旁路孔  PCA的布局必须考虑PCA的热质量。例如,在板的一个区域,BGA集中在一起可引起在回流炉中PCB反应的热不平衡。在回流期间,将整个板均匀地带到焊锡液相是重要的。在板的某个区域集中许多大的BGA,可能要求太多的加热,会造成PCA的较少元件的区域烧坏元件。相反,如果PCA的较少元件区域达到更快的焊锡液相,助焊剂可能没有从BGA焊点中排出,引起空洞或者缺乏球到焊盘的熔化。
旁通孔(via)
  旁通孔经常设计到PCA中。任何与BGA焊盘相邻的旁路孔必须很好地覆盖阻焊层。不覆盖阻焊层经常会引起温度稳定,会有过多的焊锡从焊盘流到旁路孔,引起焊盘与相邻旁通孔的短路(图四)。
焊盘几何形状、直径
  小型化和更高的与芯片规模包装有关的排列密度对焊盘几何形状和直径有直接的影响。同样,BGA也出现不同的尺寸、形状和复杂性。包装尺寸的不断减少、焊盘的几何形状和直径将导致检查技术更高的清晰度。这也将不断形成与BGA/PCB焊点附着有关的问题。

建议的接收标准
  一个接收标准将帮助X射线检查系统确认许多典型的焊接问题,这些问题可能与BGA元件的使用有关。包括:
空洞
  焊接空洞是由加热期间焊锡中夹住的化合物的膨胀所引起的。虽然有空洞的BGA焊接点可能表示会引起将来失效的工艺问题。焊接点中可接受的标准不应该超过锡球直径的20%,并且没有单个空洞出现在焊接点外表。多个空洞可能出现在焊点中,假设空洞的总和不超过锡球直径的20%。
脱焊焊点
  不允许脱焊焊点。
锡桥和短路
  当过多焊锡在接触点或者当焊锡放置不当时,经常发生桥接和短路。在接收标准中,不能存在短路或桥接的焊点,除非它们专门设计成底层电路或BGA。
不对准
  X光图象将清楚地显示是否BGA球没有适当地对准PCB上的焊盘。不对准是不允许的。
开路和冷焊点
  当焊锡和相应的焊盘不接触或者焊锡不正确流动时,发生开路和冷焊点。这种情况不允许。
不接触
  一旦元件已经贴装在PCB上,丢失或误放的焊锡和锡球是不允许的。
X光评估
  含有BGA的PCA必须使用能够分辨至少小于100微米直径孔的X光系统来评估。X光系统必须能够允许在测单元(UUT, unit under test)从上往下和倾斜两个方向观察。
  使用实时X光检查来评估焊接点和保证一个高的过程合格率已经成为成功的BGA装配的一个必要元素。对于这些无引脚装配,X光为成功的焊接运行和可靠的焊点取得实际的认可。
  如果生产运行协调良好,使用现代回流炉,BGA的自我对中特性使得X光检查也将找不出太多的缺陷。如果是这样,应该马上检查工艺过程,以决定是否和在哪里已经超过参数极限。

结论
  X光检查系统是一个被证实的检查隐藏焊接点的工具,帮助建立和控制制造过程,分析产品原型和确认工艺错误。它们是有效的,可以快速确认面积排列包装的短路、开路、空洞和锡球在板上的不对准。
  那些有或将要在其生产过程中使用BGA包装的制造商,必须依靠实时X光评估作为建立和维持其高效、高品质水平的生产输出。随着更新的BGA形式与类似的元件进入装配工艺,为回流焊接的BGA焊接点的接收或拒绝建立合理的标准是重要的。

Reference
Stein, A. (January 1999). BGA acceptance criteria. SMS Technologies.

  Don Miller, is vice president of sales and marketing at CR Technoloy, Laguna Niguel, CA; (714) 448-0443; e-mail: sales.crtech@crtechnology.com.

责任编辑: skylee
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