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摘要：制造者一般都是采用目视观察的方法，观察最外面一圈焊点的塌陷是否一致，再将芯片对着光线观察。通过试验发现，使用X -射线检测仪检查BGA 封装器件的焊点，可以快速、准确地检测出BGA 封装器件中焊点的桥连、空洞、虚焊等缺陷，在BGA 封装器件焊点的质量检测方面得到广泛应用。本文所用仪器和检测方法能够自动计算BGA 封装器件贴装焊点的空洞率，对空洞缺陷的快速检测和预防具有实际意义。
关键词：BGA；无损检测；缺陷
引言：
对于表面组装焊点，常用的无损检测方法有X -射线检测、三维光学摄像检验、激光/红外检测、超声波检测等多种方法。要想不破坏BGA 封装器件本身的结构、性能等，就可以看出BGA 封装器件内在的缺陷或者是更加准确地检测出焊点的质量，就必须采用其它更为先进、可靠的无损检测方法。通过对BGA 封装器件可视图像X -射线检测和分析，可以准确地检测出BGA 封装器件贴装焊点的各种缺陷。
一．试验材料与仪器
（一）试验材料
测试工件为采用再流焊焊接的BGA 封装器件，基板材料为FR -4，钎料为A lpha公司生产的Sn62 /Pb36 /Ag2合金焊膏，BGA 焊球的直径为0.7mm，I /O 端子间距为1.27 mm，通过贴片机或贴片装置完成BGA 贴装。
（二）X -射线检测仪
实验所用X - 射线检测仪型号为HAWK -160X I型。X -射线检测仪的工作原理是由在高电压下产生的电子束照射到金属钨表面，产生X 射线，产生的X 束射线倾斜向下照射并高速旋转，同时在下面有一个闪烁器平台也以同样的速度与X射线同步旋转，闪烁器平台实际上是一个对X -射线敏感的接收器。
一般来讲，X -射线不能透过锡、铅等重金属，从而形成深色影像；而一般的物质则被X -射线穿透，不会形成影像。X -射线在光源与闪烁器平台之间的某一位置上聚焦，出现一个聚焦平面，聚焦平面上的物体或图像会在闪烁器平台上形成一个清晰的图像，不在聚焦平面上的物体或图像在闪烁器平台上则被”虚掉“，只有一个阴影。
二．试验结果及分析
（一）BGA 封装器件焊点的缺陷的检测
在BGA 封装器件的生产过程中，可能会造成焊球丢失、焊球过小或过大、焊球桥连以及焊球缺损等。对BGA 封装器件进行检查，主要是检查焊球是否丢失或变形。
对BGA 封装器件组装焊点的检查，主要检查焊点是否存在桥接、开路、钎料不足、缺球、气孔、移位等[6]。由于本研究工作是为了检验X -射线检测BGA 封装器件组装焊点缺陷的可靠性，上述缺陷中部分是人为设置的。
（二）X -射线检测结果分析
采用X -射线检测时，电压调节为105 kV，电流调节为100 mA，观察缺陷图片并分析生产过程中缺陷产生的原因。
1.桥连缺陷的检测
PCB 双面贴装器件采用X -射线检测的桥连和反面器件图像似乎有点混淆。
对比分析如图2和图3所示，可以清楚辨别出图2 为极其明显的桥连缺陷。产生的原因可能是BGA 器件聚集在一起，在回流炉中引起PCB板的热不平衡，或者是由于温区曲线设置不合理，印制板焊区表面阻焊层设计不当等。原因造成的。
如图4 的短路是由于与BGA 器件焊盘相邻的过孔没有很好地覆盖阻焊层，使得有过多的钎料从焊盘流到过孔中，从而引起焊盘短路。相关产品的验收标准要求焊点不能存在短路或桥接，而采用X -射线检测BGA 器件的桥连缺陷比其它几种无损检测方法都容易观察、判别。
2.空洞缺陷的检测
