網絡印刷電路板元件(PBA)上的球柵陣列封裝(BGA)數量與變體都有增加的趨勢，其尺寸從數毫米的低球數晶圓級封裝(WLP)到擁有60-70毫米邊長和數千個I/O的大型多芯片系統封裝(SiP)BGA。
圖1-來自HoP缺陷分析的X射線圖像
一個重大挑戰是回流焊過程中的動態翹曲，特別是對于大型BGA、SiP以及細間距超薄BGA元件。這種翹曲可能導致錫球在焊接過程中與焊膏及助焊劑失去接觸，致使焊點 形狀不規則，即添加的焊料與BGA錫球之間結合不良或沒有結合。這種缺陷被稱為枕頭效應(HoP)，是一種很難檢測的缺陷類型。
在本研究中，首先采用x射線檢查來發現故意制造的HoP缺陷，然后再撬開BGA驗證兩種方法之間的HoP缺陷與故障檢測的相關性。結果清楚地表明，在x射線分析中被歸 類為HoP缺陷的許多焊點在撬開后完全沒有HoP跡象。這說明在使用x射線檢查時很難確定是否屬于HoP缺陷。
本研究的目的是了解如何利用安全的x射線分析進行HoP缺陷檢測。
簡介
本文來源于一項焊膏鑒定試驗，旨在尋找一種低鹵或無鹵焊膏，以取代鹵化物含量較高的焊膏。在焊膏中使用“弱”助焊劑可能對PCB焊盤、引線和端點造成不良影響。因此進行了多項不同的潤濕試驗。在分析該HoP缺陷試驗的焊點時發現了x射線檢查與撬開元件之間的顯著差異， 這清楚表明確定此類缺陷的難度很大。
圖2-芯片元件放置在絲網印刷焊膏的BGA焊盤上的示例
方法論
本文選擇了一種HoP缺陷評估方法，即絲網印刷焊膏后，將兩個芯片元件放置在試驗用BGA焊板的幾列焊盤上，見圖2。
放置兩個芯片元件后，應在芯片元件頂部放置BGA，見圖3。
圖3-所用HoP測試方法的示意圖
該HoP缺陷評估法的思路是:在回流焊過程中，不同列的BGA錫球在不同時間接觸焊膏助焊劑。一些錫球從一開始就與焊膏助焊劑接觸，而其他錫球在焊料完全熔化并“擁 抱”芯片元件之前不會接觸焊膏助焊劑。
本次評估涉及以下操作:
?元件和電路板的測量。
?準備模板、SMT程序、回流焊參數等。
?試驗電路板的絲網印刷。
?絲網印刷焊膏沉積物的SPI測量。
?在每個試驗用BGA焊盤上放置兩個電阻。
?在帶有兩個電阻的焊盤上放置BGA。
?空氣中的對流回流焊。
?X射線檢查與分析。
?撬開BGA并分析結果。
?比較x射線與撬開分析的結果。
A、關于所選方法的討論
使用上述方法來比較不同焊膏的HoP敏感性需要對包裝、電路板、添加材料和工藝有深入研究。必須了解并掌握以下各項:
?BGA錫球高度。
?芯片高度。
?BGA錫球共面性。
?焊膏印刷高度。
?在放置過程中，元件被壓入焊膏沉積物的距離。
通過選擇相對較小的BGA組件以及對稱的電路板布局，這樣一來焊接過程中的翹曲對結果的影響可忽略不計。
測試工具
本HoP缺陷評估使用了原本設計用于BGA和BTC/MLF熱焊盤焊點空洞測試的試驗電路板。HoP缺陷測試選擇了0402電阻和間距為1.0mm的256錫球BGA。裝配時測試了9 種不同的SAC305、免清洗、4型焊膏(命名為A至I)。
圖4-帶有兩個試驗用PCB的面板，用于焊膏空洞測試和HoP缺陷測試
A、試驗電路板
本試驗使用了一塊2.1mm厚、帶ENIG襯墊飾面的雙層試驗電路板。每塊電路板上有針對五個不同BTC/MLF元件的五個焊盤以及三個不同的BGA和一個大型PA晶體管，但是本HoP缺陷測試只使用了每個電路板上的一個BGA焊盤。本試驗使用的每一個面板均裝有兩塊試驗電路板。用于HoP缺陷BGA裝配測試的NSMD PCB焊盤是圓形的，直徑為0.41mm，焊接掩模開口為0.53mm。
試驗電路板面板如圖4所示。
B、試驗元件
本測試使用了標準BGA256封裝和0402電阻。試驗元件如圖5所示。
