| 引言
---對高端電子生產(chǎn)而言,BGA(球柵陣列)封裝技術是高容積生產(chǎn)技術,可提供80～600個I/O。BGA封裝不僅促進了電子裝配技術的微型化,而且也估計到了半導體器件之間較短的連線,因此能夠增進高I/O數(shù)封裝和雙面存儲器板等應用的性能。BGA封裝除了在性能、微型化和設計諸方面的優(yōu)點之外,在生產(chǎn)效率方面可比細間距方形扁平封裝(QFP)提高一個數(shù)量級。效率的提高是通過不斷使用過程控制技術和與BGA封裝相關的制造經(jīng)驗來改進裝配工藝而得到的,電子裝配廠商應該注重把過程控制技術應用于BGA封裝工藝當中。 BGA封裝面臨的挑戰(zhàn)
---雖然BGA封裝技術已經(jīng)獲得廣泛應用,并已成為許多產(chǎn)品的標準封裝。然而,在大規(guī)模應用BGA封裝技術之前,不得不克服如下幾個方面的挑戰(zhàn)。
● 檢查技術
---由于BGA封裝的焊點隱藏于元件下方,那么視覺檢查是行不通的,自動化或手工X射線檢查是最實際的替代方法。對于采用未經(jīng)充分驗證的X射線技術及在工程技術支持方面所需的巨額投資,制造廠商有些猶豫和畏縮不前。
● 修理技術
---自動化修理臺對BGA封裝而言是必需的,并且局部的、一致的回流焊,是目前所面臨的難題。昂貴的設備、未充分驗證的技術、大量的投資,這些問題對設備制造商而言都是必須克服的障礙。
● 過程控制技術
---裝配者不得不把過程控制技術付諸實施,以便在BGA裝配方面獲得成功。這就要求使用自動化焊膏高度測量系統(tǒng)和X射線檢查系統(tǒng)的監(jiān)測技術,目的是控制焊點的完整性和可靠性。掃描聲學顯微鏡(SAM)是檢查剝離現(xiàn)象所必需的,用來控制不能憑視覺檢查來控制的過程的糾正行為。
● 成本權(quán)衡
---由于以上原因,再加上較高的PCB和元件成本,BGA裝配的啟動成本高于QFP封裝。雖然BGA封裝比QFP封裝能夠獲得更高的I/O密度,布線成本也較低,但是BGA封裝會導致更多的PCB層。再者,有限的用戶基礎會使制造商在供貨方面有所猶豫。 選擇合適的BGA封裝
---現(xiàn)在存在很多種類的商用BGA封裝,選擇合適的封裝依賴于封裝的性能、可靠性和成本等因素。PBGA(塑料BGA封裝)是最便宜的封裝,對低共熔(63Sn/37Pb或63Sn/37Pb/2Ag)焊球具有濕敏性特征,散熱片粘附困難。雖然市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多于225個I/O數(shù)的封裝,但是PBGA封裝的I/O數(shù)在典型情況下小于225個,在不要求高性能和高散熱的低I/O應用中被普通采用。
---TBGA(載帶BGA)比PBGA昂貴,是具有高熔(90Sn/10Pb)焊球的高度濕敏性特征的封裝。該封裝具有嵌入式散熱片,并且通常狀況下?lián)碛卸噙_300個I/O。超級BGA封裝是一種更節(jié)省成本的TBGA形式,也可把它看作PBGA和TBGA的混合形式。TBGA封裝通常狀況下應用于需要良好散熱的高I/O數(shù)處理器。
---CBGA(陶瓷BGA)是最昂貴的BGA封裝,易于粘附散熱片,是一種具有高熔(90Sn/10Pb)焊球的氣密性封裝,適用于最多達625個I/O的高性能器件。焊料柱連接(SCC)封裝非常像CBGA,并且可提供1000個I/O。CBGA封裝通常用在需要高性能和高可靠性而不考慮成本因素的高端產(chǎn)品上。 生產(chǎn)技術問題
● 空洞
---雖然沒有制定出BGA的焊點規(guī)范,但是焊點中過多的空洞是不需要的。使用自動化X射線檢查設備來監(jiān)測BGA焊點中發(fā)生空洞的程度,發(fā)現(xiàn)所選擇的回流焊曲線圖和發(fā)生空洞現(xiàn)象之間存在直接的相互關系。較低的傾斜和較高的峰值溫度降低了發(fā)生空洞現(xiàn)象的百分比。過量的焊劑是直接增大空洞現(xiàn)象的又一因素,由于焊球空洞現(xiàn)象在連續(xù)的回流焊循環(huán)之后仍然存在,因此,各種元件的入廠檢查對監(jiān)測空洞現(xiàn)象是有必要的。
● 濕敏性
---各類BGA封裝的濕敏性是另一個重要的制造技術問題,PBGA和TBGA封裝需要適當?shù)牡獌Σ睾椭匦旅芊庠O備,而CBGA封裝則不需要。對所有的BGA封裝而言,濕敏性等級(3級)(168小時)是一個理想的水平。PBGA和TBGA封裝的濕敏性特征難以確定,因此應使用SAM監(jiān)測所有封裝的剝離現(xiàn)象和爆米花現(xiàn)象。
● 雙面裝配與維修
---在雙面BGA封裝裝配的傾斜上升階段完全使用X射線自動檢測技術。在雙面裝配中,焊點檢查和缺陷分離無法用透射X射線系統(tǒng)來完成。目前,研究正集中于雙面BGA裝配的重量限制方面,發(fā)現(xiàn)在頂部焊點和底部焊點之間無明顯差異。
