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                枕頭效應缺陷檢測——X射線檢查的局限性
                來源: 電子制造作者: 時間:2020-09-07 16:56:35點擊:1438

                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。


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                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。

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                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。


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                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)。


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                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。


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                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。

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                圖6-其中一種測試焊膏的焊膏高度變化示例。

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                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。


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                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。


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                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。

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                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。


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                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。


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                圖11-帶有HoP缺陷BGA測試元件的試驗電路板面板


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                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。


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                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


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                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。

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                圖15-X射線檢查-俯視圖(傾斜角為0?)

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                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。


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                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。


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                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。


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                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。


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                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。


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                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。


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                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。

                電子制造

                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。


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                表1-HoP缺陷率比率-撬開驗證與x射線檢查對比


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                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。


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                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。


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                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。

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