吕淑珍
(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)
择要：
BGA焊点质量检测难度大，在进行BGA焊点质量检测剖析时，应遵照一个工艺流程，确保测试样本在转移到下一个测试之前，网络了所有的可用数据。X射线能够检测连焊、焊球丢失、焊球移位和空洞等毛病。引入3D断层扫描后也能够检测险些所有的BGA常见焊接毛病。染色测试供应了所有焊点的信息，并有助于查明存在裂痕或分离的界面。金相检测与SEM和EDS相结合，供应了基板侧和元件侧焊点界面的详细信息，可以描述发生在BGA中绝大多数的焊点毛病及非常，有助于查到导致BGA失落败的根本缘故原由。
随着电子产品向轻、薄和眇小型化方向的发展，BGA（球栅阵列封装）作为一种范例的高密度封装技能，在SMT工艺中大量利用。BGA封装的紧张特点是：（1）芯片引脚以球形焊点形式按阵列分布在芯片底部，封装面积小；（2）电性能优秀，可靠性高；（3）功能更大，引脚数更多；（4）引脚间距更大，成品组装率更高；（5）采取回流焊焊接时具有位置自对准功能；（6）整体本钱低。虽然BGA具有这些上风，但是仍旧会有潜在问题：（1）由于BGA焊点隐蔽在芯片底部，焊接装置后不利于检测；（2）由于焊点的表面积减小，焊点的机器强度降落，会导致断裂；（3）回流焊期间或热循环过程中热膨胀系数（CTE）的失落配会导致元件和基板之间的波折，给焊点增加额外的应力；（4）焊料向无铅转换，也带来了额外的问题，如球窝焊点HiP、黑盘征象、焊盘坑裂等。BGA焊点质量检测，常日首先进行非毁坏性技能检测，如目视检讨和X射线检测。目检仅能检测器件边缘的焊点，不能检测器件底部的焊点和焊点内部毛病。X射线检测利用X射线透射特性，可以很好地检测隐蔽在器件底部的焊点，确定焊点是否有畸形或空洞。但是由于它们检测能力的限定，不能定位失落效和毛病。进一步的检测则是毁坏性检测技能，包括染色剖析、金相检测和扫描电镜（SEM）及能量色散谱（EDS）剖析，这些一样平常用于界面剖析，可以识别大多数的BGA失落效焊点。
1BGA优秀焊点标准
由于PBGA和CBGA在回流焊过程中有着不同的冶金物理过程，其形成的焊点构造也不相同。PBGA在回流焊过程中，焊球熔化，回流焊后哀求：焊球焊点表面光亮平滑，润湿角良好，坍塌高度约为芯片焊球引脚高度的1/3。CBGA在回流焊过程中，焊球不熔化，焊膏回流后在焊盘和焊球之间添补并润湿充分，回流焊后哀求：焊点表面光滑平整，润湿角良好，高度不发生坍塌。
2常见的BGA焊点毛病
（1）冷焊焊点。冷焊焊点一样平常颜色发乌，表面明显凹凸不平，坍塌高度明显不足，更严重的还可在显微镜下看到锡颗粒。
（2）虚焊焊点。回流焊过程中，焊料不能润湿焊盘而形成合金层，即BGA焊球未与焊盘形成真正的电气连接。表现形式是电气连接打仗不良，时通时断。
（3）桥连焊点。回流焊过程中，两个或多个BGA焊点发生粘连在一起的征象，造成短路。
（4）开路及微裂纹焊点。焊球和焊盘之间开路；焊球和焊盘之间涌现微裂纹；BGA芯片和焊球之间涌现微裂纹等。
（5）焊球丢失。回流焊后涌现焊球缺失落。
（6）焊球移位。焊球与PCB焊盘未能完备对准，存在相对位移，对器件焊接的机器性能造成影响。
（7）焊球空洞及凹坑。回流焊过程中，由于焊球中的气泡而导致焊点中涌现空洞或在焊点表面涌现明显的凹坑。
（8）焊料小球。回流焊后涌如今焊点周围的一些焊料小球，造成相邻焊点间的电气绝缘间隔进一步减小，乃至导致相邻焊点间的直接连通。
