微焦 X 射线在枕头效应缺陷检测应用研究

摘要：针对 BGA 枕头效应（HIP）缺陷，分析 X-RAY 设备最小缺陷分辨能力，提出基于 X 射线二维成像和三维断层扫描技术检测 BGA 焊接缺陷检测方法。根据缺陷特点及 X-RAY 成像原理，设计了二维多角度检测工装，通过实验，验证 X 射线检测 BGA 焊接枕头效应缺陷的可行性，给出缺陷的典型形貌。

1  引言 

BGA（球栅阵列）具有体积小、电性能优越等优点，此类器件已在航天军工电子产品中得到了广泛的应用。其独有的引脚分布在器件底部的封装特点，也使得此类器件在焊接装配后其焊接质量无法采用传统方式检测。

目前 BGA 焊接质量的检测方法[1-6]也非常有限，行业中已使用的检测手段有主要分为两类：（1）无损检测；（2）破坏性检测。破坏性测试只作为失效分析手段，不常用于质量测试。

在无损检测中，目检仅能检查器件外观及可视范围内的焊球状况，对于焊球内部及器件非边缘部分的缺陷则无法准确测试；飞针电子测试虽然能够做到快速测试转换但是测试原理上飞针要与焊锡发生直接接触，导致焊锡上出现凹坑造成外观缺陷。X-ray 检测则利用 X 射线的穿透特性，是对隐藏在器件下的焊球焊接质量的检测的最有效的一种方法。然而 X 射线目前仅限于检测桥连、空洞率等几种有限缺陷，对 HIP 及虚焊缺陷的检测，仍存在局限性。而此类缺陷往往不易管控和发现，均在十几微米级，也对 X-RAY 的检测能力提出了较高要求。

因此，开展 BGA 器件 HIP 缺陷检测技术研究，对保证产品质量具有十分重要的意义。

2  BGA 焊接质量标准

目前为止，国际上尚未有关于 BGA 焊接质量验收方面的明确标准。行业遵循的也仅仅是由国际电子工业连接协会制定的相关可接收性规定：优选的 BGA 焊点经 X 光检测焊点光滑，边界清晰，无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一致，位置准确无偏移或扭转[7,8]。对于 HIP 缺陷更未给出相应标准及接受规定。

3  BGA 缺陷 X-RAY 检测原理

设备采用开放式微焦点 X 射线管 ，主要由射线管、传感器、载物台以及运动系统等组成。设备具有多个自由度，在检测时通过控制射线管及传感器距离被测件的位置可改变放大倍数。工作时射线管发出 X 射线后，穿过不同物质后，在穿过密度较大的物质时大量能量被吸收后被传感器接收转化并显示出不同灰度图像。最终，通过不同灰度显示进行检测。

4  微焦距最小检测能力

所使用的 X-ray 设备为 YXLON 公司的 Y.Cougar 系列，具有传统的二维扫描功能还包含 CT 扫描模块，可实现对产品检测的二、三维切换。设备二维扫描的最小方便率可达到 1.1 μm，设备三维扫描的最小分辨率可达到 2 μm，可满足 HIP 缺陷在十几微米缺陷检测要求范围内。

5  X-RAY 检测方法

5.1 二维检测研究

5.1.1 二维扫描测试难点

已知 BGA 焊球存在 HIP 缺陷，采用二维检测。将探测器旋转 +60º ~ -60º，在现有偏转范围内无法完成 HIP 缺陷有效检出。

5.1.2 二维多角度测试工装设计

基于设备旋转角度的局限性，设计了如图 1 所示多角度测试平台，通过步进电机实现载物台 360°旋转，与图像采集器配合可实现 360º＋120º 任意角度旋转面，在 BGA 产品检测过程中可有效检测 HIP 缺陷。如图 2 为使用工装后检测出的缺陷器件切片图。

5.2 三维检测方法研究

3D 扫描技术是借助旋转平台在 360º 旋转过程中不间断地的 X-RAY 拍摄，并通过专用软件对所拍摄照片进行叠加分析最终还原出检测样品的 3D 图像。通过对 3D 图像的横切面分析，可直观发现潜在器件底部焊球存在的 HIP 缺陷。

图 3 为存在 HIP 缺陷的 BGA 三维形貌图，图 4 则是 BGA 焊点断层扫描形貌。此检测方法可直观检测出虚焊、枕头效应等 BGA 常见焊接缺陷，不再只依赖破坏性检测手段。

6  结语

在实际工程应用中，由于 3D 扫描时间长，测试成本高，为兼顾检测质量及效率，在检测时可将二维及 3D 扫描相结合。首先通过多角度宽范围旋转平台测试器件的整体焊接质量，对存在的不确定缺陷的位置配合使用 3D 断层扫描最终确定具体缺陷类型。

综合利用两种技术手段的优点，可以快速实现 BGA 器件焊接质量检测，可以为产品提供可靠的质量保证。

参考文献

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[7] 贺光辉,罗道军.BGA“枕头效应”焊接失效原因[J].电子工艺技术,2011,32(04):202-204.

[8] Ragab T,Basaran C.Modeling Joule heating in carbon nanotubes with Monte Carlo imulations[C].Thermal and hermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm),2012 13th IEEE Intersociety Conference,2012.