BGA封裝具有1.0mm間距，菊花鏈圖案，SAC105合金錫球和17mm邊長。焊接前的BGA錫球高度為0.36至0.39mm。電阻的測量高度為0.29至0.32mm。
圖5-HoP試驗元件的BGA(兩張左圖)和0402電阻(右)
裝配
裝配過程從在BGA焊盤上印刷焊膏開始，然后放置0402電阻和BGA256元件。最后，完成裝配的試驗電路板在空氣中進行回流焊。
A、絲網印刷
絲網印刷過程使用了0.127mm(5mil)厚、激光切割的不銹鋼模板，具有0.41mm的方形孔和0.05mm的角半徑。使用生產SPI設備測量每個焊膏沉積的高度和體積。
圖6顯示了其中一種測試焊膏的典型焊膏沉積高度分布。
對于BGA焊盤上的焊膏沉積，所有測試焊膏顯示出穩定的高度和體積分布。
圖6-其中一種測試焊膏的焊膏高度變化示例。
B、元件放置
在絲網印刷和SPI測量之后，兩個0402電阻被放置在BGA封裝的每個焊盤的四個焊點上，見圖74。請注意，與圖2、圖3中的電阻相比，圖7中的0402電阻被順時針旋轉了90°。這樣做的原因是為了讓電阻兩端從BGA錫球處獲得相等壓力，從而將BGA下方0402電阻出現“立碑現象”的風險降到最低。
在將BGA256置于頂部之前，手動檢查0402電阻的放置情況。
圖7-帶有絲網印刷焊膏和兩個0402電阻的BGA焊盤
圖8顯示了一個下方放置了兩個0402電阻的BGA256。
圖8-BGA256封裝放在印刷焊盤上，其下方放置了兩個0402電阻
針對0402電阻和BGA256封裝的單獨放置測量表明，電阻元件被深深壓入印刷焊膏中，放置后的總高度約為0.36mm至0.38mm。這意味著從圖9左邊第五行或第六行開始， 錫球在焊膏和BGA錫球開始熔化前不會接觸焊膏。
圖9-放置在印刷焊膏上的BGA256封裝的橫截面示意圖，其下方是0402電阻
C、回流焊
回流焊在置于空氣中的十二溫區回流焊爐內進行，使用適合所有試驗焊膏的回流焊參數。BGA焊點溫度概要如下:
?溫度高于SAC105錫球液相線的時間:75s
?溫度在150-220°C之間的時間:94s
?最大升溫速度:2.0?C/s ?峰值溫度:245?C
?4 min 0s后達到峰值回流焊概要如圖10所示。
圖10-BGA256焊點的回流焊概要
D、裝配結果
試驗電路板的檢查結果良好，元件放置正確，潤濕性良好，焊點成形良好。圖11中可以看到一個完成裝配的試驗電路板示例，其中HoP缺陷測試封裝被深藍色框包圍。
HoP缺陷封裝的位置見圖11的編號5和10。
圖12顯示了BGA256HoP測試回流焊后的側視圖。請注意左側焊點(距離預先放置的0402電阻最遠)與右側焊點(距離電阻較近)之間的高度差。所有試驗電路板都成功裝配。
圖11-帶有HoP缺陷BGA測試元件的試驗電路板面板
圖12-焊接后，BGA256封裝被置于印刷焊膏的位置，下方有兩個0402電阻
X射線檢查HoP
檢測隱藏BGA焊點最常見、無損的方法是使用x射線檢查7。本研究使用了一臺現代的2D/2.5Dx射線設備，傾斜視角可達70?，還使用了360?樣品旋轉，見圖13。
在這些BGA焊點檢查中，x射線探測器傾斜角為70?，樣品檢查臺旋轉了45?。圖14顯示了一個采用此視圖的x射線檢查的示例圖像。
在圖14中可以看到放置在BGA256下方的0402電阻以及不同形狀的焊點。BGA錫球與印刷焊膏之間發生結合不良(可能出現HoP缺陷)的風險沿圖像右下方逐漸增加。 高度差向左上方逐漸減小，HoP缺陷的風險沿該方向逐漸降低。
圖15是圖14所示BGA在俯視圖(傾斜角為0?)中的情況。
圖13-X射線檢查-探測器視角從0?至70?，還使用了360?樣品旋轉
圖14-X射線檢查-探測器視角為70?，樣品旋轉了45?
