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技术分享:BGA焊接工艺及可靠性分析

2018-12-28 09:30
云创硬见
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1、前言

随着电子产品向小型化、便携化、网络化和高性能方向的发展,对电路组装技术和I/O引线数提出了更高的要求,芯片的体积越来越小,芯片的管脚越来越多,给生产和返修带来了困难。原来在SMT中广泛使用四边扁平封装QFP,封装间距的极限尺寸停留在0.3 mm,这种间距的引线容易弯曲、变形或折断,对SMT组装工艺、设备精度、焊接材料的要求较高,且组装窄、间距细的引线QFP缺陷率最高可达6000 ppm,使大范围应用受到制约。而球栅阵列封装BGA器件,由于芯片的管脚分布在封装底面,将封装外壳基板原四面引出的引脚变成以面阵布局的铅/锡凸点引脚,就可容纳更多的I/O数,且用较大的引脚间距(如1.5、1.27 mm)代替QFP的0.4、0.3 mm间距,很容易使用SMT与PCB上的布线引脚焊接互连,不仅可以使芯片在与QFP相同的封装尺寸下保持更多的封装容量,又使I/O引脚间距较大,从而大大提高了SMT组装的成品率,缺陷率仅为0.35 ppm,方便了生产和返修,因而BGA在电子产品生产领域获得了广泛使用。为提高BGA焊接后焊点的质量和可靠性,就BGA焊点的缺陷表现及可靠性等问题进行研究。

2、BGA焊接质量及检验 

BGA的焊点在晶片的下面,焊接完成后,用肉眼难判断焊接质量。在没有检测设备下,可先目视芯片外圈的塌陷是否一致,再将晶片对准光线看,如果每排每列都能透光,则以初步判断没有连焊。但用这种方法无法判断里面焊点是否存在其他缺陷或焊点表面是否有空洞。要想更清楚地判断焊点的质量,必须运用X光检测仪器。常用的X光检测仪器有二维X射线直射式照像仪和X电路板检测仪。传统的二维X射线直射式照像设备比较便宜,缺点是在PCB板两面的所有焊点都同时在一张照片上投影,对于在同一位置两面都有元件的情況下,这些焊锡形成的阴影会重叠起来,分不清是哪个面的元件,如果有缺陷的话,也分不清是哪层的问题,无法满足精确地确定焊接缺陷的要求。X电路板检测仪是专门用来检查焊点的X射线断层扫描设备,不仅能检查BGA,而且可以检查PCB板上所有封裝的焊点。该设备采用的是X射线断层照相,通过它可以把锡球分层,产生断层照相效果。X断层照片能根据CAD原始设计资料和用户设置参数进行比对,从而能适时得出焊接合格与否的结论。其缺点是价格太昂贵。2.1BGA焊点的接收标准 不管用何设备检查,判断BGA焊点的质量是否合格都必须有标准。IPC-A-610C中12.2.12对合格的BGA焊点的接收标准定义:焊点光滑、圆润、边界清晰、无空洞,所有焊点的直径、体积、灰度和对比度一样,位置对准,无偏移或扭转,无焊锡球。焊接完成后,判断焊点合格与否优选的方案是满足上面的要求,但实际检验时可稍微放宽标准。如位置对准,允许BGA焊点相对于焊盘有不超过25%  的偏移量,对于焊锡球也不是不允许存在,但焊锡球不能大于相邻最近的2个焊球间距的25%。2.2BGA焊接常见缺陷BGA焊接常见缺陷:连锡、开路、焊球缺失、空洞、大焊锡球和焊点边缘模糊。空洞并不是BGA独有的,在表面贴装及通孔插装元件的焊点通常都可通过目视看到空洞,而不用X射线检查。但在BGA焊接中,由于焊点隐藏在封装的下面,只有使用X射线才能检查到这些焊点是否有空洞。甚至认为空洞对可靠性有利。IPC-7095委员会认为有些尺寸非常小、不能完全消除的空洞可能对于可靠性有好处,但是多大的尺寸应该有一个界定的标准。

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