關于BGA封裝器件焊點缺陷X—射線檢測法的探討

張維成

摘要：制造者一般都是采用目視觀察的方法，觀察最外面一圈焊點的塌陷是否一致，再將芯片對著光線觀察。通過試驗發現，使用X -射線檢測儀檢查BGA 封裝器件的焊點，可以快速、準確地檢測出BGA 封裝器件中焊點的橋連、空洞、虛焊等缺陷，在BGA 封裝器件焊點的質量檢測方面得到廣泛應用。本文所用儀器和檢測方法能夠自動計算BGA 封裝器件貼裝焊點的空洞率，對空洞缺陷的快速檢測和預防具有實際意義。

關鍵詞：BGA；無損檢測；缺陷

引言：

對于表面組裝焊點，常用的無損檢測方法有X -射線檢測、三維光學攝像檢驗、激光/紅外檢測、超聲波檢測等多種方法。要想不破壞BGA 封裝器件本身的結構、性能等，就可以看出BGA 封裝器件內在的缺陷或者是更加準確地檢測出焊點的質量，就必須采用其它更為先進、可靠的無損檢測方法。通過對BGA 封裝器件可視圖像X -射線檢測和分析，可以準確地檢測出BGA 封裝器件貼裝焊點的各種缺陷。

一.試驗材料與儀器

（一）試驗材料

測試工件為采用再流焊焊接的BGA 封裝器件，基板材料為FR -4，釬料為A lpha公司生產的Sn62 /Pb36 /Ag2合金焊膏，BGA 焊球的直徑為0.7mm，I /O 端子間距為1.27 mm，通過貼片機或貼片裝置完成BGA 貼裝。

（二）X -射線檢測儀

實驗所用X - 射線檢測儀型號為HAWK -160X I型。X -射線檢測儀的工作原理是由在高電壓下產生的電子束照射到金屬鎢表面，產生X 射線，產生的X 束射線傾斜向下照射并高速旋轉，同時在下面有一個閃爍器平臺也以同樣的速度與X射線同步旋轉，閃爍器平臺實際上是一個對X -射線敏感的接收器。

一般來講，X -射線不能透過錫、鉛等重金屬，從而形成深色影像；而一般的物質則被X -射線穿透，不會形成影像。X -射線在光源與閃爍器平臺之間的某一位置上聚焦，出現一個聚焦平面，聚焦平面上的物體或圖像會在閃爍器平臺上形成一個清晰的圖像，不在聚焦平面上的物體或圖像在閃爍器平臺上則被”虛掉“，只有一個陰影。

二.試驗結果及分析

（一）BGA 封裝器件焊點的缺陷的檢測

在BGA 封裝器件的生產過程中，可能會造成焊球丟失、焊球過小或過大、焊球橋連以及焊球缺損等。對BGA 封裝器件進行檢查，主要是檢查焊球是否丟失或變形。

對BGA 封裝器件組裝焊點的檢查，主要檢查焊點是否存在橋接、開路、釬料不足、缺球、氣孔、移位等[6]。由于本研究工作是為了檢驗X -射線檢測BGA 封裝器件組裝焊點缺陷的可靠性，上述缺陷中部分是人為設置的。

（二）X -射線檢測結果分析

采用X -射線檢測時，電壓調節為105 kV，電流調節為100 mA，觀察缺陷圖片并分析生產過程中缺陷產生的原因。

1.橋連缺陷的檢測

PCB 雙面貼裝器件采用X -射線檢測的橋連和反面器件圖像似乎有點混淆。

對比分析如圖2和圖3所示，可以清楚辨別出圖2 為極其明顯的橋連缺陷。產生的原因可能是BGA 器件聚集在一起，在回流爐中引起PCB板的熱不平衡，或者是由于溫區曲線設置不合理，印制板焊區表面阻焊層設計不當等。原因造成的。

如圖4 的短路是由于與BGA 器件焊盤相鄰的過孔沒有很好地覆蓋阻焊層，使得有過多的釬料從焊盤流到過孔中，從而引起焊盤短路。相關產品的驗收標準要求焊點不能存在短路或橋接，而采用X -射線檢測BGA 器件的橋連缺陷比其它幾種無損檢測方法都容易觀察、判別。

