BGA焊点微裂纹缺陷检测研究.pdf

印制电路信息 2024 No.4互连组装 Interconnect AssemblyBGA焊点微裂纹缺陷检测研究牛浩浩 张祎彤 陈奎（航空工业集团西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065）摘要球栅阵列封装（BGA）元器件的焊点隐藏于IC芯片底部，经电装后仅边缘焊点可见，因此检验其焊接质量是行业普遍的难题。探讨了BGA焊点微裂纹缺陷的产生机理和裂纹分布，设计了基于计算机分层层析成像（CL）技术的BGA焊点微裂纹缺陷检测方法和检测流程。经实测证明，该测试方法可以兼顾检测质量和效率，具有工程应用的可行性，可为BGA焊点检验人员提供参考。关键词BGA焊点；微裂纹；缺陷检测；CL技术中图分类号：TN453文献标志码：A文章编号：10090096（2024）04004904Research on detection of microcrack defects in BGA solder jointsNIU Haohao ZHANG Yitong CHEN Kui(Xian Aviation Computing Technology Research Institute,AVIC,Xian 710065,Shaanxi,China)AbstractThe solder joints of ball grid array(BGA)packaging components are hidden at the bottom of the integrated circuit(IC)chip,and only the solder joints near the edge are visible after electronic assembly,so that the welding quality testing is a difficult task in the industry.This article mainly explores the mechanism and distribution of microcracks in BGA solder joints,and designs a detection method and process for microcracks in BGA solder joints based on computed laminography(CL)technology.The actual measurement proves that this testing method can balance detection quality and efficiency,and has the feasibility of engineering application,providing reference for BGA solder joint inspection personnel.Key words ball grid array(BGA)solder joint;microcracks;defect detection;computed laminography(CL)technology0引言球栅阵列封装（ball grid array，BGA）是一种高集成度的现代集成电路器件封装方式，因其具有集成度高、电性能优异、运行稳定性良好的特点，在现代集成电路中被广泛应用。但由于BGA焊点分布在芯片底部，经电装后仅可见边缘焊点，给电装质量检验造成较大困难。BGA焊点缺陷可能对封装器件的性能构成影响，随着其缺陷问题的渐进发展，甚至可能引发模块及产品功作者简介：牛浩浩（1990），男，工程师，硕士，主要研究方向为先进共性检验技术。-49互连组装 Interconnect Assembly印制电路信息 2024 No.4能失效，造成不可挽回的重大损失。微裂纹缺陷是一种典型的BGA焊点缺陷，常用的焊点缺陷检验方法有人工目测、飞针检测、X射线检测等，对微裂纹缺陷检测效果不佳。目前，对BGA焊点微裂纹缺陷的检测往往属于事后失效分析，采用的检测技术大多为破坏性检测技术，包 括 计 算 机 断 层 扫 描 成 像（computed tomography，CT）扫描、染色测试、金相分析等1。根据质量管理的基本原则，质量问题发现得越早越好、越小越好。基于此，本文通过探讨BGA焊点微裂纹缺陷的产生机理和分布情况，设计了适用于批生产产品的BGA焊点缺陷的检验方法和流程，以便在生产过程中发现问题后立即拦截风险。1BGA焊点微裂纹缺陷分析1.1微裂纹形成机理BGA焊点微裂纹缺陷产生的原因比较复杂，部分缺陷甚至到产品服役一段时间后才会表现出来。从以往发生的焊点开裂、断裂失效案例总结来看，失效原因大致可分为以下3种情况。（1）有铅（Pb）制程回流焊温度曲线设置不合理，界面发生大量Pb偏析，沿富Pb层产生微裂纹2。回流焊“温度-时间”曲线设置不合理，焊接过程中焊球未完全融化，焊球焊料的界面形成大量Pb偏析线或点，裂纹沿着强度较低的富Pb层生长，最终导致焊点开裂，如图1所示。（2）焊球与焊盘间形成的金属间化合物层（intermetallic compound，IMC）强度不足，在环境应力作用下产生裂纹。回流焊温度设置过高、加热时间过长，导致IMC层晶粒粗大、强度下降，焊点连接强度不足，在环境应力循环作用下，脆弱的IMC层产生焊点裂纹。