简析BGA封装技术与质量控制

2022-04-05 11:49分类：电子元器件阅读：

浅析BGA封装技术性与质量管理

　　ＳＭＴ（Surface Mount Technology)表层组装技术性切合了电子设备微型化、综合化的流行趋势，为完成电子设备的轻、薄、短、小奠定了基本。
　　ＳＭＴ技术性进到９０时代至今，迈向了完善的环节，但伴随着电子设备向携带式／微型化、数字化和多媒体系统化方位的快速发展趋势，对电子器件安装技术性指出了更好的规定，新的密度高的拼装技术性层出不穷，在其中ＢＧＡ（Ball Grid Array球栅列阵封裝)便是一项早已进到产品化环节的密度高的拼装技术性。文中凑合ＢＧＡ元器件的拼装特性及其点焊的质量管理作一详细介绍。
　　一、ＢＧＡ技术性介绍
　　ＢＧＡ技术性的探讨起源于６０时代，最开始被英国ＩＢＭ企业选用，但一直到９０时代初，ＢＧＡ才真正的进到产品化的环节。
　　在８０时代，大家对电子线路微型化和I/O导线数明确提出了更好的规定。为了更好地融入这一规定，ＱＦＰ的管脚间隔现阶段已从1.27mm发展趋势到了0.3mm。因为脚位间隔持续变小，I/O数持续提升，封裝容积也持续增加，给电源电路拼装生产制造提供了很多艰难，造成良品率降低和拼装成本费的提升。另层面因为受元器件脚位架构加工精度等生产技术的限定，０．３ｍｍ已经是ＱＦＰ脚位间隔的極限，这都限定了拼装相对密度的提升。因此一种现代化的集成电路芯片ＢＧＡ（Ball Grid Array）应时而生，ＢＧＡ是球栅列阵的英文简写，它的Ｉ／Ｏ接线端子以圆型或柱型点焊按列阵方式遍布在封裝下边，导线间隔大，导线长短短，那样ＢＧＡ清除了细致间隔元器件中因为导线而导致的共面度和涨缩的难题。ＢＧＡ技术性的特点是可提升Ｉ／Ｏ数和间隔，清除ＱＦＰ技术性的高Ｉ／０数产生的成本费用和安全性难题。
　　ＪＥＤＥＣ（电子元器件工程项目委员会）（ＪＣ－１１）的产业部门制订了ＢＧＡ封裝的物理学规范，ＢＧＡ与ＱＦＰ对比的最大的优势是Ｉ／Ｏ导线间隔大，已注冊的导线间隔有１．０、１．２７和１．５ｍｍ，并且现在已经强烈推荐由１．２７ｍｍ和１．５ｍｍ间隔的ＢＧＡ替代０．４ｍｍ－０．５ｍｍ的细致间隔元器件。
　　ＢＧＡ元器件的构造可按点焊样子分成两大类：球型点焊和柱型点焊。球型点焊包含陶瓷球栅列阵ＣＢＧＡ（Ceramic Ball Grid Array）、载带全自动键合球栅列阵ＴＢＧＡ（Tape Automatec Ball Grid Array）塑胶球栅列阵ＰＢＧＡ（PlasTIc Ball Array）。ＣＢＧＡ、ＴＢＧＡ和ＰＢＧＡ是按封裝形式的差异而划定的。柱状点焊称之为ＣＣＧＡ(Ceramic Column Grid Array)。
　　ＢＧＡ技术性的发生是ＩＣ元器件从四边导线封裝到列阵点焊封裝的一大发展，它保持了元器件更小、导线大量，及其良好的电气性能，此外也有一些超出基本拼装技术性的特性优点。这种特性优点包含密度高的的Ｉ／Ｏ插口、优良的热损耗特性，及其可以使中小型电子器件具备较高的时钟频率。