BGA 焊球本身在焊接前就可能带有空洞或气孔，是由于BGA 焊球生产工艺造成的。PCB 再流焊时，温度曲线设计不合理则是形成空洞的重要原因。通常发现空洞几率最多的位置是在元件层，也就是焊球的中央到BGA 基板之间的部分。这有可能是因为PCB上面BGA 的焊盘在再流焊接的过程中，存在空气气泡和易挥发的助焊剂气体，当共晶成分的BGA 焊球与所施加的焊膏在再流焊过程中熔为一体时则易形成空洞。
X -射线检测的BGA 焊点的典型空洞缺陷图像如图5所示，HAWK - 160XI型X -射线检测仪自动计算出图6焊球中空洞率为9.83 %。它能够真实反映实物中的缺陷，为控制产品的质量提供了保证。
在实际生产中，需要客观地评估空洞。空洞的位置与尺寸是验收合格的关键因素。由于目前尚没有空洞缺陷允许尺寸的相关国家标准或行业标准，所以通常情况下是按照IPC - 7095来判别的。按照IPC - 7095 中规定空洞的接收/拒收标准主要考虑两点：空洞的位置及尺寸。
空洞不论是存在在什么位置，是在焊料球中间或是在焊盘层或元件层，空洞尺寸及数量不同都会对质量和可靠性产生影响。如果多个空洞出现在焊点中，空洞的总和不能超过焊料球直径的20 %，即空洞率不超过20 %，否则视为不合格。
3.缺球缺陷
缺球缺陷可通过比较实物与X -射线检测图像发现。缺球缺陷会使得PCB 产生断路，其电学性能受到影响。X -射线检测BGA 器件的缺球缺陷图像如图7所示。
从图7中可以清楚看出，右下角出现缺球缺陷，在BGA 封装中不允许缺球缺陷存在。
4.错位缺陷
错位缺陷在X -射线检测中明显表现在过孔三维图像及BGA 焊球的灰度级别上，如图8所示。焊球与焊盘没有很好地对准，使得图像中焊球均有阴图8 BGA 焊球的错位影，对产品的性能影响较大。
虽然相关标准规定贴片中可以允许有50 %的贴片误差，但是采用X –射线测试仪能快速、准确地检测到BGA 焊球的错位，这样可以采取技术措施，使BGA 贴片机能够及时调整并自动校准，从而避免错位缺陷的产生。
5.虚焊
从图9（a）中明显看出左下角的焊球明显偏小，图9（b）图中间的焊球边缘不平滑，图9（c）中左两排焊球不圆，它们都可能造成虚焊，X -射线检测法比其它几种无损检测方法都容易检测出虚焊。特别是图9（b）是经过X -射线在旋转20°的时的检测结果，这是其它几种无损检测方法都无法达到的。
颗粒之间铺展，降低表面张力，迅速减弱颗粒和表面间的作用力，使整个颗粒从表面上解吸，达到去除颗粒的目的。
虚焊在BGA 器件的焊接中的影响是不可忽视的，它易于脱落，使器件的电性能受到影响，其力学性能也降低，是一种采用常规检测方法难以检测出的缺陷。因此，利用表面活性剂可以控制颗粒在表面的吸附状态，达到去除颗粒污染的目的。
结束语：
通过采用X -射线检测仪检测了BGA 封装器件安装焊点的几种常见缺陷，分析、阐述了其图像与相应缺陷的关系，结果表明X -射线检测方法能够准确地检测出BGA 封装器件安装中的各种焊点缺陷，并能够自动计算BGA 封装器件安装焊点的空洞率，对空洞缺陷的快速检测和预防具有实际意义。
参考文献：
[1]张瑞秋，张宪民，陈忠.基于三维X射线和Fisher准则的BGA焊点检测算法[J].焊接学报.2011（04）
[2]曹捷，麻树波，张国琦，赵宝升，赛小锋，李伟.新型高分辨率BGAX射线检测机[J].电子工艺技术.2008（06）
[3]喻春雨，常本康，魏殿修.新型X光成像系统及其性能分析[J].仪器仪表学报.2007（01）
论文作者:张维成
论文发表刊物:《基层建设》2015年9期
论文发表时间:2016/9/27
标签：射线论文; 缺陷论文; 器件论文; 空洞论文; 焊点论文; 图像论文; 检测方法论文; 《基层建设》2015年9期论文;