BGA芯片级封装焊点完整性的内窥检查

1、pcb上的 元件（pbga）激光探测器经由计算机元件内部焊点 的实时图象检査系统芯片级封装焊点完整性的内窥检查摘要木论文第一次报告内窥镜检查法应用 于芯片级封装（csp,如上的倒台装焊晶片 fcf）焊点完整性的非破坏性检查。借用医 疗仪器技术，内窥镜被用于可视化地检杳一 个器官的内部。现在ersa和kurtz已经 发展和完善了这个概念，开发出 ersascope检查系统并与成熟而友好的 软件相结合，以便进行数据和图象分析。我 们已经成功地应用这种内窥镜检查方法评 估了 csp中焊点的完整性，例如冷焊点、 离开高度测量、探杏球焊点的内部排列。由丁这种新仪器最近才被采用，我们还 将与ersa和ku

2、rtz#一起报告获得可达到 的焊点完整性最佳检杳的最新结果。通过分 析我们epa中心客户的各种csp样品，我 们已经见证了内窥镜检查法应用于csp焊 点的非破坏性检查吋的巨大威力，发现这种 方法在微型电子封装质量评价方血具有广 泛的用途。我们也将就本检査方法应用于 csp给出一个中肯的评论。导言便携式电子工业的趋势是尽可能地薄、 小、轻1。倒装焊晶片和ubga这样的芯 片级封装（csp）是最先进的技术，己经在 大量各种便携式电器上获得了普及。山于在 这些高级的封装中，焊球的尺寸和间距非常 小，任何组装缺陷（例如质量差的焊点）都 将导致相当大的可靠性问题，一个焊点的故 障就可能毁掉整个产品。现今

3、，为了确定焊点的完整性，x射线 分层摄影法是普遍使用的检查方法z。x 光检杳已经发展为在线和离线非破坏性隐 蔽焊点（尤其是bga、csp以及倒装焊晶 片元件23中的焊点）检查的最新水平。曲线编号峰值温度 （°c）液相线上时问（秒）加热因子qn （°c）振动寿命 n50% （小时）焊高 （毫米）tupl-1186173323.20.156tupl-219136205100.50.151tupl-319731307146.50.146tupl-420349682180.80.141tupl-52075186445.20.132tupl-6212100200430.2004农1冋

4、流焊曲线参数在发现许多可能的缺陷（例如桥接、未 对齐、孔穴）的同时，其他一些关键的缺陷 更难探测到，例如过剩的助焊剂残渣、表面 结构以及微小的裂缝。高质量的x光设备的 戸人投资常常是许多小公司延期将这个有 效的检查方法整a到其质量控制过程屮的 因索。焊点的可视化检查是评估过程控制屮 的一个关键而必要的步骤。借川咲疗仪器的 技术，内窥镜被用丁可视化地检查一个器官 的内部。内窥镜检查法已经发展成为在难于 进入的环境中进行可视化检查的一种技术 4-6o ersa和kurtz已经发展并完善了 这个概念，并开发出了 ersascope检査系 统，结合成熟而友好的软件，可进行数据和 图象的分析。这种检查系

5、统的成木只是一个 x光系统成木的一小部分，但是通过观看 bga、fc和csp,它却能提供隐蔽焊点隐 蔽图象的横截面非破坏可视图彖。在木论文屮，我们己经成功地使川这种 内窥镜检查方法评估了 csp中的焊点的完 整性，例如冷焊、离开高度测量以及探查球 焊点内部排列。而且,我们讨论了在csp 和bga元件卞隐蔽焊点非破坏检查屮内窥 镜检查法的应用。实验和结果a样殆准备使川casio ycm-55oov贴片机和 btu vip-70n炉在氮气中，将u bga csp46t75（sn/pb 共晶焊球，直径 0.33mm,） 放置并焊接到fr-4 c|j刷电路板（pcb）上。 使川6个温度曲线冋流该组件&

6、#176;元件和pcb z间的时间分辨温度使用温度采集仪形机 （super m.o.l.e e31-900-45/10）测量。在 液线温度测得的温度t （） °c的积分用于逼近术语tx t。这个积分取名叫“加热因子它 被看作是冋流曲线的特征7。冋流曲线对 应的加热因子、峰值温度、液相线上时间总 结在表1屮。该样品服从振动疲劳试验。一 个56g重的钢质螺柱被粘结在每个ubga 封装的上而。用加速度为rms （均方根） 9.1g.频率为30hz的正弦激励摇动器。振 动循环一致持续到失效发生为止。振动寿命 （n50%）与q”的对应关系列于表1中。b离开高度测暈焊点疲劳寿命随着加热因子q.的

