一、X射线探测和测量注意事项
一些仍用于检测焊料空洞的实时X射线检测系统使用了X射 线成像装置,当电压过曝或磷光过曝时,该装置 就会表现出文献中查阅到的异常现象。理论上使用图像增强器或平板探测器的任何系统都会过曝。但是,使用图像增强器或平板探测器的现代 高对比X射线系统完全有能力提供理想的图像。下图1 是旧系统中电压过曝光的例子。如果确定 在用的X射线检测系统表现出电压过曝,可采取下面的建议以获得较精确的空洞尺寸测量:
二、空洞的影响
在不影响产品所需可靠性
的前提下,允许有多少数量及多大尺寸的空洞
呢?空洞会通过弱化焊球和降低功能性来影响
可靠性,因为横截面积的减少会降低热传递和
载流能力。
较大的空洞是更有害,但是再流前的小空洞在 再流焊中会合并形成大空洞。通常优先考虑的 是消除空洞或至少实质性地减小空洞。在工艺 的开发阶段,应该建立使空洞最小化的工艺控 制。
有许多研究已表明观察到中等尺寸空洞在性能 方面有小的增加。这些情况常见于工艺受控时。可靠性的增加是焊点高度的增加和焊点裂纹扩 张的暂时、局部延缓的结果。
BGA焊点空洞的确定需用X射线检测;为了确定 空洞的影响或其位置和尺寸可能需要切片方 法。
低成本设备的原理基于透射X射线。与有引线元 器件不同,BGA不仅仅在元器件外围有焊点, 而且有无法通过通常的视觉技术检测的内部焊 点。较高成本的设备的原理基于X射线的断层合 成成像或分层成像。这两种类型的系统都可提 供有用的技术以探测和定位空洞。建议在发布产品前先对允收空洞的工艺进行鉴定。
三、空洞协议开发
在许多应用场合,工程团队会通过受控实验确定项目特性之后,建立可允 收的空洞协议。下图2表示了空洞协议的案例, 描述了各种连接盘图形下相比于其直径的空洞 大小变化。
对于过程中控制,使用>35%的面积作为具有>50% 的空洞直径阈值的标准。对于拒收-返工,使 用>45%的面积作为具有>65%空洞直径阈值的标 准。
使用X射线需要小心对敏感材料或元器件的过曝 辐射,因为不同X射线系统的辐射剂量变化范围 很广。对辐射敏感元器件,需要与元器件供应 商讨论关于辐射剂量的隐含要求,同时应当与x 射线设备供应商讨论在典型的X射线检测下所能 达到的剂量率。
尽管有许多描述数据提供了对空洞的识别,但 并不总是与连接点热循环寿命关联的显著因子有相关性。另外,目前还没有关于返工与热循 环之间关系的数据。
正常空洞的面积百分比是投影面积的15±10%。注:30%左右的空洞,需要制程警示,>50%的空洞 则需要进行返工。
以直径为0.20mm的空洞为例,下表列出了不同 焊球尺寸下的空洞百分比。当焊点尺寸减小时, 探测到的空洞直径百分比会增大;也就是说, 一个0.75mm的焊点上的27%,就会在一个0.3mm 的焊点上膨胀到67%。
缺陷的确定要根据产品可靠性要求。例如,如 果允许的最大空洞尺寸为焊球直径的31%,那么 就意味着所允许的空洞面积比为9%。这9%可以是一个空洞,也可以是许多空洞的总和。一些 新式X射线设备使用能汇总空洞面积的算法。X 射线断层合成成像目前所运用的算法不能够统 计空洞面积之和。
对于单个空洞,X射线断层合成成像可以识别比 预期尺寸大的空洞所引起的缺陷。
例:如果焊球尺寸 = 0.75mm,允许最大空洞尺 寸 = 30%焊球直径,允许的在焊球中心的最大空 洞尺寸计算如下:
当空洞并非位于焊球中央,而是在电路板或者 元器件连接盘附近时,焊球的剖面直径和最大 可允许空洞直径都会减少。
例:若位于连接盘的焊球直径大致与连接盘相 等,连接盘尺寸是焊球尺寸的75%(25%的减少 量),则:
四、空洞评估的抽样计划
由于业界关注空洞,本标准试图定义空洞基准线目标和工艺控制方法。大家都认同,丢弃好的产品或对已识 别此条件下的空洞对可靠性没有影响的产品进 行返工,是没有意的。
空洞发生的判据并不基于100%的检测,而是通过采用抽样计划来完成的。抽样计划条件等同于 IPC-6012并重复列出于下表中,应该注意的是 该表是基于C=0的抽样计划。这意味着,对于所 有IPC标准,当选中的样本中有一个超出上表所列的空洞尺寸特性时,需要对整批进行100% 的评估。
表2 C=0抽样⽅案(特定指数值的样本量*)
根据产品等级类别和顾客要求,适当的纠正措 施可能会有所不同,最终措施是拆除并替换受 到影响的元器件;但是,这些解决方案必须要 仔细评估,因为产品应当已经被设计为包括再 评估在内的允许维修程序。在主设计图上注明 一旦关于组装允许的空洞百分比协议被建立, 就应该从生产的产品中随机抽取样品,并评估与协议中规定的可接受条件的符合性。关于样 本数量的确定取决于所生产产品的数量,也应考虑作为特定组件一部分的BGA的数量。
用指数值2.5审视关于BGA组装和空洞发生的制 程能力时,是个不错的选择。水平A指数2.5可 用于评估消费类和电脑应用类的商业性产品, 也适用于电信设备。对于需要高性能长寿命、 要提供不间断服务(但不是致命的)以及允许 某些外观不良的2类产品,应使用指数1.5。
3级产品适用于高可靠性电子产品,包括商用和 军用产品,这类产品对于持续的性能或实时需 要的性能是关键的。这类设备的停机是不能允 许的,而且必须要在需要时发挥作用,如生命 维持设备或重要武器系统。包含有BGA的这种 印制板组件适用于需要高级别保证和关键服务 的场合;因此,该评估需要以指数1.0来抽样。
采用指数的目的是要定义接收概率,因为尽管 所有已检验的样品都满足所规定的空洞协议, 但从该指数表示的统计概率看,依然存在某些 产品可能不能满足已建立的标准。级别C指数为 1.0需要从125个组件生产批中抽取13个样品进行 检查。即便所有样品都满足了协议要求,该批 出现不合格产品的概率仍有1.0%,估计少于两个 组件有问题,这对很多应用来说是可接受的风 险。
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