淺談X—ray檢驗設備評判BGA器件焊接質量

摘 要：BGA器件焊接之后，由于其結構的特殊性無法采用常規檢驗手段對其焊接質量進行檢驗與評判，X-ray檢驗技術作為新技術、新手段越來越廣泛的應用于電子產品組裝檢驗中。文章以工藝及質量檢驗要求為基礎，介紹BGA器件焊接后形成不良焊點的原因，指出如何利用X-ray檢驗設備的檢驗影像評判BGA器件焊接質量。

關鍵詞：BGA器件；X-ray；檢驗；質量

隨著電子產品便攜化、小型化的發展要求，越來越多的小型器件應用于電子組裝過程中，高密度、高集成的電子裝聯技術日趨成熟，隨之而來的檢驗手段也日新月異。作為小型器件典范的BGA器件近些年來在電子產品中應用非常廣泛，與QFP封裝器件或PLCC封裝器件相比，BGA器件具有引腳數目更多、引腳間電感及電容更小、引腳共面性好、電性能及散熱性能好等諸多優點。雖然BGA器件有諸多方面的優點，但仍存在著無法改變的不足之處：即BGA器件在焊接完成之后，由于其焊點全部在器件本體腹底之下，因此既無法采用傳統的目測方法觀測檢驗全部焊點的焊接質量，也不能應用AOI（自動光學檢驗）設備對焊點外觀做質量評判，只能采用X-ray檢驗設備對BGA器件焊點的物理結構進行檢驗。X-ray檢驗設備是基于X射線的影像原理，由X射線發生裝置發出X射線，對被檢驗印制板組及BGA器件進行照射，利用X射線不能穿透錫、鉛等密度大且厚的物質，可形成深色影像，而會輕易穿透印制板及塑料封裝等密度小且薄的物質，不會形成影像的現象，實現對BGA器件焊接焊點的質量檢驗，圖1所示即是X-ray檢驗設備的檢驗原理。下面就對此種檢驗的評判要求做些介紹與探討。

圖1 X-ray檢驗設備的檢驗原理圖

1 基本要求

在X-ray檢驗設備的影像區內，BGA器件無明顯位置偏移和翹起的現象，BGA焊料球的影像尺寸、形狀、顏色和對比度應均勻一致，焊點影像應呈現形狀規則的圓形，并且邊界光滑，輪廓清晰，無回流焊接不良的跡象。

2 焊點缺陷要求

2.1焊點缺陷種類

BGA器件焊點缺陷主要有焊料橋連、焊錫珠、空洞、錯位、開路和焊料球丟失、焊接連接處破裂、虛焊。

2.2 焊料橋連

由于焊料橋連最終導致的結果就是電氣短路，因此BGA器件焊接后，各相鄰焊料球之間應無圖2圖像所示焊料橋連。這種缺陷在采用X-ray檢驗設備檢驗時比較明顯，在影像區內可見焊料球與焊料球之間呈現連續的連接，容易觀察和判斷。

圖2 焊料橋連示意圖

2.3 焊錫珠

焊錫珠是表面貼裝過程中的主要缺陷之一，造成焊錫珠的原因有很多。這種缺陷在X-ray影像區內也易于識別，可見如圖3中右圖箭頭所示的黑色斑點。應用X-ray檢驗設備觀察測量焊錫珠時，應主要注意其尺寸要求和位置要求。焊錫珠直徑應不大于任何兩個相鄰焊點間距的25%，并且不違反最小電氣間隙要求，對于一般電路下應用的BGA器件，在檢驗過程中可按照最小電氣間隙為130 μm進行測算。

圖3 焊錫珠示意圖

2.4 空洞

空洞在BGA器件焊接后是最常見的，因為往往許多BGA器件本身的焊料球就可能帶有空洞或氣孔，在回流焊接過程中，回流曲線設置不合理則更容易產生空洞。如圖4所示，BGA器件焊料球內的空洞多存在于元件層，即焊料球的中央到BGA基板之間的部分。國內外對于空洞的可接受判定準則存在差異，GJB 4907-2003與IPC-A-610E標準均對空洞做出了評判準則，但評判尺度存在差異。其中GJB 4907-2003中規定焊點空洞應不大于焊點體積的15%，而IPC-A-610E中規定X-ray影像區內任何焊料球的空洞應不大于25%，從以上數據看國家軍用標準要嚴于IPC標準。

