本文将详细描述BGA在开发组装工艺或作为生产期间的审核机制，及其在不同阶段使用的检验技术。下表提供了关于检验方 法适用性的一些建议。

一、 X射线使⽤

X射线检测通常用在焊点被高比例遮盖而视线看不见时以及有大量焊点不可测试时。焊点不可测试的例子为冗余连接和背靠背BGA，此时BGA扇出的导通孔难以接近且没有足够空间设置额外测试点。X射线法可作为所选测试工艺的补充并能给生产线提供快速 反馈。根据所使用的X射线系统的能力，X射线 能探测到与焊接相关的缺陷，如桥接、焊点开 路、焊料不足和焊料过多。其它诸如焊球缺失、 偏移以及封装爆米花效应等缺陷也能识别。除 了缺陷探测外，X射线也能提供焊料体积和焊点 形状的趋势分析。X射线是发现BGA焊点空洞唯 一的非破坏性方法。

下图一显示了在被测样品上方使用X射线的X射线设备原理；某些设备的射线管在试样下方或 与试样成某个夹角。该图给出的一般特征对大 部分X射线系统都适用。X射线检测已成为对焊 点评估和分析的公认工具，并作为再流焊工艺 的监控。通过理解X射线图像采集原理可最有效 地运用X射线检验技术。

图一： X射线设备原理

X射线在确认BGA焊料结合完整性以及对再流焊 工艺监控是有效的。掌握下面知识可最有效地 运用X射线检验技术：

• X射线图像采集原理

• X射线图像分析（根据再流焊工艺）

使用X射线需要注意对易受损害材料或元器件的 过度曝光。下图二展示了关于BGA连接界面空洞或焊球缺失的X射线图像特征。

图二：BGA连接界面空洞或焊球缺失的X射线图像特征

二、X射线图像采集

1、胶⽚基的X射线检测

基于胶片的X射 线检测系统运用了工业X射线机柜和X射线胶片 盒，在胶卷上记录X射线图像。然后通过胶片视 频播放机观看以实现高放大倍率的细节检查。这个过程很费时，但可以展现更细微和色调更 准确的X射线图像。

2、实时X射线系统

实时X射线检测系统 使用了一个X射线源，以及一个将不可见的X射 线图像转化为视频播放信号的检测器系统。这 些系统可提供样品的即时成像结果。由这些系 统所成的图像不应失真或包含由X射线系统自身 所导致的伪影。图三展示了人工X射线检测系统所期望得到的同等级别的图像质量。图四展示了枕形失真和电压过曝的例子。可用的实时 系统尺寸范围很广，从小型桌面系统到大型落 地式操控系统。可用的X射线源电压范围也很宽 广。对于BGA的检测并没有具体的电压规定。

图三： 人工X射线检测系统图像质量

图四：枕形失真和电压过曝的例子

所需的电压部分取决于所使用的特定X射线系统 的灵敏度和待测BGA的结构和性能。例如对带 有铜散热器的BGA，比PBGA或CBGA需要更高 的穿透电压。而带有铝散热器的BGA，不需要较高的电压，因为铝属于低密度材料，相比于铜更能让X射线穿透。

三、 X射线系统术语的定义和讨论

目前市面 上的X射线检测有人工（MXI）和自动（AXI） 配置。MXI系统有不同程度的自动化，可包括 自动BGA分析、自动图像处理功能、自动化操 纵和板子操作。透射标靶型X射线系统的另一特点是通过侧视获得高放大倍率。

AXI系统和MXI的区别为，AXI系统能在线使用 并且不需要操作员来作出接收／拒收的判定。MXI设备几乎只有X射线透射技术，而AXI设备 可以进行透射、切面以及两者的组合。AXI设备 通常有三种形式：