　　因为ＢＧＡ元器件相对来说其间隔很大，它在再流电焊焊接操作过程中具备全自动排序精准定位的工作能力，因此它比相相近的其他电子器件，比如ＱＦＰ，实际操作方便快捷，在拼装时具备可靠性高。据海外一些印刷线路板生产制造技术文档体现，ＢＧＡ元器件在应用基本的ＳＭＴ工艺规程和设施完成拼装生产制造时，可以始终如一地完成不合格率低于２０ＰＰＭ（Parts Per Million，上百万分率缺点数），而与之相对性应的元器件，比如ＱＦＰ，在安装流程中所建立的商品不合格率最少要超出其１０倍。
　　总的来说，ＢＧＡ元器件的性能指标和拼装好于传统的电子器件，可是很多生产商依然不愿意项目投资开发设计批量生产ＢＧＡ元器件的工作能力。归根结底主要是ＢＧＡ元器件电焊焊接点的检测非常艰难，不易确保其品质和稳定性。
　　二、ＢＧＡ元器件电焊焊接点检测中存在的不足
　　现阶段，对以中等水平经营规模到规模性选用ＢＧＡ元器件开展电子器件拼装的生产商，主要是选用电子测试的方法来挑选ＢＧＡ元器件的铸造缺陷。在ＢＧＡ元器件安装期内操纵机械加工工艺全过程品质和辨别缺点的其他方法，包含在助焊剂漏印（paste Screening)上抽样检测和应用Ｘ放射线开展安装后的最后检测，及其对电子测试的效果开展剖析。
　　达到对ＢＧＡ元器件电子测试的评估规定是一项具有创造性的技术性，由于在ＢＧＡ元器件下边选中测试用例是艰难的。在定期检查辨别ＢＧＡ元器件的缺点层面，电子测试一般是力不从心的，这在较大水平上提升了用以清除缺点和维修时的成本开支。
　　据一家国际性一流的电子计算机生产商体现，从印刷线路板装配流水线上去除的全部ＢＧＡ元器件中的５０％之上，选用电子测试方法对其完成检测是错误的，他们事实上并不会有缺点，因此也就不应该被去除掉。电子测试不能够明确是不是ＢＧＡ元器件造成了检测的无效，可是他们却为此而被去除掉。对其有关页面的细致科学研究可以降低测试用例和提升检测的精确性，可是这规定提升芯管级电源电路以给予需要的检测电源电路。
　　在检验ＢＧＡ元器件缺点全过程中，电子测试仅能确定在ＢＧＡ联接时，分辨导电性电流量是通或是断﹖假如輔助于非物理学电焊焊接点检测，将有利于拼装加工工艺全过程的缓解和ＳＰＣ（StaTIsTIcal Process Control统计分析加工工艺操纵　。
　　ＢＧＡ元器件的拼装是一种基本上的物理性联接加工工艺全过程。为了更好地可以明确和操纵那样一种加工工艺全过程的品质，规定掌握和检测危害其长期性工作中稳定性的物理学要素，比如：焊接材料量、输电线与通孔的市场定位状况，及其润滑性，不可以仅仅根据电子测试所造成的结论就开展改动。
　　三、ＢＧＡ检验办法的讨论
　　现阶段市場上出現的ＢＧＡ封装类型关键有：ＰＢＧＡ（塑胶ＢＧＡ）、ＣＢＧＡ（瓷器ＢＧＡ）及ＴＢＧＡ（载带ＢＧＡ）。封裝加工工艺中所规定的关键特性有：封裝部件的稳定性；与ＰＣＢ的热配对特性；焊球的共面性；对热、体内湿气的敏感度；是不是能根据封裝体边沿指向，及其生产加工的经济发展特性。需强调的是，ＢＧＡ基钢板上的焊球无论是根据高溫焊球（９０Ｐｂ／１０Ｓｎ）变换，或是选用球射加工工艺产生，焊球都是有很有可能掉下遗失，或是成形过大、过小，或是产生焊球连、破损等状况。因而，必须对ＢＧＡ电焊焊接后品质状况的一些指标值完成检验操纵。