圖4 BGA器件焊料球內空洞圖

2.5 錯位

BGA器件在焊接過程中，往往能夠自我對正居中，但如回流焊接參數設置不當或其他因素影響仍會出現BGA器件的焊料球與焊盤錯位的現象。錯位缺陷在X-ray檢驗設備中的顯示表現在影像灰度的級別上，如圖5所示，焊料球與焊盤沒有很好地對準，導致圖像中焊料球都有淺色陰影。這種錯位的判定準則在GJB 4907-2003與IPC-A-610E標準中要求并不一致。其中GJB 4907-2003中要求錯位應滿足焊點中心位置的偏移量不大于BGA封裝器件節距15%的要求，即a≤15%b，而IPC-A-610E中則規定BGA焊料球偏移量不應造成相鄰焊料球違反最小電氣間隙。雖然上述兩部標準都相當于允許錯位的發生，但一旦采用了X-ray檢驗設備檢驗到BGA器件的錯位，都應該及時調整整個組裝焊接制程，避免錯位缺陷的再次發生，保證產品的可靠性。

圖5 BGA器件錯位圖

2.6 開路與焊料球丟失

從圖6左側的實物圖中可以看出，箭頭所指的焊料球并未和印制板焊盤進行有效地焊接，無法實現電氣連接，在X-ray檢驗設備的影像區內則表現為小焊料球的投影。

圖6 實物圖

焊料球丟失這種缺陷往往最容易發現，因為在X檢驗設備影像區內缺失的焊料球會呈現圖7所示無黑影顯示。焊料球丟失與開路都會使印制板組的電路產生斷路，因此這兩種缺陷都是不允許發生的。

圖7 焊料珠丟失圖

2.7 焊接連接處破裂

焊接連接處破裂是一種較難發現的焊接缺陷，這種帶有缺陷的焊點往往會順利的通過電性能測試，但一旦產品發生故障，在排查故障點的過程中也不易發現，不僅給產品使用帶來潛在風險，更給檢驗帶來難度。因此，在利用X-ray檢驗設備檢驗焊點時，必須要旋轉X射線角度觀測每一個焊料球與焊盤連接處區域的影像，如圖8箭頭所示焊料球與焊盤連接處存在明顯的破裂痕跡，連接處影像不僅較虛而且明顯存在縫隙。

2.8 虛焊

一般虛焊都是由于回流焊接過程不充分造成的。在回流焊接過程中，焊料球與錫膏沒有形成良好地熔融，無法形成潤濕良好的共晶體。虛焊是一種不容忽視的缺陷，它不僅容易造成器件脫落，影響器件的電氣性能，更會給常規的電性能檢驗帶來阻礙。虛焊缺陷也必須通過旋轉X射線角度進行檢驗，從而及時采取有效措施避免它的發生。BGA器件的虛焊類型一般有“腰型”焊接連接、“枕窩型”焊接連接、“塔型”焊接連接三種類型。

2.8.1“腰型”焊接連接

“腰型”焊接連接表明焊料球與錫膏在回流焊接時均未充分熔化，這種焊接連接在X射線影像區內，焊料球部分往往呈現規則的圓球狀，焊料球底部與焊盤連接的部位呈現細腰型，如圖9所示。

圖9 “腰型”焊接連接圖

2.8.2 “枕窩型”焊接連接

“枕窩型”焊接連接一般是在回流焊接過程中錫膏已經熔融，但BGA焊料球熔融不充分，焊接連接處呈現“枕窩狀”，如圖10所示。

圖10 “枕窩型”焊接連接圖

2.8.3“塔型”焊接連接

“塔型”焊接連接的形狀介于“腰型”焊接連接與“枕窩型”焊接連接之間，其形成原因也是由于回流焊接過程中錫膏已熔融，但BGA焊料球未熔融完全，形成的焊點不規則，呈現底部大，中間部分堆疊，頂部為球形的形狀，如圖11所示。

圖11 “塔型”焊接連接圖

3結束語

利用X-ray檢驗設備對BGA器件焊接質量進行檢驗是一種高性價比的檢驗手段。隨著新技術的發展，超高分辨率、智能化的X-ray檢驗設備不僅會為BAG器件組裝提供省時、省力、可靠的保障，也能夠在電子產品故障分析中扮演重要的角色，提高故障排查效率。

參考文獻

[1]GJB 4907-2003球柵陣列封裝器件組裝通用要求[S].中國人民解放軍總參謀部第五十六研究所.

[2]IPC-A-610E CN電子組件的可接受性[S].IPC委員會.

作者簡介：李柏東（1981-），男，遼寧省海城市，沈陽鐵路信號有限責任公司，工程師，本科，研究方向：主要從事電子裝聯工藝方面工作。