• 透射AX—通常被称为2-D X射线

• 切面AX—通常被称为3-D X射线

• 2-D/3-D组合AXI

下面为透射、切面和组合自动X射线检测应用的 定义：

透射型X射线会自动生成位于X射线源和探测器 之间试样的所有特征图像。图五到图七展示的 是透射、断层合成和分层成像的X射线图像的示 例。

图五

图六

图七

切面AXI一次会自动生成电路板一个切面的图 像。断层合成和分层成像是切面AXI最常见的形 式。

组合AXI设备在PCB检测中并行使用透射和切面 技术。混合型系统会根据具体状况自动选取最合适的技术并允许用户自由选取自己所需使用 的技术。在两面都贴装有元器件的组件上（类型 2），标准的透射X射线技术由于重叠使得焊点的 部分子集无法看到，除非采用斜视法。

另一方面，当不能采用斜视时，切面技术将有 更多的测试访问。由于透射X射线技术捕捉的是 整个焊点体积的信息，而切面型技术捕捉的是 焊点特定切面的信息，在侦测某些类型的焊点 缺陷时，这些技术具有其独特和通用能力。所 有的透射、切面和组合X射线技术都能探测到由于焊点外形变化而引起的PCB组件缺陷。 这些 组件缺陷类型包括但不限于：焊接短路、焊接 开路、焊料不足、缺件、元件歪斜和焊接空洞。

1、透射成像X射线技术

对于透射成像X 射线而言，X射线源和探测器可以是固定的或以 多种方式活动，以实现放大倍数和视角变化。通常来说，在垂直“视线”上的所有特征可被 同时观测到，只是没有区分深度。

材料厚度或密度的差异导致透射X射线在探测器 中的衰减程度不同，进而在图像显示中呈现出 或明或暗的亮度。对于单一材料类型（如共晶 焊料），探测器接收到的X射线光子衰减与材料 厚度成正比。生成的灰阶图像可被用来解释和 确定焊点是否可接收。图八展示了透射检测的 示例。

图八：透射检测的示例

透射X射线技术的斜视检测 透射X射 线系统对物体进行斜视检测有两种基本方法。一种方法由倾斜样品来得到如图九所示的斜角。虽然这种方法可斜视，该技术可能无法 达成最高放大倍数。

图九： 倾斜样品来得到的斜角

另一斜视的方法是使用广角透射X射线源，如图十所示。在这种方法中，探测器可绕X射线源 中心轴转动，利用辐射锥体的外围部分来产生 可达到的最高放大倍数的倾斜视角。

图十： 使用广角透射X射线源

图十一和图十二通过比较自顶向下透射直视与斜视的FBGA实际图像，说明了在高放大倍数下斜视 的优点。

图十一：FBGA焊点俯视图

图十二：FBGA焊点倾斜观察图

对于无铅应用，图十一中的图像纹理和暗度可能 略有不同。射线管强度和／或功率可能需要稍 微减小以避免过度曝光。

3、切⾯X射线技术

在双面电路板上，对 于透射X射线技术而言由于重叠使得焊点的某些 子集难以辨清，而切面技术将有更多的测试访 问。由于透射X射线技术捕捉的是整个焊料体的 信息而切面技术捕捉的是特定切片信息，这些 技术在探测某些类型的焊料缺陷时，各自具有独 特的和通用的能力。若想了解详细信息，可联 系能提供其技术和系统能力的AXI系统制造商。

图十三中的断层合成和图十四中的分层成像均为 射线照相技术，提供了可观测的器件切片图像。用分层成像时，X射线源和X射线图像平面相对 于待测的电子设备以彼此协调的方式移动。仅 显示器件的一层或一片清晰的图像，图像平面 上的其它层都被抹掉了。断层合成是采集了在 不同角度下检测的若干透射型X射线投射图像， 并将这些图像的数字信息进行数学合成。