　　现阶段较常用的ＢＧＡ无损检测技术有电检测、界限扫描仪及Ｘ射线检测。
　　·电检测传统式的电检测，是搜索引路与短路故障缺点的首要方式。其唯一的目标是在板的预制构件点开展具体的电联接，那样便能够商谈一个使数据信号注入检测板、数据信息注入ＡＴＥ的插口。假如pcb电路板有充足的区域设置测试用例，系统软件就能迅速、合理地搜索到引路、短路故障及常见故障元器件。系统软件也可查验部件的作用。测试设备一般由计算机操纵，检验不一样ＰＣＢ时，必须对应的针床和手机软件。针对不一样的检测作用，该设备可给予相对应工作中模块来实现检验。比如，检测二极管、三极管时要直流电源平模块，检测电容器、电感器时要沟通交流模块，而检测低标值电容器及电感器、高电阻值电阻器时要高频率数据信号模块。
　　·界限扫描仪检验界限检测技术性解决了一些与繁杂元器件及封裝相对密度相关的寻找难题。选用界限检测技术性，每一个ＩＣ元器件设计方案有一系列存储器，将作用路线与检验路线分离去，并纪录根据部件的检查数据信息。检测通道查验ＩＣ元器件上每一个电焊焊接点的引路、短路故障状况。根据界限扫描仪设计方案的检验端口号，根据边沿射频连接器给每一个点焊给予一条通道，进而免去全连接点搜索的必须。虽然界限扫描仪给予了比电检测更广的不由此可见点焊检验专业设计方案pcb电路板与ＩＣ元器件。电检测与界限扫描仪检验都关键用于检测电气性能，却不可以不错检验电焊焊接的品质。为提升并确保生产过程的品质，务必寻找其他办法来检验电焊焊接品质，尤其是不由此可见点焊的品质。
　　·Ｘ放射线检测合理检验不由此可见点焊品质的办法是Ｘ射线检测，该检验方式根据Ｘ放射线不可以象通过铜、硅等资料一样通过焊接材料的观念。换句话说，Ｘ放射线透视图可表明电焊焊接薄厚、样子及产品质量的硬度遍布。薄厚与样子不但是体现长期性构造品质的指标值，在测量引路、短路故障缺点及电焊焊接不够层面，也是有效的指标值。此技术性有利于搜集量化分析的全过程主要参数，这种填补数据信息有利于减少新产品研发花费，减少投入市场的時间。
　　①Ｘ放射线图像检验基本原理Ｘ放射线由一个微聚焦点Ｘ射线管造成，越过列管式内的一个铍管，并映射到试验试品上。试品对Ｘ放射线的消化率或透射系数在于试品所包括原材料的成份与比例。越过试品的Ｘ放射线的消化率或Ｘ放射线比较敏感板上的磷镀层，并激考虑光量子，这种光量子接着被监控摄像头检测到，随后对该讯号做好解决变大，有电子计算机进一步剖析或观查。不一样的试品原材料对Ｘ放射线具备不一样的不全透明指数，解决后的二值化表明了被检验的物件相对密度或原材料薄厚的差别。
　　②人力Ｘ射线检测应用人力Ｘ射线检测机器设备，必须逐一查验点焊并确认其是不是达标。该设施装有手动式或电动式輔助设备使部件歪斜，便于更好的开展监测和拍摄。但一般的看着检验规定学习培训使用工作人员，而且便于错误。除此之外，人力机器设备并不宜对所有点焊开展检验，而只合适作加工工艺评定和加工工艺常见故障剖析。