2.空洞缺陷的檢測

BGA 焊球本身在焊接前就可能帶有空洞或氣孔，是由于BGA 焊球生產工藝造成的。PCB 再流焊時，溫度曲線設計不合理則是形成空洞的重要原因。通常發現空洞幾率最多的位置是在元件層，也就是焊球的中央到BGA 基板之間的部分。這有可能是因為PCB上面BGA 的焊盤在再流焊接的過程中，存在空氣氣泡和易揮發的助焊劑氣體，當共晶成分的BGA 焊球與所施加的焊膏在再流焊過程中熔為一體時則易形成空洞。

X -射線檢測的BGA 焊點的典型空洞缺陷圖像如圖5所示，HAWK - 160XI型X -射線檢測儀自動計算出圖6焊球中空洞率為9.83 %。它能夠真實反映實物中的缺陷，為控制產品的質量提供了保證。

在實際生產中，需要客觀地評估空洞。空洞的位置與尺寸是驗收合格的關鍵因素。由于目前尚沒有空洞缺陷允許尺寸的相關國家標準或行業標準，所以通常情況下是按照IPC - 7095來判別的。按照IPC - 7095 中規定空洞的接收/拒收標準主要考慮兩點：空洞的位置及尺寸。

空洞不論是存在在什么位置，是在焊料球中間或是在焊盤層或元件層，空洞尺寸及數量不同都會對質量和可靠性產生影響。如果多個空洞出現在焊點中，空洞的總和不能超過焊料球直徑的20 %，即空洞率不超過20 %，否則視為不合格。

3.缺球缺陷

缺球缺陷可通過比較實物與X -射線檢測圖像發現。缺球缺陷會使得PCB 產生斷路，其電學性能受到影響。X -射線檢測BGA 器件的缺球缺陷圖像如圖7所示。

從圖7中可以清楚看出，右下角出現缺球缺陷，在BGA 封裝中不允許缺球缺陷存在。

4.錯位缺陷

錯位缺陷在X -射線檢測中明顯表現在過孔三維圖像及BGA 焊球的灰度級別上，如圖8所示。焊球與焊盤沒有很好地對準，使得圖像中焊球均有陰圖8 BGA 焊球的錯位影，對產品的性能影響較大。

雖然相關標準規定貼片中可以允許有50 %的貼片誤差，但是采用X –射線測試儀能快速、準確地檢測到BGA 焊球的錯位，這樣可以采取技術措施，使BGA 貼片機能夠及時調整并自動校準，從而避免錯位缺陷的產生。

5.虛焊

從圖9（a）中明顯看出左下角的焊球明顯偏小，圖9（b）圖中間的焊球邊緣不平滑，圖9（c）中左兩排焊球不圓，它們都可能造成虛焊，X -射線檢測法比其它幾種無損檢測方法都容易檢測出虛焊。特別是圖9（b）是經過X -射線在旋轉20°的時的檢測結果，這是其它幾種無損檢測方法都無法達到的。

顆粒之間鋪展，降低表面張力，迅速減弱顆粒和表面間的作用力，使整個顆粒從表面上解吸，達到去除顆粒的目的。

虛焊在BGA 器件的焊接中的影響是不可忽視的，它易于脫落，使器件的電性能受到影響，其力學性能也降低，是一種采用常規檢測方法難以檢測出的缺陷。因此，利用表面活性劑可以控制顆粒在表面的吸附狀態，達到去除顆粒污染的目的。

結束語：

通過采用X -射線檢測儀檢測了BGA 封裝器件安裝焊點的幾種常見缺陷，分析、闡述了其圖像與相應缺陷的關系，結果表明X -射線檢測方法能夠準確地檢測出BGA 封裝器件安裝中的各種焊點缺陷，并能夠自動計算BGA 封裝器件安裝焊點的空洞率，對空洞缺陷的快速檢測和預防具有實際意義。

參考文獻：

[1]張瑞秋，張憲民，陳忠.基于三維X射線和Fisher準則的BGA焊點檢測算法[J].焊接學報.2011（04）

[2]曹捷，麻樹波，張國琦，趙寶升，賽小鋒，李偉.新型高分辨率BGAX射線檢測機[J].電子工藝技術.2008（06）

[3]喻春雨，常本康，魏殿修.新型X光成像系統及其性能分析[J].儀器儀表學報.2007（01）