（9）枕头效应。回流焊时，BGA焊球拒焊，导致焊球和焊膏未完备领悟在一起或部分领悟，形成枕头形狀的焊点。这种毛病不易被检测，在后期利用过程焊点随意马虎断裂。
（10）焊渣及碳化物。回流焊过程中，由于温度的不屈均性，可能导致局部产生焊渣，有时在焊点表面涌现暗岛状碳化物斑块。
（11）暗色焊点。回流焊过程中，由于回流焊韶光过长，使焊点表面氧化并发暗。
3非毁坏性检测技能
3.1目视检讨
BGA目视检讨常日是失落效检测剖析的第一步，便是利用人眼或借助于大略的光学放大镜和工业显微镜等，检讨BGA器件边缘排的焊点，探求任何可以查看到的非常，例如球窝焊点、畸形焊点和翘曲等。由于检讨常日仅限于外排焊点，有些非常可能看不到。检讨中还可以借助金属针或竹制牙签，以适宜的力量和速率划过焊点，依赖手感及目测来综合判断，特殊是虚焊或桥连的检讨，有着良好的效果。不过目视检讨存在局限性，例如重复性差、不能精确定量地反响问题，劳动强度大，一样平常不适应高品质产品和大批量集中检测。
3.2X射线检测
实时X射线检测是一种有代价的非毁坏性检测技能，可以供应BGA焊点的主要信息。现在还没有哪种设备能超越实时的X射线设备。X射线检测须要干系的软件，也须要培训上岗，有履历的剖析师和无履历职员给出的检测结果差异显著。
常日BGA器件具有数百个引脚，其焊点可能同时具有多种焊接毛病。这时遵照合理的检测流程，既兼顾效率又不会漏掉某种毛病十分主要。BGA焊点质量检测合理的X射线检测流程为：（1）先通过二维X射线检测BGA器件的全貌，检讨是否有焊点连接、焊球丢失和焊球位移等。（2）然后进行器件局部检测，检讨是否有焊球位移、焊球空洞和焊球非常。二维X射线检测应采取5点检测法，着重检测器件四周及中央5点，同时，快速检测其他区域。（3）再根据焊点是否非常的检测结果，如焊点的大小、形状和灰度，剖析是否须要进行3D断层扫描。如果BGA焊点形状为正常的圆形，大小和灰度都无非常，那么可不进行3D断层扫描检测；若存在焊点大小不一、形状非常、空洞较大和边界模糊等，则需对其进行3D扫描检测，进一步判断是虚焊焊点还是枕头效应等。只管3D断层扫描检测可以供应额外的焊点信息，但是这个过程可能是昂贵的。
X射线检测不雅观察到的最常见毛病之一是焊点中的空洞。根据IPC-7095C，空洞面历年夜于35%和直径大于50%是工艺掌握的极限值。一样平常来说若空洞面积总和超过焊球面积的25%即为不合格，须要返修。图1是焊点空洞的X射线描述。虽然小的空洞可以通过检测，无需返修，但是它们仍旧是一个应把稳的工艺指标。同时还应把稳确保在图像中不存在电晕征象，由于这样可以使空洞看起来比实际的更大。
焊料桥接是可以通过X射线检讨的另一种毛病。当2个焊点由焊料连接时，焊料和周围的大部分材料之间存在着显著的密度差，以是很随意马虎识别。两焊点之间的短路结果如图2所示。
焊球丢失在X射线检测图片中的表现也极为明显。由于BGA焊球因此阵列办法整洁排列在器件底部，哪个相应位置短缺焊球很随意马虎被创造。图3为BGA焊球丢失的X射线图像。
X射线检测也很随意马虎创造焊球移位的问题，关键是须要检测焊球移位的严重程度。一样平常根据详细需求来剖断焊点是否合格，通用的判据公式为：焊球球心至焊盘圆心的间隔/焊盘直径<25%。
X射线检讨也可以不雅观察到畸形焊点，只管它们的不雅观察更困难。要看到确定的毛病，常日须要极度的角度和分外处理。有些畸形焊点是无害的，如图4中不雅观察到略长的焊点。
其他畸形焊点可能便是严重的毛病，如图5不雅观察到的枕头效应。枕头效应很难通过二维X射线检测来不雅观测，须要借助3D断层扫描来检测。