　　③自动识别系统软件自动式系统软件能对所有点焊开展检验。尽管已界定了人力测试标准，但自动式系统软件的检验正确度比人力Ｘ射线检测方式高得多。自动识别系统软件一般用以生产量高且种类少的生产设备上。具备高使用价值或规定稳定性的商品与必须开展自动识别。检验效果与必须维修的线路板一起赠给维修工作人员。这种結果还能给予相应的统计数据，用以改善生产工艺流程。
　　全自动Ｘ放射线分层次系统软件采用了三维模型技术性。该体系能检验单层或两面表层贴片线路板，而沒有传统式的Ｘ放射线系统软件的局限。系统软件根据软件定义了所需查验点焊的范围和高宽比，把点焊割成不一样的横截面，进而为所有检验创建完善的剖视图。
　　现阶段已经有二种检验电焊焊接品质的自动化测试系统软件发售：传送Ｘ放射线检测系统软件与横断面Ｘ放射线自动化测试系统软件。传送Ｘ放射线检测系统软件来源于Ｘ放射线束沿通道复合型消化吸收的特点。对ＳＭＴ的一些电焊焊接，如单层ＰＣＢ上的Ｊ型导线与微间隔ＱＦＰ，传送Ｘ放射线系统软件是测量电焊焊接品质较好的方法，但它却不可以区别竖直叠加的特点。因而，在传送Ｘ放射线透视图中，ＢＧＡ元器件的焊接被其导线的焊球遮掩。针对ＲＦ屏蔽掉下的两面密集式ＰＣＢ及电子元件的不由此可见电焊焊接，也出现这类难题。
　　横断面Ｘ放射线自动化测试系统软件解决了传送Ｘ放射线检测体系的许多难题。它制定了一个对焦横断面，并根据左右平面图散焦的方式，将ＰＣ的能力地区分离。该体系的取得成功取决于只需较短的测试开发時间，就能精确查验电焊焊接点。但横断面Ｘ放射线检测系统软件保证了一种非破坏的测试标准，可检验全部类别的点焊品质，并得到有價值的调节机械加工工艺的信息内容。
　　④挑选适宜的Ｘ射线检测系统软件
　　挑选合适具体制造中运用的、有较性能卓越价格对比的Ｘ射线检测系统软件以达到操纵要求是一项十分关键的工作中。近期较新产生的超高像素Ｘ放射线系统软件在检测分析缺点层面已达μm水准，为生产流水线发觉较隐敝的产品质量问题（包含铸造缺陷）给予了较全方位的、较为省时的解决方法。在确定选购检验Ｘ放射线系统软件以前，一定要掌握系统软件在现实制造中的使用层面及所需实现的作用，便于于明确体系需要的最低屏幕分辨率，此外也就选择了所需购买的体系的大体价钱。自然，机器设备的置放、工作人员的配备等要素也需要在购买时统筹谋划。
　　四、ＢＧＡ的维修
　　因为ＢＧＡ封装类型与传统的的表层元器件不一样，其脚位遍布在元器件体底端，因此ＢＧＡ的检修方法也区别于传统的的表层元器件。
　　ＢＧＡ维修加工工艺具体涉及下面两步：
　　１．线路板，集成ic加热
　　２．拆卸集成ic
　　３．清理焊层
　　４．涂助焊膏，助焊膏
　　５．贴片式
　　６．暖风回流焊炉
　　１）线路板，集成ic加热的首要目标是将湿气除去，假如线路板和集成ic的湿气不大（如集成ic刚拆开，这一步能够免去）。
　　２）拆卸的集成ic如果不准备再次应用，并且线路板可经受高溫，拆卸集成ic可使用较高的溫度（较短的加温周期时间）。
　　３）清理焊层主要是将拆卸集成ic后留到ＰＣＢ表层的助焊膏，助焊膏清除掉，务必应用符合标准的清洁液。为了更好地确保ＢＧＡ的电焊焊接稳定性，一般不可以应用焊层上旧的残余助焊膏，务必将旧的助焊膏消除掉，除非是集成ic上再次产生ＢＧＡ焊锡丝球。因为ＢＧＡ集成ic体型小，尤其是ＣＳＰ集成ic容积更小，清理焊层较为艰难，因此在维修ＣＳＰ集成ic时，如果ＣＳＰ的周边室内空间不大，就需应用非清理助焊剂。
