BGA组装制程能力分析

  Analyse BGA Assembly Process Capability

  由于BGA组装与现在的焊接装配技术完全兼容，芯片规模的BGA栅格间距为0.5mm、0.65mm、0.80mm，塑料或陶瓷的BGA具有相对较宽的接触间距（1.50mm、1.27mm、1.00mm），密间距的BGA比密间距的引脚包装IC较不容易受损坏，且BGA标准允许选择地去掉接触点以满足特定的I/O要求。BGA技术已发展为SMT制造业的前沿技术，BGA封装正迅速成为密间距和超密间距技术所选择的封装，在提供一个可靠的装配工艺的同时达到高密度的互连，使得在工业范围内慢慢的变多地采用这种封装形式。

  直到BGA使用到产品应用设计中的时候，大多数PCB与电子制造商还未曾发现将X光检查使用到其生产的全部过程中的太多需要。传统的方法，诸如人工视觉检查（MVI）和电气测试，包括制造缺陷分析（MDA）、在线测试（ICT）和功能测试（FBT），已经足够。可是，这一些方法不足以检查隐蔽的焊锡点问题，诸如空洞、冷焊和焊锡附着差。X光检查系统是一个被证实的、检查隐蔽的焊锡点、帮助建立与控制制作的完整过程、分析原型、确认过程缺陷的工具。它们效率高、并且与MDA、ICT和AOI系统不一样，它们能迅速确认短路、开路、空洞和BGA及其它区域排列组装在板上的锡球不对准，监测过程品质和提供统计过程控制（SPC）所要求的即时反馈数据。

  X射线断层照相设备能把焊球分层，产生断层照相的结果。X射线断层照相的图片可以依据CAD原始设计数据和用户设置的参数进行自动分析焊点，它实时地进行断层扫描，能够在几十秒或2min之内对PCB两面的所有元件的所有焊点进行精确的对比分析，得出焊接合格与否的结论。

  为了更有效地使用X光检查系统，我们一定要明确BGA组装过程的控制参数和参数控制极限。BGA组装过程概述如下：

  在生产的全部过程中，具有共晶锡球的BGA贴装在锡膏中时，其位置通常在回流期间通过液态焊锡的自我对中得到纠正，因此贴装精度不象密脚引脚型元件那么关键，故BGA器件组装工艺中主要的控制环节是锡膏印刷和回流焊。当然，焊接点的形状和尺寸的变异也与其它许多因素有关。

  要消除所有变异是不可能的，因此生产过程控制的关键是减少每一生产环节的变异。对不同变量及其对最终组装产品的影响要进行仔细分析和量化处理。考虑从BGA器件到PCB组装整一个完整的过程，影响焊接点质量的主要变量有：

  不管用哪种检查设备做检查，判断焊点的质量是不是合格都必须有依据。IPC-A-610C的12.2.12专门对BGA焊点的接收标准做了定义。优良的BGA焊点的要求是焊点光滑、圆、边界清晰、无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一样，位置对准，无偏移或扭转，无焊料球。

  以下论述是针对具有共晶锡球、使用免清洗焊膏、520脚塑料封装PBGA器件，其尺寸为2″ 2″，有五层锡球阵列。对BGA放置精度、BGA回流焊过程中焊点开路和焊点短路产生几率等，进行6Sigma制程能力分析。其数据统计及计算前提假设如下：

  使用标准SMT设备做BGA放置。一般贴片设备具备BGA共晶锡球图象识别能力，其放置过程能力为：

  由此可计算出制程能力为6sigma时，最大放置偏差为6.53 mils。焊盘尺寸为直径28 mils，因锡膏熔化时表面张力产生的器件自我对中，该放置偏差可忽略，排除了BGA器件放置偏离的顾虑。虽因PCB流转过程中运动或操作者人的因素会使锡球对准存在偏差，但就BGA器件放置过程而言，其制程能力为6sigma水平。

  在组装过程中，因共晶锡球塌陷不足而产生焊点开路。对520脚PBGA，共晶锡球为直径30 mils的球体，其形成过程标准偏差为500mils3（以体积计算），共晶锡球体积规格值为14130mils3。BGA和PCB上的焊盘直径均为28 mils，锡膏印刷厚度通常为6 mils，故BGA锡球器件侧的平均高度可粗略为24 mils，考虑锡球体积变异的6sigma能力，则：

  经回流焊后，由焊点平均体积（锡球和锡膏体积）决定的焊接接合支座高度为19 mils。在制程能力为6sigma时，锡膏厚度经测量为4～8 mils。且发现BGA锡球在放置过程中会塌陷进入锡膏3mils，则：

  以上变量如能控制在确定的规格内, 则BGA回流焊制程可达到6Sigma能力。

  不幸的是，通常在BGA回流焊组装时，BGA和PCB板的变形会使焊接接合处高度不一致。BGA器件和PCB板二者的焊盘直径也各自存在一定差别，会产生制程变异。以上二因素在实际计算制程能力时，均应考虑。总之，如计入所有变异因素，则焊点开路仍可能会产生。因此，可用X光检查系统来进行潜在的焊点开路等缺陷检查。

  用同样的方法，可估算焊点短路对组装制程能力的影响。焊点直径存在一定的差异，测量数据表明其单个焊接点合并焊接体积（锡球和锡膏）在6sigma制程能力时为12800～19250 mils3。据此，假定最小焊点接合支座高度为15 mils，则焊接接合直径最大可达38.5 mils，当BGA栅格间距为50 mils时，焊点短路产生可能性极小（人的因素除外）。

  有效控制BGA组装制程，可使焊接接合处质量变异极少。但实际组装过程中，以下变量常会使制程产生波动，需要对其进行连续监测：

  对锡膏厚度可用激光检测设备监控，根据自身的需求的焊点形状和一致性，其制程变异可控制在一定水平内。因为X射线透射技术没办法测量不同高度处的直径，焊接点接合直径测量常用X射线断层照相检查设备。

  图1和图2对焊接接合中心半径和PCB焊盘侧焊接接合半径进行X-bar分析，从图中可看出，21#样品(点)在二图中均超出管制界限，经检查后发现21#样品(点)为焊接点去湿。

  从图中可看出，焊接接合处接合点最小半径及较小半径均分布在PCB焊盘侧，因此，焊接接合直径拒收控制下限应设定在焊盘侧。X光断层照相显示，PCB焊盘接合处接合点与相邻BGA器件侧接合点相比，明显偏小。且焊盘接合处接合点呈颈缩形，这种变异是BGA技术固有的。

  BGA组装在各制程变量受控时，其可达6Sigma制程组装能力（3.4ppm）。本文讨论的所有变量如能控制在规格值内，则缺陷产生几率非常小，制程检查可完全取消。但实际组装中，许多变量不能完全受控，故可用X射线断层检查设备对制程进行监测，并利用即时数据来进行制程SPC控制，满足质量控制要求。