TA的首页芯片级封装焊点完整性的内窥检查
来源:香港城市大学电子工程系】【作者:Y.C.Chan，C.W.Tang，P.L. Tu
http://www.smte.cn
摘要
本论文第一次报告内窥镜检查法应用于芯片级封装（CSP，如上的倒台装焊晶片FCF）焊点完整性的非破坏性检查。借用医疗仪器技术，内窥镜被用于可视化地检查一个器官的内部。现在ERSA和KURTZ已经发展和完善了这个概念，开发出ERSASCOPE检查系统并与成熟而友好的软件相结合，以便进行数据和图象分析。我们已经成功地应用这种内窥镜检查方法评估了CSP中焊点的完整性，例如冷焊点、离开高度测量、探查球焊点的内部排列。
由于这种新仪器最近才被采用，我们还将与ERSA和KURTZ#一起报告获得可达到的焊点完整性最佳检查的最新结果。通过分析我们EPA中心客户的各种CSP样品，我们已经见证了内窥镜检查法应用于CSP焊点的非破坏性检查时的巨大威力，发现这种方法在微型电子封装质量评价方面具有广泛的用途。我们也将就本检查方法应用于CSP给出一个中肯的评论。
导言
便携式电子工业的趋势是尽可能地薄、小、轻[1]。倒装焊晶片和μBGA这样的芯片级封装（CSP）是最先进的技术，已经在大量各种便携式电器上获得了普及。由于在这些高级的封装中，焊球的尺寸和间距非常小，任何组装缺陷（例如质量差的焊点）都将导致相当大的可靠性问题，一个焊点的故障就可能毁掉整个产品。
现今，为了确定焊点的完整性，X射线分层摄影法是普遍使用的检查方法之一。X光检查已经发展为在线和离线非破坏性隐蔽焊点（尤其是BGA、CSP以及倒装焊晶片元件[2-3]中的焊点）检查的最新水平。
曲线编号
峰值温（℃）
液相线上时（秒）
加热因子 Qη(℃)
振动寿命 N50%(小时)
焊高 （毫米）
Tupl-1
186
17
33
23.2
0.156
Tupl-2
191
36
205
100.5
0.151
Tupl-3
197
31
307
146.5
0.146
Tupl-4
203
49
682
180.8
0.141
Tupl-5
207
51
864
45.2
0.132
Tupl-6
212
100
2004
30.2
0.104
表1 回流焊曲线参数
在发现许多可能的缺陷（例如桥接、未对齐、孔穴）的同时，其他一些关键的缺陷更难探测到，例如过剩的助焊剂残渣、表面结构以及微小的裂缝。高质量的X光设备的巨大投资常常是许多小公司延期将这个有效的检查方法整合到其质量控制过程中的因素。
焊点的可视化检查是评估过程控制中的一个关键而必要的步骤。借用医疗仪器的技术，内窥镜被用于可视化地检查一个器官的内部。内窥镜检查法已经发展成为在难于进入的环境中进行可视化检查的一种技术[4-6]。ERSA和KURTZ已经发展并完善了这个概念，并开发出了ERSASCOPE检查系统，结合成熟而友好的软件，可进行数据和图象的分析。这种检查系统的成本只是一个X光系统成本的一小部分，但是通过观看BGA、FC和CSP，它却能提供隐蔽焊点隐蔽图象的横截面非破坏可视图象。
在本论文中，我们已经成功地使用这种内窥镜检查方法评估了CSP中的焊点的完整性，例如冷焊、离开高度测量以及探查球焊点内部排列。而且，我们讨论了在CSP和BGA元件下隐蔽焊点非破坏检查中内窥镜检查法的应用。
实验和结果
A 样品准备
使用CASIO YCM-5500V贴片机和BTU VIP-70N炉在氮气中，将 μBGA CSP46T.75（Sn/Pb共晶焊球，直径0.33mm，）放置并焊接到FR-4印刷电路板（PCB）上。使用6个温度曲线回流该组件。元件和PCB之间的时间分辨温度使用温度采集仪形机（Super M.O.L.E E31-900-45/10）测量。在液线温度测得的温度T（t）℃的积分用于逼近术语t× ΔT。这个积分取名叫“加热因子“Qη，它被看作是回流曲线的特征[7]。与回流曲线对应的加热因子、峰值温度、液相线上时间总结在表1中。该样品服从振动疲劳试验。一个56g重的钢质螺柱被粘结在每个μBGA封装的上面。用加速度为RMS（均方根）9.1g、频率为30Hz的正弦激励摇动器。振动循环一致持续到失效发生为止。振动寿命（N50%）与Qη的对应关系列于表1中。
B 离开高度测量
焊点疲劳寿命随着加热因子Qη的不同而不同。疲劳寿命的变化可归因于焊点中颗粒变粗以及金属互化物（IMC）的成长[7-8]。大家知道，在离开高度和加热因子Qη之间存在一定的关系。因此焊高是评估焊接质量的一个重要参数。内窥镜可以用ImageDoc图象处理和测量软件测量离开高度。系统进行光学校准之后，高度、宽度、半径以及角度等都可以很容易地测量到，精度为0.01mm。可以检查和测量用不同加热因子回流的CSP的焊高，如图2所示。测量到的离开高度列在表1中。离开高度与加热因子Qη的曲线如图3所示。随着加热因子Qη的递增，离开高度线性递减。而且，根据振动试验的结果，最佳的离开高度范围是从0.14到0.15mm。为了验证离开高度测量结果，我们进一步在组件上离开高度范围在0.035-0.045mm之间的一些倒装焊晶片上进行测量。首先我们用内窥镜进行测量，然后切开样品。通过使用Philips XL40扫描电子显微镜（SEM）直接从放大的图形（320X）上测量离开高度。SEM测量的结果是0.0365mm（5点测量的平均值）。从内窥镜测量到的离开高度是0.037mm。所以结果相互一致。