　　４）在ＰＣＢ上涂助焊膏针对ＢＧＡ的维修結果有关键危害。为了更好地精确匀称便捷地涂助焊膏，英国ＯＫ集团公司给予ＭＳ－１小型助焊膏印板系统软件。根据采用与集成ic相符合的模版，能够很便捷地将助焊膏涂在电路板上。挑选建筑模板时，应留意ＢＧＡ集成ic会比ＣＢＧＡ集成ic的模版薄厚薄，由于他们所须要的助焊膏量不一样。用ＯＫ集团公司的ＢＧＡ３０００机器设备或ＭＰ－２０００小型电子光学对中系统软件能够便捷地检测助焊膏是不是涂的匀称。解决ＣＳＰ集成ic，有３种助焊膏能够挑选，ＲＭＡ助焊膏，非清理助焊膏，液剂助焊膏。应用ＲＭＡ助焊膏，流回時间可偏长些，应用非清理助焊膏，流回溫度应取的低些。
　　５）贴片式的首要目标是使ＢＧＡ集成ic上的每一个焊锡丝球与ＰＣＢ上每一个相匹配的点焊对正。因为ＢＧＡ集成ic的点焊坐落于人眼不可以监测到的位置，因此需要应用专业的设施来对中。ＯＫ集团公司生产制造的ＢＧＡ３０００和ＭＰ－２０００机器设备能够准确地实现那些每日任务。
　　６）暖风回流焊炉是全部维修工序的重要。在其中，几个难题非常关键：
　　集成ic维修回流焊炉的曲线图理应与处理器的初始电焊焊接曲线图贴近，应用ＯＫ集团公司的ＢＧＡ３０００能够确保作到这一点。它的暖风回流焊炉曲线图可分为四个区段：加热区，加温区，流回区，制冷区，四个区段的溫度、時间主要参数能够各自设置，根据与电脑联接，能够将这种程序流程储存和随时随地启用。
　　在回流焊炉全过程时要恰当挑选县市的电加热溫度和時间，与此同时应留意提温的速率，一般，在１００℃之前，较大的加热速率不超过６℃／秒，１００℃之后最高的加热速率不超过３℃／秒，在制冷区，较大的制冷速率不超过６℃／秒。由于过高的加热和减温速率有可能毁坏ＰＣＢ和集成ic，这类毁坏有时候是人眼不可以观查到的。ＯＫ集团公司的ＢＧＡ维修机器设备能够利用软件便捷地对于此事开展挑选。不一样的集成ic，不一样的助焊膏，应选用不一样的电加热溫度和時间。如ＣＢＧＡ集成ic的流回溫度应高过ＰＢＧＡ的流回溫度，９０Ｐｂ／１０Ｓｎ应较７３Ｐｂ／Ｓｎ助焊膏采用高些的流回溫度。
　　暖风回流焊炉中，ＰＣＢ板的底端务必可以加温。这类加温的目标有两个：防止因为ＰＣＢ板的单层遇热而造成涨缩和形变，使助焊膏融化的时长减少。对大规格板维修ＢＧＡ，这类底端加温特别是在关键。ＯＫ集团公司的ＢＧＡ维修机器设备的底端加温有二种：一种是暖风加温，一种是红外线加温。暖风加温的特点是加温匀称，一般维修加工工艺提议使用这类加温。红外线加温的特点是溫度上升快，但不足之处是ＰＣＢ遇热不匀称。
　　要挑选好的热气流回喷头。暖风流回喷头归属于非接触式加温，加温时借助高溫空气使ＢＧＡ集成ic上的各点焊的焊锡丝与此同时融化。英国ＯＫ集团公司最先创造发明这类喷头，它将ＢＧＡ元器件密封性，确保在全部流回全过程中有比较稳定的气温自然环境，与此同时可维护邻近元器件不被热对流暖空气加温毁坏。