虚焊也很难通过二维X射线进行检测。常常先用二维X射线对有无虚焊做初步诊断。图6为倾斜光源后焊点X射线二维图像，从图中可看到相互嵌套的3个圆。若仅能看到个中2个圆，同时焊点形状非常，如边界模糊、大小非常以及灰度较暗，那么这类焊点很可能有虚焊毛病，应进行3D断层扫描检测。
4毁坏性检测技能
4.1染色测试
染色测试是通过高渗透性高着色性染料渗透到焊点开裂区域，然后拉开焊点，不雅观测焊点内部开裂程度和分布，是一种本钱效益的毁坏性检测技能，供应焊点界面的所有信息。首先采打水润滑切片锯（首选）或旋转工具取下含有所需BGA的PCBA部分。应留下足够的板材以便操作。将BGA在助焊剂去除剂中浸泡3h，去除所有残留的助焊剂，使染料可以渗透到任何裂纹或分离处。随后用酒精冲洗和风干，以确保所有的助焊剂去除剂被去除。然后BGA在一个局部真空下染色6min，用气罐吹走多余的染料，在100℃烤箱中至少干燥3h。样品也可以在室温下干燥，但须要至少48h，确保染料干燥。这一步至关主要，由于在操作过程中任何不干的染料都可能会导致缺点的迹象。然后利用试验台把BGA从基板上拉下。这时所有的焊点都被从最弱的界面勾引失落效。必须小心掌握拉断器件时的外力，以担保焊点连续沿预开裂区域断开。
用立体显微镜检讨焊点的两侧界面，探求所有的染料标志。图7给出了一个焊点范例的染料测试失落效界面图。
染色可以表明焊盘坑裂、界面断裂和球窝焊点等，球窝焊点的实例如图8所示。
4.2金相检测
金相检测供应最好的BGA焊点界面数据，大多数非常都可以被终极确认。通过剖面得到的信息能够表明毛病问题是与工艺干系还是与材料干系，有助于确定须要在哪道工序办理纠正问题。但是，金相检测也有一定的不敷，检测过程是劳动力密集型的，一次只能对一个平面进行评价。此外，它须要相对昂贵的设备来完成。
此时，X射线和染色测试的结果常日是一个很好的参考依据，有助于确定评价哪个平面，可能存在什么样的毛病。如果剖面没有什么问题，常日选择对角线或边缘排，由于这些地方含有角部焊点，毛病大多数发生在这里。将样品在旋转砂轮上机器研磨，采取逐渐变细的砂磨纸，直到达到所需的焊点平面，然后利用抛光钻石粗抛光及氧化铝终极抛光。再用铜蚀刻工艺蚀刻样品，使焊点特色更加突出。大空洞、畸形焊点和球窝焊点常日在低倍率（5倍～150倍）显微镜下即可显现，而裂痕、微空洞、黑盘和焊盘坑裂毛病在较高倍率（150倍～1500倍）显微镜下才可显现。
扫描电镜(SEM)是金相检测的赞助检测工具，供应更高放大倍率的金属间化合物界面、裂痕和干系毛病的视图，为小的特性和毛病供应良好的分辨率。能量色散光谱（EDS）检测是连接到SEM的一个仪器，供应SEM中成像区域的元素数据。这是非常主要的，由于许多用于剖析的特色都是小斑点或薄层，如铜锡金属间化合物层（Cu6Sn5和Cu3Sn）等。
5结束语
在进行BGA焊点检测剖析时，应遵照一个工艺流程，确保被测样本在转移到下一道测试工序之前，应网络所有的可用数据。非毁坏性检测技能供应的初步毛病信息，有助于勾引后续的毁坏性检测剖析。X射线能够检测连焊、焊球丢失、焊球移位和空洞等毛病。引入3D断层扫描后也能够检测险些所有的BGA常见焊接毛病。染色测试供应了所有焊点的信息，并有助于查明存在裂痕或分离的界面。金相检测与SEM和EDS相结合，供应了基板侧和元件侧焊点界面的详细信息，可以描述发生在BGA中绝大多数的焊点毛病及非常，有助于查到导致BGA失落败的根本缘故原由。