图十三：断层合成图

图十四：射线照像技术

这能在期望的平面上创建虚拟的切片用于分析。

四、 X射线图像的分析

对特殊BGA器件和再流焊工艺的理解有助于焊球连接的X射线图像的解释和分析。关于X射线图像分析应该考虑的并行因素包括：

• 确定焊球是可塌陷的（共晶）还是非塌陷的 （非共晶）？

• 明确角落是否布置了非坍陷焊球以保持共面度

• 再流焊温度维持是否充分以实现完全对准并塌 陷？

• 再流焊过程中BGA封装是否出现了某种程度 上的物理变形？

这些因素将进一步深入了解X射线图像的解释和分析。

1、视野

在确定检验标准时，定义出一次能观测BGA多大部分也是很重要的。随着BGA 节距的变小，焊球尺寸也随之减小。有几种放 大倍数水平可用于评估。下表2提供了适用于任 何视野的不同节距和焊球尺寸特性。放大倍数的范围会变化， 但应该在30至50倍之间 。取决于焊球尺寸，视野可以简单地通过15除以焊球直 径得到。因此，15除以0.75（对于0.75mm的焊球）的结果是评估能看到20个该尺寸的焊球。随着焊球尺寸减小，质量评估时可观测到更多 数量的焊球图像。

实时X射线系统的视野显示取决于X射线探测器 可用的像素及它们是如何显示于操作者屏幕上。商用可买到的X射线系统，像素可由640X480 变化至1600X1200，甚至更高。因为用于本文的 质量测量之一是焊点空洞，除非检验焊球直径时 已建议采用最小像素，否则任何后续的测量精度 都会受到严重影响。举例来说，假设有一个焊球 直径为0.75mm的4x4阵列（节距为1.5mm）和一 个焊球直径为0.30mm的7×7阵列（节距0.5mm） 在屏幕上完全显示（如表中所示）。在带有640× 480像素探测器的X射线系统上（假设1:1出现在 显示器上），对于屏幕短边来说，那么上面两个 BGA焊球在直径上的像素分别为68个和44个。若线性测量误差为2个像素（每边一个），每个BGA 的误差为 2/68和 2/44）或者分别为 3%和 4.5%。对关键空洞百分比计算，这些数值应该用 于计算焊球面积，那么该面积误差分别为9%和 20%。作为对比，对具有1600x1200像素探测器的 X射线系统的数值，其像素将是171和109，对应 的线性误差分别是1.2%和1.8%及面积误差分别是 1.5%和3.25%。对于3级产品，建议面积最大空洞 率是4%。对于上面最差的情况（但是随着器件 尺寸持续缩小，那么较低规格的X射线系统会日 渐变差），整体系统测量的最小行动水平必须要 接近于3%，此值是X射线测量要考虑的任何其他 误差之前的值（来自灰阶灵敏度变化、几何放 大效应等等），并且需进一步降低行动水平。

五、声学扫描显微镜

声学扫描显微镜 （SAM），也被称为声学扫描断层成像（SAT）， 是一种非破坏性失效分析工具。它使用声波来 扫描组件内层。通常用于半导体封装领域，探测电子组件内部的分层或空洞。它可以定位BGA 封装中的分层或空洞，也可以定位BGA与基板相连之后底部填充的类似异常。

分层或空洞探测的分辨率取决于用于分析的声 音频率。随着频率增加，分辨率也增加。230MHz 传感器能使探测分辨率低至25μm的间隙。单点 扫描被称为a-SAM，线扫描被称为b-SAM,面扫 描被称为c-SAM。图十五所示中c-SAM图像展示了倒装芯片组件底部填充中空洞位置。在SAM 分析时被探测的样品需要被放置在水中。如水能 渗入开放的空洞或分层则无法用此方式探测。

图十五： 倒装芯片组件底部填充中空洞位置

六、BGA间隙⾼度测量

塞规提供了非破坏性方法来确定BGA再流焊后大致的最终间隙高度。 塞规用来量测再流焊后的每个角落，其综合结果可确定测得的平均间隙高度。这种方法 不如切片那样精确，但成本要便宜得多且是非 破坏性的，只要操作员不要试图将塞规硬塞入器件底下。这样做，会导致焊点开裂。BGA周围 确定需要足够空间供塞规插入。BGA的间隙高度可以给出焊球是否有完全地和均匀地再流的 某些提示。通常的， 焊球为0.75mm的PBGA的 间隙高度在再流焊之前大约为0.60mm，在再流 焊之后则会跌至0.45mm(包括焊膏)。 根据焊球 尺寸，所用合金以及BGA 是否含金属散热片， 其它BGA封装有各自的间隙高度特点。由于每种封装都有自己的间隙特点，用户应该开发元 件组装的再流焊曲线以使用适合的塞规。

