BGA組裝製程能力分析

由 於BGA 組裝與現在的焊接裝配技術完全兼容,芯片規模的BGA 柵格間距為0.5mm,0.65mm,0.80mm,塑料或陶瓷的BGA 具有相對較寬的接觸間距(1.50mm, 1.27mm,1.00mm ),密間距的BGA 比密間距的引腳包裝IC 較不容易受損壞,且BGA 標准允許選擇地去掉接觸點以滿足特定的I/O 要求.BGA 技術已發展為SMT 製造業的前沿技術,BGA 封裝正迅速成為密間距和超密間距技術所選擇的封裝, 在提供一個可靠的裝配工藝的同時達到高密度的互連,使得在工業範圍內越來越多地採用這種封裝形式.



X 射線斷層照相檢查設備在BGA 組裝中的應用

直到BGA 使用到產品應用設計中的時候,大多數PCB 與電子製造商還沒有發現將X 光檢查使用到其生產過程中的太多需要.傳統的方法,諸如人工視覺檢查(MVI)和電氣測試,包括製造缺陷分析(MDA),在線測試(ICT)和功能測試 (FBT) ,已經足夠.可是,這些方法不足以檢查隱蔽的焊錫點問題,諸如空洞, 冷焊和焊錫附著差.X 光檢查系統是一個被證實的,檢查隱蔽的焊錫點,幫助建立與控制製造過程,分析原型,確認過程缺陷的工具.它們效率高,並且與MDA, ICT 和AOI 系統不一樣,它們可以迅速確認短路,開路,空洞和BGA 及其它區域排列組裝在板上的锡球不對準,監測過程品質和提供統計過程控制(SPC)所要求的即時反饋數據. X 射線斷層照相設備可以把焊球分層,產生斷層照相的結果.X 射線斷層照相的圖片能夠根據CAD 原始設計數據和用戶設置的參數進行自動分析焊點,它實時地進行斷層掃描,能夠在幾十秒或2min 之內對PCB 兩面的所有元件的所有焊點進行精確的對比分析,得出焊接合格與否的結論.



BGA 組裝過程​​及其變異來源

為 了更有效地使用X 光檢查系統,我們必須明確BGA 組裝過程​​的控制參數和參數控制極限.BGA 組裝過程​​概述如下: 錫膏印刷→檢查→BGA 放置→回流焊→檢查. 在生產過程中,具有共晶锡球的BGA 貼裝在錫膏中時,其位置通常在回流期間通過液態焊錫的自我對中得到糾正,因此貼裝精度不像密腳引腳型元件那麼關鍵,故BGA 器件組裝工藝中主要的控制環節是錫膏印刷和回流焊.當然,焊接點的形狀和尺寸的變異也與其它許多因素有關. 要消除所有變異是不可能的,因此生產過程控制的關鍵是減少每一生產環節的變異.對不同變量及其對最終組裝產品的影響要進行仔細分析和量化處理.考慮從 BGA 器件到PCB 組裝整個過程,影響焊接點質量的主要變量有: 1.焊球體積; 2. BGA 器件焊盤尺寸; 3.PCB 焊盤尺寸; 4.錫膏印刷量; 5.回流焊過程中BGA 器件變形; 6.回流焊過程中BGA 器件貼裝區域PCB 變形; 7.貼片放置精度; 8.回流焊溫度曲線.



不 管用哪種檢查設備進行檢查,判斷焊點的質量是否合格都必須有依據. IPC-A-610C 的12.2.12 專門對BGA 焊點的接收標准進行了定義.優良的BGA 焊點的要求是焊點光滑,圓,邊界清晰,無空洞,所有焊點的直徑,體積,灰度和對比度均一樣,位置對準,無偏移或扭轉,無焊料球.



BGA 組裝製程能力研究

以 下論述是針對具有共晶锡球,使用免清洗焊膏,520 腳塑料封裝PBGA 器件,其尺寸為2〃 2〃,有五層锡球陣列.對BGA 放置精度,BGA 回流焊過程中焊點開路和焊點短路產生機率等,進行6Sigma 製程能力分析.其數據統計及計算前提假設如下: 1.BGA 器件和PCB 板上的焊盤尺寸無變異; 2.BGA 器件無變形(回流焊過程) ; 3.回流焊後根據焊點(锡球和錫膏)平均體積計算平均標準偏差; 4.BGA 器件重量假設由浮力和表面張力而平衡; 5.焊盤和共晶锡球,可焊性好; 6.所有分佈均為正態分佈.



