摘要：針對 BGA 枕頭效應(yīng)（HIP）缺陷，分析 X-RAY 設(shè)備最小缺陷分辨能力，提出基于 X 射線二維成像和三維斷層掃描技術(shù)檢測 BGA 焊接缺陷檢測方法。根據(jù)缺陷特點及 X-RAY 成像原理，設(shè)計了二維多角度檢測工裝，通過實驗，驗證 X 射線檢測 BGA 焊接枕頭效應(yīng)缺陷的可行性，給出缺陷的典型形貌。

1 引言

BGA（球柵陣列）具有體積小、電性能優(yōu)越等優(yōu)點，此類器件已在航天軍工電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。其獨有的引腳分布在器件底部的封裝特點，也使得此類器件在焊接裝配后其焊接質(zhì)量無法采用傳統(tǒng)方式檢測。

目前 BGA 焊接質(zhì)量的檢測方法[1-6]也非常有限，行業(yè)中已使用的檢測手段有主要分為兩類：（1）無損檢測；（2）破壞性檢測。破壞性測試只作為失效分析手段，不常用于質(zhì)量測試。

在無損檢測中，目檢僅能檢查器件外觀及可視范圍內(nèi)的焊球狀況，對于焊球內(nèi)部及器件非邊緣部分的缺陷則無法準(zhǔn)確測試；飛針電子測試雖然能夠做到快速測試轉(zhuǎn)換但是測試原理上飛針要與焊錫發(fā)生直接接觸，導(dǎo)致焊錫上出現(xiàn)凹坑造成外觀缺陷。X-ray 檢測則利用 X 射線的穿透特性，是對隱藏在器件下的焊球焊接質(zhì)量的檢測的最有效的一種方法。然而 X 射線目前僅限于檢測橋連、空洞率等幾種有限缺陷，對 HIP 及虛焊缺陷的檢測，仍存在局限性。而此類缺陷往往不易管控和發(fā)現(xiàn)，均在十幾微米級，也對 X-RAY 的檢測能力提出了較高要求。

因此，開展 BGA 器件 HIP 缺陷檢測技術(shù)研究，對保證產(chǎn)品質(zhì)量具有十分重要的意義。

2 BGA 焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

目前為止，國際上尚未有關(guān)于 BGA 焊接質(zhì)量驗收方面的明確標(biāo)準(zhǔn)。行業(yè)遵循的也僅僅是由國際電子工業(yè)連接協(xié)會制定的相關(guān)可接收性規(guī)定：優(yōu)選的 BGA 焊點經(jīng) X 光檢測焊點光滑，邊界清晰，無空洞，所有焊點的直徑、體積、灰度和對比度均一致，位置準(zhǔn)確無偏移或扭轉(zhuǎn)[7,8]。對于 HIP 缺陷更未給出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)及接受規(guī)定。

3 BGA 缺陷 X-RAY 檢測原理

設(shè)備采用開放式微焦點 X 射線管 ，主要由射線管、傳感器、載物臺以及運動系統(tǒng)等組成。設(shè)備具有多個自由度，在檢測時通過控制射線管及傳感器距離被測件的位置可改變放大倍數(shù)。工作時射線管發(fā)出 X 射線后，穿過不同物質(zhì)后，在穿過密度較大的物質(zhì)時大量能量被吸收后被傳感器接收轉(zhuǎn)化并顯示出不同灰度圖像。最終，通過不同灰度顯示進(jìn)行檢測。

4 微焦距最小檢測能力

所使用的 X-ray 設(shè)備為 YXLON 公司的 Y.Cougar 系列，具有傳統(tǒng)的二維掃描功能還包含 CT 掃描模塊，可實現(xiàn)對產(chǎn)品檢測的二、三維切換。設(shè)備二維掃描的最小方便率可達(dá)到 1.1 μm，設(shè)備三維掃描的最小分辨率可達(dá)到 2 μm，可滿足 HIP 缺陷在十幾微米缺陷檢測要求范圍內(nèi)。

5 X-RAY 檢測方法

5.1 二維檢測研究

5.1.1 二維掃描測試難點

已知 BGA 焊球存在 HIP 缺陷，采用二維檢測。將探測器旋轉(zhuǎn) +60o ~ -60o，在現(xiàn)有偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)無法完成 HIP 缺陷有效檢出。

5.1.2 二維多角度測試工裝設(shè)計

基于設(shè)備旋轉(zhuǎn)角度的局限性，設(shè)計了如圖 1 所示多角度測試平臺，通過步進(jìn)電機實現(xiàn)載物臺 360°旋轉(zhuǎn)，與圖像采集器配合可實現(xiàn) 360o＋120o 任意角度旋轉(zhuǎn)面，在 BGA 產(chǎn)品檢測過程中可有效檢測 HIP 缺陷。如圖 2 為使用工裝后檢測出的缺陷器件切片圖。

5.2 三維檢測方法研究

3D 掃描技術(shù)是借助旋轉(zhuǎn)平臺在 360o 旋轉(zhuǎn)過程中不間斷地的 X-RAY 拍攝，并通過專用軟件對所拍攝照片進(jìn)行疊加分析最終還原出檢測樣品的 3D 圖像。通過對 3D 圖像的橫切面分析，可直觀發(fā)現(xiàn)潛在器件底部焊球存在的 HIP 缺陷。

圖 3 為存在 HIP 缺陷的 BGA 三維形貌圖，圖 4 則是 BGA 焊點斷層掃描形貌。此檢測方法可直觀檢測出虛焊、枕頭效應(yīng)等 BGA 常見焊接缺陷，不再只依賴破壞性檢測手段。

6 結(jié)語

在實際工程應(yīng)用中，由于 3D 掃描時間長，測試成本高，為兼顧檢測質(zhì)量及效率，在檢測時可將二維及 3D 掃描相結(jié)合。首先通過多角度寬范圍旋轉(zhuǎn)平臺測試器件的整體焊接質(zhì)量，對存在的不確定缺陷的位置配合使用 3D 斷層掃描最終確定具體缺陷類型。

綜合利用兩種技術(shù)手段的優(yōu)點，可以快速實現(xiàn) BGA 器件焊接質(zhì)量檢測，可以為產(chǎn)品提供可靠的質(zhì)量保證。

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