七、光学检测

内窥镜检查是一种光学检验方法，可对狭小限制区域内的细小物件进行外观检验。这项技术适用并应用于BGA焊点检测。 可 检验和分析BGA焊点的各种关键因素，例如：

• 焊点总体质量-理想润湿的证据

• 焊点形状-理想再流的证据

• 焊点表面纹理-光滑与不规则

• 焊点总体外观-助焊剂残留等

• 焊点缺陷-焊料短路、开路和冷焊

• 焊球缺失

这项技术最适用于BGA外排焊点的检测，如图十六所示。这项技术的局限性是无法以同等级的质量和清晰度检测内排焊球。有时也用它检测 内排焊球，但是无法如外排焊点一样看得清细 节。通常不可能看到第二排或第三排的焊球上 的焊膏，这好比无法从外部看见森林中央的树 一样。

图十六： BGA外排焊点的检测图

这项技术的另一显著特征是镜头设计。高度先 进的镜头可以聚焦并且通过镜子或棱镜将图像转动90°。高分辨率CCD相机或监视器可用于捕 捉和显示图像。放大倍数取决于工作距离，范 围可从50倍变化至200倍（见图十七和图十八）。

图十七： 在氮⽓中再流后并在SMT清洗过的⽆铅、1.27mm节距的BGA

图十八 ：在空⽓中再流后并在SMT清洗过的⽆铅BGA

照明是很重要的因素。如果光源没有恰当地照 亮被检测的焊点，图像质量就差。前置灯光可 帮助检测焊点的正面，而背光源则可用来探测 焊料短路和其它堵塞情况。背光也可用于显示 焊点的外形轮廓，这可简便地观测焊点的整体 形状。

给镜头和CCD相机提供足够支撑和保护的稳健 的定位系统是必要的。它应消除由冲击和振动 所带来的移动，且必须是可调节的，通过在所 需的范围内的移动。

分析软件也是需要的。除了实时显示焊点图 像，带有诸如图像捕捉和测量的特征也是有用 的。一些系统可提供焊点接收和拒收的参考图 像。将这些图像与正被评估的图像进行比对， 可减少检验判断时的主观性。

1、 BGA组装协议

SMT焊点的可靠性和 机械强度非常重要，特别在高可靠性产品应用 中。空洞和其它缺陷可能会伤害热循环可靠 性。但是有温度循环数据显示，空洞改善了测试 结果。

焊点中的空洞是常见的而且小级别的空洞是不 可避免的。BGA中的空洞很难非破坏地、定量 地描述。X射线测量是唯一可行的方法，但很棘 手。

空洞质量协议必须适用于所有组装情况。返 工，即使是“需要的”，也会使事情变得更糟。必须制定过程和批接收协议。外包/延伸供应链 会造成额外的挑战。

一些早期研究记载了空洞不可避免地会出现。测试包括一些常见SMT焊点的空洞特性，以及将 异常失效与异常原因联系起来的目的（例如：极大空洞）。

大部分SMT焊点都有空洞（焊点底部，外加内 部/趾部/根部填充）。大多数空洞所占面积百分 比为5%-20%，少部分则为0%或25%左右。典型的 BGA焊点平均约 10%的面积，其中一部分低至 5%，其他的则在15%的范围。BGA内各焊点空洞 所占面积百分比变化范围为0%至35%。

较早失效的焊点其空洞并不比稍晚失效焊点中 多。这是基于几百次对称元件的比较：早失效 焊点的空洞面积百分比并没有比晚失效焊点的 大。强有力的数据表明，空洞在正常水平的变 化无关乎热循环寿命。