（3）BGA芯片封装基准面发生翘曲，局部焊点承受较大拉应力而产生裂纹。BGA芯片在回流焊前受潮，受热后基准平面发生翘曲，局部焊点承受较大拉应力，久而久之发生断裂失效。焊料与电子元器件或者焊料与印制电路板（printed circuit board，PCB）的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）不匹配，在热应力作用下产生丝状裂纹或与焊球空洞相连的微裂纹，如图2所示，进而导致焊点开裂失效。1.2微裂纹分布特征BGA焊点微裂纹产生的位置与其形成机理密切相关。因界面产生Pb偏析或IMC层不良导致的微裂纹缺陷，通常是制程参数设置不合理引起的，表现为成片焊点缺陷，甚至批量产品出现问题。而因基准面翘曲引起的微裂纹缺陷常表现为局部焊点缺陷，如BGA笑脸曲线引起的边缘焊点微裂纹、BGA哭脸曲线引起的中心焊点微裂纹、BGA芯片载体和 PCB 翘曲引起的爆米花效应等，如 图3图5所示。图1Pb偏析引起的焊点微裂纹缺陷图2BGA焊球空洞相连的微裂纹 图3BGA笑脸曲线（载板翘曲）-50印制电路信息 2024 No.4互连组装 Interconnect Assembly2CL原理及应用分析计 算 机 分 层 层 析 成 像（computed laminography，CL）技术是一种先进的非接触式无损检测技术，是在传统CT技术的基础上发展起来的新技术。CL成像系统主要由锥束X射线发生装置、被扫描物体和探测器3部分组成，探测器记录锥束X射线下被测物体不同角度的二维投影图像，采用解析或迭代的图像重建算法恢复被测物体的切片图像3，如图6所示。CL系统获取到的被测物体图像角度有限，其重构算法是一种不完备的算法，因其巧妙的结构设计解决了透照厚度不均问题，整体扫描速度更快、成像分辨率更高，在板状、壳状物体的无损检测方面优势明显。常见的CL系统结构主要有直线型、螺旋型及旋转型4，其中：直线型 CL伪影较重，重建图像中焊点呈菱形，失真严重；螺旋型CL探测器和X光管同时运动，重建图像清晰但扫描时间较长；旋转型CL又可细分为C型臂型和 T 型臂型，其中 C 型臂型 CL 探测器作旋转运动，X光管和被测物体固定不动，而T型臂型CL探测器相对被测物体作旋转运动，两者略有区别。旋转型CL成像清晰且扫描速度快，本文以T型臂型旋转型CL为例设计测试流程。3测试验证及结果分析3.1实验设计首先调整CL检测设备的X光管电压、电流参数，直至印制电路板组装（printed circuit board assembly，PCBA）中待检 BGA 焊球成像清晰。整个检测过程主要分为3步：将视野中心对准待检BGA芯片，对其进行全局俯视检查5，检查项包括焊球形状、焊球缺失、偏移、连锡等，覆盖常见焊点缺陷类型。调整X光管距载物台的距离，增大放大比，再将探测器平面与载物台平面的夹角调整至45。基于BGA焊点微裂纹缺陷分布特征，采用“三圆法”（如图7所示）分别对BGA 芯片的四角和中心部位的焊球进行二次检查，如器件焊盘和PCB焊盘投影圆偏出焊球投影圆，则该焊点存在微裂纹风险，需进一步确认。对上一步检出的疑似微裂纹缺陷部位做CL扫描，检查切片图像，判断器件焊盘、PCB 焊盘部位。3.2案例分析本次实验以25 mm18 mm尺寸的PCBA模块图4BGA哭脸曲线（角落内凹）图5焊点爆米花效应图6CL成像系统示意图7BGA焊球45 X射线二维形貌示意-51互连组装 Interconnect Assembly印制电路信息 2024 No.4作为扫描对象，按上述检验方法和流程进行测试，实测结果分析如下。BGA芯片全局俯视图如图8所示。由图8可知，BGA焊球整体焊接情况良好，没有焊球变形、缺失、桥连等明显缺陷。BGA焊球的45倾角视图如图9所示，能清晰观察到器件焊盘、PCB焊盘投影和焊球投影的3个投影圆的嵌套关系。对不符合“三圆法”特征的焊点进行 CL 扫描，如图10和图11所示。图10右上角焊点边缘晕出焊球投影，明显异于正常焊点形态。由图11侧视图可直观看到整排焊点微裂纹缺陷，裂纹尺寸约2.969 m。单模块BGA芯片3步检测总耗时不超过10 min，可以满足“小批量、多品种”生产节拍的检验要求。该测试方法能够兼顾BGA芯片电装检验的质量和效率，具有一定的工程应用可行性。4结语针对BGA不可见焊点检测难题，尤其是BGA微裂纹缺陷检测，本文提出了一种基于CL技术的检验方法，并设计了具有工程化应用可行性的测试验证流程。实测验证该方法合理可行，可有效对微裂纹缺陷进行定位分析，获得的微裂纹缺陷图像清晰可辨，可显著提升电装产品的批量检验能力，对辅助质量问题追溯和工艺改进有一定的借鉴意义。参考文献 1 吕淑珍.BGA焊点检测与失效分析技术J.电子工业专用设备,2016,45(6):20-24.2 樊融融.现代电子制造装联工序链缺陷与故障经典案例库M.北京:电子工业出版社,2020:271-273.3 傅健,张昌盛,朱国港,等.X射线分层层析成像技术及在航空航天领域的应用J.航空制造技术,2019,62(14):49-54.4 王敬雨,韩玉,李磊,等.一种基于投影变换的旋转型CL 重建算法J.CT 理论与应用研究,2017,26(5):575-582.5 田健,李先亚,王瑞崧,等.PCBA的X射线检测方法研究J.电子与封装,2019,19(5):5-7.图8BGA芯片全局俯视图图9BGA焊球45二维视图图10BGA焊点CL扫描俯视图图11BGA焊点CL扫描侧视图-52