圖15中也能看到兩個0402電阻，在x射線俯視圖上向左觀察焊點會發現焊點直徑逐漸增大，這是最遠離電阻的位置。焊點直徑越大說明高度差越小。
圖15-X射線檢查-俯視圖(傾斜角為0?)
圖16-在本次x射線檢查中，以上BGA焊點均被視為HoP
A、HoP缺陷的X射線判據
在檢查將BGA256封裝放置并焊接在包含兩個0402電阻的電路板上形成的焊點x射線圖像時，有必要確定哪些焊點形狀應被判定為可能具有HoP缺陷。根據IPC-A-610G《電子裝配的可接受性》，本試驗中產生的一些焊點可能被歸類為“斷裂的焊接”或“腰部”缺陷，但多數情況下很難區分這兩類錯誤與HoP缺陷。因此，根據以下標準，本次評估將這三類缺陷都歸類為HoP缺陷。圖16給出了在該x射線檢查中，焊點被判定為HoP缺陷的圖像示例。
被認為良好、沒有HoP缺陷的焊點應該是完全潤濕的，在電路板焊盤與元件側BGA焊盤之間形成一個單一焊點結構。針對HoP缺陷模式，這些正確BGA焊點可被完全折疊或 拉伸。良好焊點(沒有HoP)的示例如圖17所示。
圖17-針對HoP，良好焊點的X射線圖像
圖18和圖19顯示了本研究中表現最好和最差的焊膏示例。
圖18-最好焊膏的焊點X射線圖像
如圖18所示，所有BGA焊點都有一個單一焊點結構，盡管它們的形狀不同;拉長的焊點具有最大高度差，而距離0402電阻最遠的元件側焊點被壓縮得很扁平。該焊膏在HoP評價中的結果最好，沒有發現HoP缺陷。
圖19-使用HoP減緩效果較差的焊膏所生成的焊點X射線圖像
如圖19所示，在具有最大高度差的BGA焊點中發現了許多HoP缺陷。BGA中心焊點的HoP缺陷數量在減少，而與電路板之間高度差最小的BGA焊點完全沒有HoP缺陷。在許 多包含HoP缺陷的焊點中，一些HoP缺陷是在正常焊點附近被發現的。
本次評估的HoP缺陷計算結果;每個BGA的252(256-4)個焊點被視為缺陷機會。最好的焊膏具有0%的缺陷(x射線圖像如圖18所示)，最差的具有38.9%的缺陷(x射線圖像如圖19所示)。本文總結了九種不同焊膏減緩HoP缺陷的能力，如圖20所示。
圖20-九種不同焊膏的焊膏HoP缺陷率-BGA256
圖20顯示了九種評估焊膏的HoP減緩能力的巨大差異。焊膏D和H沒有(或幾乎沒有)HoP缺陷，而焊膏A和I表現最差，預計有約30%甚至以上的焊點具有HoP缺陷。
利用x射線難以判斷HoP缺陷，所以需要驗證。因此，我們撬開元件，然后檢查撬開后的元件和電路板。
撬開元件
為了驗證本研究中的HoP缺陷，我們將x光檢查過的BGA撬開，然后檢查電路板和封裝。所有元件都以同樣的方式撬開，即從距離0402電阻最遠的BGA邊緣開始。
撬開元件后，用顯微鏡很容易檢查出真正的HoP缺陷。 如果出現HoP缺陷，則BGA錫球仍然留在封裝側，而且移開的電路板焊膏會在錫球上留下一個凹坑。留下的錫球上沒有裂紋區域，凹坑周圍的球形邊緣較光滑。圖21顯示了一個通過撬開元件來驗證HoP缺陷的示例。
圖21-撬開一個試驗BGA后驗證八個HoP缺陷
撬開正確成形的BGA焊點時，錫球往往與焊盤一起從電路板或封裝中被完全移除。這些焊點也可能斷裂，在電路板側和封裝側留下帶有裂紋的焊膏表面。