方法（X射线与断裂面可视化）近似等效，但两 者都非常有限、困难或主观。一项分析比较了 早失效BGA的几种形式的空洞量与相等空洞量 的晚失效的BGA。并没有发现两者有相关性。早失效与晚失效有着相同的空洞量。

注意到所有这些BGA资料都包括有“全部焊球 分布网”。但没有数据能统计表明BGA的“首个 失效焊点”与其寿命之间的关系。因此空洞百分比与寿命没有数值上的相关性。取得的数据 不足以建立可能有用的5-10精度趋势线。

当下，没有新的数据对任何/所有元器件类型、 在任何/所有条件下建立数值上的联系（空洞 对寿命）。一些资料建议正常空洞的可变化范围 为：

• 作为过程控制，采用>35%面积百分比作为阈值 以及>50%空洞直径阈值。

• 对于拒收/返工判定，采用空洞面积比>45%， 空洞直径比>65%作为拒收标准。

2、开裂的周边互连判定

限扭矩螺钉刀可 用来识别开裂的周边互连（焊点）。在器件和基板之间略微施力可以分离断裂的表面，如图十九所示。这项技术可以非破坏性的方式识别开路 连接，同时也可确定该开路具体是由翘起连接 盘、界面结构还是由主体焊料引起的。这项技 术并不适用于某些基板，典型的如这些厚度较 小而使器件产生较大弯曲的基板（中介基板）。

图十九 ： 在器件和基 板之间略微施力可以分离断裂的表面

八、破坏性分析⽅法

如果非破坏性方法不能识别异常现象的原因，用破坏性方法来隔离问题区域也许是必要的。这种技术会导致组件分析后无法再使用。一旦失效原因已被识别， 所得信息可用于实施纠正措施以消除问题。

1、切⽚

切片是一种破坏性的分析方法， 它将元器件、基板和焊点剖开后观察其剖面。切片的第一步为识别或精确推测需要检查的区 域。如果同一个元器件上有多个可疑区域，则需 要确定这些区域是否能依次观察到。如不行， 则这些区域需要根据发现问题的概率排出优先 顺序，或者要分析多于一个元器件。

其次，如果问题区域是较大组件的一部分，可能 需要采用切割的方法将其从较大组件分离，使 其变成一个小的更易于处理的部分。在切割过程中应该小心确保证据没被改变或破坏。

为了适当的切片，样品应该在树脂中模制，以减 轻在切片过程中样品的碎裂或破坏（见图二十和 图二十一）。如果需要对感兴趣的区域进行细抛光， 则切片时应该距感兴趣的界面有一合理的距 离，留有足够的距离给界面细抛光。

图二十 ：穿过焊球空洞的焊球切⽚

图二十一 ： 焊球/连接盘界⾯处裂纹开裂的切⽚

在某些情况下，研磨可能需要贯穿整个元器件 以观测不同界面的完整性。借助于切片分析，通常的失效是组件中出现了开路。这样的开路 可能会发生于焊料界面上。

2、染⾊渗透

染色渗透试验法可在工艺建立时和失效分析中运用，用来探测焊点开裂、 润湿问题以及封装分层。 样品浸于可穿透任何 裂纹、分层区域或者开口空洞的低粘性的液体 染料中。然后将浸过的样品剥离，并检验焊点 中或材料界面是否出现染色。如果使用荧光染 料，则样品在UV灯下检验。染色增强了瑕疵的 能见度, 否则可能难以探测到。连接盘上出现染 色表示与连接盘的润湿差，并以此来估算连接盘 未润湿的部分；然而，非常细的裂纹可能由于 太小导致液体不能完全进入，这是由于液体表 面张力阻止其进入的缘故（见图二十二和图二十三）。

图二十二 ： 焊球底部没有染料渗透

图二十三 ： ⾓落内的焊球有80-100%的染料渗透， 表⽰焊点有裂纹