7、不同 而不同。疲劳寿命的变化可归因于焊点小颗 粒变粗以及金属互化物（imc）的成 人家知道，在离开髙度和加热因子qn之间 存在一定的关系。因此焊高是评估焊接质量 的一个重要参数。内窥镜可以用imagcdoc 图象处理和测暈软件测暈离开同度。系统进 行光学校准之后，高度、宽度、半径以及角 度筹都可以很容易地测量到，精度为 o.olmmo可以检査和测童川不同加热因子 冋流的csp的焊高，如图2所示。测量到 的离开高度列在表1中。离开高度与加热因 子0的1111线如图3所示。随着加热因子qn 的递增，离开高度线性递减。而根据振 动试验的结果，最佳的离开窩度范围是从 （）.14 到 0.15mmo图2

8、：不同曲线冋流的csp焊点(lulu)悝眩床w n s t120015001800210021<513-o19016000300600900加热因子(see. degree c )图3：离开高度和加热因子之间的关系芯片图4用内窥镜测量倒装焊品片组件 2 |_l 心片v sfhmwo fi lov0 okv ；« 契陝 5(22 ? um图5：使用sem在放大的图彖上测量倒的离开高度装焊晶片组件的离开高度图6：有缺陷的焊点图7： csp焊点未对准-图 8焊 料 球 和 焊 盘 之csp46csp46csp46bga225的夹渣图9：悍点的火效裂纹accv spot magndet

9、 wd exp i " 100 |im16 0 2 6 0sf 1?6 14ttj 叶6. cnufc66图10：失效焊点的横截而为了验证离开高度测童结果，我们进一步在 组件上离开高度范围在0.035-0.045mm z间 的一些倒装焊品片上进行测量。首先我们用 内窥镜进行测量，然后切开样品。通过使用 philips xl40扫描电子显微镜（sem）直接 从放大的图形（320x）上测量离开高度。 sem测量的结果是0.0365mm （5点测量的 平均值）。从内窥镜测量到的离开高度是 0.037mm。所以结果相互一致。c焊点的完整性早期失效的焊点的装配质量由内窥镜 来检查。如图6所示，

10、当加热因子q太小时, 也就是温度曲线tupl-1,焊接并不好，也就 是浸润不充足。而且，对于早期失效的样品, 在振动试验.卜在组件屮有许多安装缺陷和 不重合，如图7所示。此外，如图8所示， 因为表回氧化或者缺少助炸剂，焊球和炸盘 z间存在夹渣。d疲劳失效焊点的检查对于在振动循环试验中失效的csp焊 点、,失效机理可在内窥镜的帮助下通过观察 失效焊点的表而来进行研究。图9显示了焊 点断裂产牛的一系列裂缝。也可通过在样品 切面上使用扫描电子显微镜（sem）來进行 研究，如图10所示，但是这会消耗更多的 时问。内窥镜检查的结果揭示出疲劳断裂发 生在焊接内部，裂缝的传播大体与pcb焊 盘平行。裂纹在锐

11、角点焊料与pcb焊盘结 合的地方开始。然后裂纹沿着金属间化合层 （imc）/主要的焊接界而传播。这种现象是 由于应力在这一点集中造成的。可以看到， 悍点的几何形状是由丁焊接掩膜开口的宽 度比pcb的小。在断裂点，随着金属互化 物成长的增加，内部应变、晶粒间的缺陷以 及结构不均性组件产生和增加。而且，因为 成分浓度偏离共晶，结构强度变弱。以及表而异常（也就是焊剂残渣图11）。 类似地，我们可以使川内窥镜的变焦和对焦 功能探查内部球，如图12所示。图11：有多余焊剂残渣的焊点图12：焊点的cbga内部排列检查图13：裂纹的开始振动疲劳（sem就微照片）e探查球焊点内部排列内部球的检查将揭示出pcb

12、或者元件是否 翘曲。在内窥镜的帮助下，我们可以可视化 地、方便地检查封装周边球的表面外观（也 就是纹理、一致性、平整度、颜色和亮度）结论内窥镜系统是一种快速检査各类bga、 microbga以及倒装焊晶片元件的方法，它 是台式的，该方法具有用户友好、安全、有 成本效益等特点。内窥镜系统可以测量csp和倒装焊晶 片封装的离开高度，精度为土0.01mm。离 开高度是一个评估焊接质量的重要参数。我 们的结果揭示出csp组件的故佳的离开高 度范围是从0.14到0.15mm,这个可以通过 冋流加热因子q"來控制。而且，当比较由 内窥镜测量到的倒装焊晶片组合的离开高 度和山传统的sem在样品切血

13、上测暈的离 开高度时，其结果彼此接近。另外，内窥镜系统可以为焊点的完幣性 捉供一种可视化的、方便的检查方法，如焊 接体积、焊接圆角和对准、表而外观、农而 异常、焊料厚度、悍接桥接、微小裂纹以及 多余的焊剂残渣。致谢c.w.tang感谢香港城市人学所提供的研究 奖学金。作者要答谢香港城帀大学战略拨款 的（项目编号7000955）财务支持。作者感 谢tronifer香港有限公司的kenneth chan 先生和edward lo先生提供了设备。参考资料1. j.h.lau, “球栅阵列（bga）技术“，mcgraw-hill,纽约，1994 年。2. j.mearing 和 b.goers, “b

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