微焦 X 射線在枕頭效應(yīng)缺陷檢測(cè)應(yīng)用研究

摘要：針對(duì) 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(cè) BGA 焊接缺陷檢測(cè)方法。根據(jù)缺陷特點(diǎn)及 X-RAY 成像原理，設(shè)計(jì)了二維多角度檢測(cè)工裝，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證 X 射線檢測(cè) 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(diǎn)，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(dú)有的引腳分布在器件底部的封裝特點(diǎn)，也使得此類器件在焊接裝配后其焊接質(zhì)量無(wú)法采用傳統(tǒng)方式檢測(cè)。

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

在無(wú)損檢測(cè)中，目檢僅能檢查器件外觀及可視范圍內(nèi)的焊球狀況，對(duì)于焊球內(nèi)部及器件非邊緣部分的缺陷則無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試；飛針電子測(cè)試雖然能夠做到快速測(cè)試轉(zhuǎn)換但是測(cè)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(cè)則利用 X 射線的穿透特性，是對(duì)隱藏在器件下的焊球焊接質(zhì)量的檢測(cè)的最有效的一種方法。然而 X 射線目前僅限于檢測(cè)橋連、空洞率等幾種有限缺陷，對(duì) HIP 及虛焊缺陷的檢測(cè)，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(jí)，也對(duì) X-RAY 的檢測(cè)能力提出了較高要求。

因此，開展 BGA 器件 HIP 缺陷檢測(cè)技術(shù)研究，對(duì)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(guó)際上尚未有關(guān)于 BGA 焊接質(zhì)量驗(yàn)收方面的明確標(biāo)準(zhǔn)。行業(yè)遵循的也僅僅是由國(guó)際電子工業(yè)連接協(xié)會(huì)制定的相關(guān)可接收性規(guī)定：優(yōu)選的 BGA 焊點(diǎn)經(jīng) X 光檢測(cè)焊點(diǎn)光滑，邊界清晰，無(wú)空洞，所有焊點(diǎn)的直徑、體積、灰度和對(duì)比度均一致，位置準(zhǔn)確無(wú)偏移或扭轉(zhuǎn)[7,8]。對(duì)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(cè)原理

設(shè)備采用開放式微焦點(diǎn) X 射線管 ，主要由射線管、傳感器、載物臺(tái)以及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等組成。設(shè)備具有多個(gè)自由度，在檢測(cè)時(shí)通過(guò)控制射線管及傳感器距離被測(cè)件的位置可改變放大倍數(shù)。工作時(shí)射線管發(fā)出 X 射線后，穿過(guò)不同物質(zhì)后，在穿過(guò)密度較大的物質(zhì)時(shí)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(guò)不同灰度顯示進(jìn)行檢測(cè)。

4 微焦距最小檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)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(cè)要求范圍內(nèi)。

5 X-RAY 檢測(cè)方法

5.1 二維檢測(cè)研究

5.1.1 二維掃描測(cè)試難點(diǎn)

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

5.1.2 二維多角度測(cè)試工裝設(shè)計(jì)

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

5.2 三維檢測(cè)方法研究

3D 掃描技術(shù)是借助旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在 360o 旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不間斷地的 X-RAY 拍攝，并通過(guò)專用軟件對(duì)所拍攝照片進(jìn)行疊加分析最終還原出檢測(cè)樣品的 3D 圖像。通過(guò)對(duì) 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(diǎn)斷層掃描形貌。此檢測(cè)方法可直觀檢測(cè)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(cè)手段。

6 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于 3D 掃描時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試成本高，為兼顧檢測(cè)質(zhì)量及效率，在檢測(cè)時(shí)可將二維及 3D 掃描相結(jié)合。首先通過(guò)多角度寬范圍旋轉(zhuǎn)平臺(tái)測(cè)試器件的整體焊接質(zhì)量，對(duì)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(diǎn)，可以快速實(shí)現(xiàn) BGA 器件焊接質(zhì)量檢測(cè)，可以為產(chǎn)品提供可靠的質(zhì)量保證。

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