圖22顯示了兩個用焊膏I焊接的撬開元件的示例。
圖22-撬開兩個試驗BGA后驗證HoP缺陷-焊膏
撬開BGA試驗元件可以簡單而安全地驗證真正的HoP缺陷。但這是一種破壞性方法，無法用于實際產品。
X射線與撬開檢查的比較
撬開所有測試封裝后，在統計真正的HoP缺陷時可以對先前x射線發現的HoP缺陷進行比較。圖23中的圖表給出了比較結果。
圖23- HoP缺陷率-x射線與撬開試驗BGA的比較結果
如圖23所示，在x射線檢查中發現的HoP缺陷與撬開元件后的差異較大。由于x射線分析中使用的HoP標準還包括焊點斷裂和“腰部”缺陷，因此預計與撬開后驗證HoP缺陷相比，采用較困難的x射線圖像判斷時應出現稍微多一些的HoP缺陷。預計會發現至少70-80%正確驗證的HoP缺陷。但很多時候兩者差異遠大于表1所示的差異。
顯然許多在x射線檢查中看起來像真正HoP缺陷的焊點實際上并不是HoP缺陷。我們對x射線圖像與撬開元件后的顯微鏡圖像進行了比較。圖24顯示了該比較中一個BGA封裝的一角10。
表1-HoP缺陷率比率-撬開驗證與x射線檢查對比
圖24-x射線圖像(左)與撬開元件(右)的比較-紅圈表示已驗證的HoP缺陷
在圖24中，全部9個BGA焊點在x射線圖像分析中被判定為HoP缺陷。但撬開后發現只有兩個被證實為真正的HoP缺陷。另外七個焊點都足夠堅固，甚至可以撕開焊盤。圖 25放大了圖24的兩幅圖中藍色方框內的角落焊點。
圖25-經過撬開試驗后，具有清晰“腰部”的角落焊點的放大圖
在圖24所示的x射線圖像中，一些焊點看起來像焊膏與錫球，至少部分已經潤濕并連在一起，但在研究這些BGA的x射線圖像時，不可能發現兩個真正HoP缺陷之間的任何 差異，例如藍色方框內的角落焊點(圖24和圖25)。
討論
僅僅使用x射線作為檢測技術幾乎不可能保證查出所有HoP缺陷。在x射線中可以看到的是“HoP形狀”的BGA焊點，這些焊點的強度與可靠性比完全潤濕的同質焊點低得 多。
在IPC-A-610G修訂版第8.3.12.3節《電子裝配的可接受性》中，HoP缺陷僅能通過照片顯示，除外圍BGA外，幾乎不可能看到HoP缺陷，本標準對x射線圖像的解讀沒有任何指導意義。本標準中的HoP缺陷標準為“錫球潤濕度不足以與焊膏結合”，在這一點上很容易達成一致。然而，BGA焊點出現“腰部”現象也會被視為缺陷(但不被歸類為HoP)，該缺陷通?？梢杂矛F代x射線設備檢測出。圖26是HoP缺陷以及出現了[2]中“腰部”現象的BGA焊點的側視圖。
圖26-根據[2]的缺陷標準-HoP焊點(上)與出現了“腰部”現象的焊點(下)
盡管x射線圖像無法準確判斷錫球與焊膏是否潤濕并結合，但x射線圖像通常能顯示出焊點中存在的“腰部”現象，這也可能導致這些焊點不合格。
結論與建議
本研究顯示，使用x射線檢查很難區分發生HoP缺陷、“腰部”現象以及斷裂的焊點。由于這些缺陷可能發生在BGA外圍和封裝中心的下方，所以IPC-A-610G修訂版中規定的光學側視圖檢查標準不足以作為質量標準。因此，建議在IPC-A-610的下一次修訂中采用“如果BGA焊 點出現任何‘腰部’現象均被視為缺陷”的x射線檢查標準。