BGA 放置

使用標準SMT 設備進行BGA 放置.一般貼片設備具備BGA 共晶锡球圖像識別能力,其放置過程能力為: 3mils @ 6sigma 其它影響放置過程能力的變量有: 錫膏印刷能力= 4mils @ 6sigma PCB焊盤X,Y 位置精度= 3mils @ 6sigma 共晶锡球X,Y 位置精度= 3mils @ 6sigma 合併標準偏差可估算為: c= 1+ 2+ 3+ 4+… 其中, 1, 2, 3, 4…為製程各變異組成部分的標準偏差. 由此可計算出製程能力為6sigma 時,最大放置偏差為6.53 mils.焊盤尺寸為直徑28 mils,因錫膏熔化時表面張力產生的器件自我對中,該放置偏差可忽略,排除了BGA 器件放置偏離的顧慮.雖因PCB 流轉過程中運動或操作者人為因素會使锡球對準存在偏差,但就BGA 器件放置過程而言,其製程能力為6sigma 水平. 焊點開路在組裝過程中,因共晶锡球塌陷不足而產生焊點開路.對520 腳PBGA,共晶锡球為直徑30 mils 的球體,其形成過程標準偏差為500mils3 (以體積計算) , 共晶锡球體積規格值為14130mils3.BGA 和PCB 上的焊盤直徑均為28 mils,錫膏印刷厚度通常為6 mils,故BGA 锡球器件側的平均高度可粗略為24 mils ,考慮锡球體積變異的6sigma 能力,則: 锡球高度差(共面性)=5.0 mils @ 6sigma 器件貼裝處PCB 板形變量=6.0 mils @ 6sigma 合併共面性(從零基準面計算) =7.8 mils @ 6sigma 經回流焊後,由焊點平均體積(锡球和錫膏體積)決定的焊接接合支座高度為19 mils.在製程能力為6sigma 時,錫膏厚度經測量為4～8 mils.且發現BGA 锡球在放置過程中會塌陷進入錫膏3mils,則: 锡球下方錫膏最小厚度=3 mils 锡球塌陷最小值=7 mils



合併塌陷最小值=10 mils 防止開路產生的最小安全允差=2.2 mils 以上變量如能控制在確定的規格內, 則BGA 回流焊製程可達到6Sigma 能力. 不幸的是,通常在BGA 回流焊組裝時,BGA 和PCB 板的變形會使焊接接合處高度不一致.BGA 器件和PCB 板二者的焊盤直徑也各自存在一定差異,會產生製程變異.以上二因素在實際計算製程能力時,均應考慮.總之,如計入所有變異因素,則焊點開路仍可能產生.因 此,可用X 光檢查系統進行潛在的焊點開路等缺陷檢查. 焊點橋連(短路) 焊點橋連(短路) 用同樣的方法,可估算焊點短路對組裝製程能力的影響.焊點直徑存在差異,測量數據表明其單個焊接點合併焊接體積(锡球和錫膏)在6sigma 製程能力時為12800～19250 mils3.據此,假定最小焊點接合支座高度為15 mils,則焊接接合直徑最大可達38.5 mils,當BGA 柵格間距為50 mils 時,焊點短路產生可能性極小(人為因素除外). SPC分析有效控制BGA 組裝製程,可使焊接接合處質量變異極少.但實際組裝過程中,以下變量常會使製程產生波動,需要對其進行連續監測: 1.錫膏高度和體積; 2.BGA 器件側接合點直徑; 3.PCB 焊盤側接合點直徑; 4.接合點中心接合直徑; 5.空洞大小和產生機率; 6.锡球; 對錫膏厚度可用激光檢測設備監控,根據需要的焊點形狀和一致性,其製程變異可控制在一定水平內.因為X 射線透射技術無法測量不同高度處的直徑,焊接點接合直徑測量常用X 射線斷層照相檢查設備. 焊接接合中心半徑和PCB 焊盤側焊接接合半徑進行X-bar 分析,從圖中可看出,21#樣品(點)在二圖中均超出管制界限,經檢查後發現21#樣品(點)為焊接點"去濕".從圖中可看出,焊接接合處接合點最小半徑 及較小半徑均分佈在PCB 焊盤側,因此,焊接接合直徑拒收控制下限應設定在焊盤側.X 光斷層照相顯示,PCB焊盤接合處接合點與相鄰BGA 器件側接合點相比,明顯偏小.且焊盤接合處接合點呈頸縮形,這種變異是BGA 技術固有的.



結論

BGA 組裝在各製程變量受控時,其可達6Sigma 製程組裝能力(3.4ppm). 本文討論的所有變量如能控制在規格值內,則缺陷產生機率非常小,製程檢查可完全取消.但實際組裝中,許多變量不能完全受控,故可用X 射線斷層檢查設備對製程進行監測,並利用即時數據進行製程SPC 控制,滿足質量控制要求.