---對于測試PWB安裝件,X射線自動檢測技術比普通的檢測方法具有明顯的優(yōu)點,即能透過元件的封裝材料,這樣就可提供BGA下焊點的直接掃描圖形。此方法使供應商能檢測缺陷,如焊點之間的橋接和對準失誤等。另外,X射線圖像方法可檢測焊接過程中的工藝變化。雖然X射線透射檢測法可檢查出與BGA有關的嚴重缺陷,但是該方法不能將焊區(qū)上的焊料與其上面的焊球區(qū)分開。如在CBGA焊點中,由于X射線在垂直路線中投射所有材料,所以焊球?qū)⒎恋K焊區(qū)上共晶合金焊料圖像的形成。在PBGA的情況下,焊區(qū)的焊料圖像也被焊球所妨礙。由于這一影響,此檢測技術在檢測邊界焊點尺寸和探測焊料不足等臨界工藝過程缺陷的能力上受到了限制。
過程控制技術
---過程控制技術是BGA裝配的關鍵技術,用于自動化焊膏高度測量系統(tǒng)、自動化X射線層析照相術及SAM等設備,或依據(jù)壽命循環(huán)、產(chǎn)品周期和容積構(gòu)形方面的審核等。
---X射線層析照相術不僅能探測嚴重的焊點連接缺陷,而且能精確地檢測BGA焊點的形狀和關鍵尺寸。如焊料厚度、半徑、圓度(焊點圓和完整圓的比率)等。X射線層析照相術能用X射線斷層技術分清BGA焊點的一個個邊界,因而可以對每一個焊接區(qū)域進行準確的檢測,并能夠?qū)GA焊點的每一個邊界區(qū)域分別照相,對每一個圖像采取特征值算法規(guī)則,算出X射線圖像關鍵點的灰度級,再將灰度級讀數(shù)轉(zhuǎn)換成與安裝設備相關的物理尺寸。尺寸數(shù)據(jù)被自動送入可自動生成過程控制圖的SPC裝置,把歷史資料儲存起來以便做SPC分析。
---在用X射線自動檢測技術檢測電路板時,先編輯程序,如確定板子的尺寸、元件的位置、封裝形式、焊盤位置大小及照相機參數(shù)設置等。得到一系列圖像后,再調(diào)整參數(shù)。所有引腳都需設定其焊盤位置,并使用自動化過程控制進行定位。通過過程控制設置進行判斷并得到描述曲線,最后得出結(jié)論。主要檢測BGA封裝中的錫過量、錫不足、對位不良、開焊、橋接、焊錫珠、空洞、元件或引腳丟失等缺陷。
---自動化過程控制是運用數(shù)理統(tǒng)計方法對產(chǎn)品進行抽查。通過對抽查結(jié)果的分析,了解產(chǎn)品質(zhì)量的波動狀況,從而發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的不正常預兆,并找出異常的原因,及時采取措施,設法消除隱患,使生產(chǎn)過程重新恢復正常,以預防廢品的產(chǎn)生,是一種科學的質(zhì)量控制方法。自動化過程控制按其工作程序可分為三個基本步驟,即統(tǒng)計調(diào)查和整理、統(tǒng)計分析和統(tǒng)計判斷。統(tǒng)計調(diào)查和整理就是根據(jù)解決某方面質(zhì)量問題的需要到現(xiàn)場收集數(shù)據(jù),將收集到的數(shù)據(jù)加以整理和歸納,用統(tǒng)計表和統(tǒng)計圖的方法,并借助一些統(tǒng)計特征數(shù)據(jù)來表述這批數(shù)據(jù)代表的客觀對象的統(tǒng)計性質(zhì)。統(tǒng)計分析就是對經(jīng)過整理歸納的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,研究它的統(tǒng)計規(guī)律。統(tǒng)計判斷就是根據(jù)統(tǒng)計分析的結(jié)果對總體現(xiàn)狀或發(fā)展趨勢做出有科學根據(jù)的統(tǒng)計判斷。
---總之,自動化過程控制是利用一套數(shù)據(jù)庫工具來最優(yōu)化和維持制造過程質(zhì)量的方法。將此方法用于BGA封裝工藝時,有助于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)能力。
---一般情況下,在傾斜上升階段,采用下列過程控制策略：
● 對入廠的各類元件確定其一致性,進行10%的批量分析;
● 對入廠的各類元件的剝離現(xiàn)象,進行10%的SAM檢查;
● 對入廠的各類元件的空洞現(xiàn)象,進行10%的X射線檢查;
● 對焊膏容積,進行100%的在線自動化焊膏檢查;
● 對焊點完整性和可靠性,進行100%的自動化X射線檢查;
● 回流焊或返修之后,對剝離現(xiàn)象的20%進行SAM審查;
---一旦裝配過程已成熟且穩(wěn)定,在生產(chǎn)中采用下列過程控制措施：
● 焊膏容積的在線自動化焊膏檢查;
● 焊點完整性和可靠性,10%的自動化X射線檢查;
● 回流焊及返修之后,對剝離現(xiàn)象的SAM檢查。 結(jié)束語
---應用自動化過程控制技術減少了BGA裝配的返工、修理和檢查工作,從而比QFP封裝大大地節(jié)省成本。因此,自動化過程控制技術在幫助裝配廠商提高產(chǎn)品的性能和可靠性方面起著非常重要的作用。 |
