BGA

　　概 要

　　使用无铅焊膏焊装印制板的许多设计工艺问题已有大量文章阐述。本文主要讨论是用二维(2D)及三维(3D)X射线系统检测BGA阵列封装器件焊点质量的相关问题。并对含铅及无铅合金焊膏焊点进行比较。

　　引 言

　　SMT组装业界对使用无铅合金焊膏焊装BGA阵列封装器件荫蔽焊点所产生的影响存在着许多疑虑。产生这些问题的原因是焊膏合金排除铅组分后，使得焊点的密度降低。63Sn/37Pb合金的密度约为8.41g/cc，而Sn/Ag/Cu无铅合金的密度仅7.39g/cc。两者密度之差高达12%。焊点密度减少12%会对荫蔽焊点的X射线检测将会造成多大影响这也是人们最普遍关心的问题。

　　实验准备

　　l 测试样板

　　本实验的测试样板使用生产线现有152×216mm×1.57mm印制板，双层FR-4，Ni/Au (ENIG)表面涂层。测试样板先前曾用于评价含铅与无铅合金焊膏性能测试。测试样板贴装器件，经再流焊后进一步检查有关不同类型焊点形成的信息。

　　图1 实验测试样板

　　l 实验选用的器件

　　实验选用的器件，PBGA196 (1.0mm), the µSMD (0.5mm),与24×LLP(LF)CSP三种不同形式封装器件，两块测试样板，其一使用无铅免清洗焊膏，CSP，PBGA 器件球引脚是Sn/Ag/Cu合金。其二使用含铅免清洗焊膏，选用器件的球引脚是锡铅合金。

　　实验过程

　　实验过程使用两种类型X射线检测系统完成对测试样板组件的检测，其一是常规二维X射线系统(2-D X-ray)，其二，三维X射线系统(3-D Xray)。不同的测试样板与器件实验测试的功率，电流，放大倍率，视场及拍摄图像帧幅数固定。也就是未经计算机图像处理(即对比度调整或其他图像增强措施)以获得原始图像信息。每种封装形式，拍摄图像，分析其灰度值，确定含铅与无铅合金焊点间的差别。

　　结果与讨论

　　l 三维X射线检测系统(3-D X-ray)

　　实验首先使用三维X射线检测系统(3-D X-ray)，采用手工模式操作采集数据。印制板安装在工作台，板上焊装的三个器件，使用完全相同的设置条件进行检测，取焊点中间部位截面拍摄X射线图像。

　　图2：X射线图像：a)无铅PBGA196;b)Sn/Pb PBGA196

　　图2所示无铅PBGA196，Sn/Pb PBGA196器件球引脚焊点的X射线图像，图3所示µSMD 与 LLP 器件引脚焊点的X射线图像。

　　图3 X射线图像：a)无铅µSMD / LLP b)Sn/PbµSMD / LLP

　　实验使用图像分析软件测量每一幅X射线图像的灰度级。灰度级值：225表示‘白色’，0表示‘黑’色。因空洞尺寸不同会导致该范围的密度变化，本实验检测焊点部位不取自焊点空洞所包含的范围，。PBGA196无铅焊点灰度级值约为130±5%，锡铅焊点灰度级值为115±5%。两者间的差别近似是12%，锡铅合金焊点密度大于无铅合金焊点。

　　图4 二维X射线图像：a)无铅焊膏转印层，b)锡铅焊膏转印层

　　图5二维X射线图像：a)无铅µSMD，b)锡铅µSMD

　　图6二维X射线图像：a)无铅LLP，b)锡铅LLP

　　无铅LLP与µSMD封装器件灰度级值为165±5%，锡铅LLP与µSMD封装器件灰度级值为155±5%。两者约有6%的差别。µSMD封装器件的锡铅与无铅焊点图像灰度级的差别几乎相当(无铅焊点73±5%，锡铅焊点为74±5%)。µSMD封装器件的锡铅与无铅焊点图像灰度级的差别约为10%左右(无铅焊点79±5%，锡铅焊点71±5%)

　　l 二维X射线检测系统(2-D X-ray)

　　实验过程使用X射线透射方法，对锡铅测试样板的各类封装器件设置测试参数，然而在检测无铅测试样板时保持相同条件。每种类型封装器件各自调整这些参数。从二维X射线检测系统上，使用图像分析软件读取灰度级值，测试结果得两者间灰度级值非常接近。图4所示为未进行再流焊的锡铅与无铅焊膏转印层的X射线图像，图像测试系统参数为55kV, 25µA ，256平均帧幅。

　　图7二维X射线图像：a)无铅PBGA196，b)锡铅PBGA196

　　图7所示PBGA196器件二维X射线图像。这些图像的X射线检测系统参数设置为85kV, 35µA，256平均帧幅。无铅与锡铅焊点X射线图像灰度级值的差别约为9%(无铅70±5%，锡铅64±5%)

　　根据上述X射线图像分析测试结果，可得出锡铅焊点与无铅焊点的重要结构特征均可由X射线件测图像清晰分辩。湿润性，空洞或其他特征也可使用X射线系统的相同设置观察。

　　无铅焊膏的密度低于锡铅焊膏，两者灰度级差约为35%。由于实际金属颗粒度的差别，加上合金密度的本征差别，产生这样大差别也是可能的。无铅焊膏接近4类焊膏，锡铅焊膏接近3类焊膏

　　表1 锡铅/无铅测试器件X射线图像灰度级值的差别

　　BGA, µSMD LLP器件的FOV(视场调整)三维X射线系统选择不同值，本实验仅针对无铅与锡铅焊点，此数据不作二维与三维X射线比较。

　　结 论

　　表1总括印制板组装互连各种封装形式器件的锡铅与无铅焊点的不同灰度级值比较。可见两者的灰度级差别为1% - 12%。测试结果显示运行的SMT生产线使用的锡铅合金焊膏与无铅合金焊膏的密度差值达12%。总之，µSMD LLP器件的无铅焊点与锡铅焊点X射线图像无明显差别，使

　　用相同系统设置条件，不存在困难可对图像进行分析，且可进一步精调实现对图像的优化。