图2：不同曲线回流的CSP焊点
图3：离开高度和加热因子之间的关系
芯片图4：用内窥镜测量倒装焊晶片组件的离开高度
图5：使用SEM在放大的图象上测量倒装焊晶片组件的离开高度
图6：有缺陷的焊点
图7：CSP焊点未对准
图8：焊料球和焊盘之间的夹渣
图9：焊点的失效裂纹
C 焊点的完整性
早期失效的焊点的装配质量由内窥镜来检查。如图6所示，当加热因子Q太小时，也就是温度曲线tupl-1，焊接并不好，也就是浸润不充足。而且，对于早期失效的样品，在振动试验下在组件中有许多安装缺陷和不重合，如图7所示。此外，如图8所示，因为表面氧化或者缺少助焊剂，焊球和焊盘之间存在夹渣。
D 疲劳失效焊点的检查
对于在振动循环试验中失效的CSP焊点，失效机理可在内窥镜的帮助下通过观察失效焊点的表面来进行研究。图9显示了焊点断裂产生的一系列裂缝。也可通过在样品切面上使用扫描电子显微镜（SEM）来进行研究，如图10所示，但是这会消耗更多的时间。内窥镜检查的结果揭示出疲劳断裂发生在焊接内部，裂缝的传播大体与PCB焊盘平行。裂纹在锐角点焊料与PCB焊盘结合的地方开始。然后裂纹沿着金属间化合层（IMC）/主要的焊接界面传播。这种现象是由于应力在这一点集中造成的。可以看到，焊点的几何形状是由于焊接掩膜开口的宽度比PCB的小。在断裂点，随着金属互化物成长的增加，内部应变、晶粒间的缺陷以及结构不均性组件产生和增加。而且，因为成分浓度偏离共晶，结构强度变弱。
E 探查球焊点内部排列
内部球的检查将揭示出PCB或者元件是否翘曲。在内窥镜的帮助下，我们可以可视化地、方便地检查封装周边球的表面外观（也就是纹理、一致性、平整度、颜色和亮度）
以及表面异常（也就是焊剂残渣——图11）。类似地，我们可以使用内窥镜的变焦和对焦功能探查内部球，如图12所示。
图10：失效焊点的横截面
图11：有多余焊剂残渣的焊点
图12：焊点的CBGA内部排列检查
图13：裂纹的开始——振动疲劳（SEM显微照片）
结论
内窥镜系统是一种快速检查各类BGA、 MicroBGA以及倒装焊晶片元件的方法，它是台式的，该方法具有用户友好、安全、有成本效益等特点。
内窥镜系统可以测量CSP和倒装焊晶片封装的离开高度，精度为±0.01mm。离开高度是一个评估焊接质量的重要参数。我们的结果揭示出CSP组件的最佳的离开高度范围是从0.14到0.15mm，这个可以通过回流加热因子Qη来控制。而且，当比较由内窥镜测量到的倒装焊晶片组合的离开高度和由传统的SEM在样品切面上测量的离开高度时，其结果彼此接近。
另外，内窥镜系统可以为焊点的完整性提供一种可视化的、方便的检查方法，如焊接体积、焊接圆角和对准、表面外观、表面异常、焊料厚度、焊接桥接、微小裂纹以及多余的焊剂残渣。
致谢
C.W.Tang感谢香港城市大学所提供的研究奖学金。作者要答谢香港城市大学战略拨
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摘要
本论文第一次报告内窥镜检查法应用于芯片级封装（CSP，如上的倒台装焊晶片FCF）焊点完整性的非破坏性检查。借用医疗仪器技术，内窥镜被用于可视化地检查一个器官的内部。现在ERSA和KURTZ已经发展和完善了这个概念，开发出ERSASCOPE检查系统并与成熟而友好的软件相结合，以便进行数据和图象分析。我们已经成功地应用这种内窥镜检查方法评估了CSP中焊点的完整性，例如冷焊点、离开高度测量、探查球焊点的内部排列。
由于这种新仪器最近才被采用，我们还将与ERSA和KURTZ#一起报告获得可达到的焊点完整性最佳检查的最新结果。通过分析我们EPA中心客户的各种CSP样品，我们已经见证了内窥镜检查法应用于CSP焊点的非破坏性检查时的巨大威力，发现这种方法在微型电子封装质量评价方面具有广泛的用途。我们也将就本检查方法应用于CSP给出一个中肯的评论。
导言
便携式电子工业的趋势是尽可能地薄、小、轻[1]。倒装焊晶片和μBGA这样的芯片级封装（CSP）是最先进的技术，已经在大量各种便携式电器上获得了普及。由于在这些高级的封装中，焊球的尺寸和间距非常小，任何组装缺陷（例如质量差的焊点）都将导致相当大的可靠性问题，一个焊点的故障就可能毁掉整个产品。
现今，为了确定焊点的完整性，X射线分层摄影法是普遍使用的检查方法之一。X光检查已经发展为在线和离线非破坏性隐蔽焊点（尤其是BGA、CSP以及倒装焊晶片元件[2-3]中的焊点）检查的最新水平。
曲线编号
峰值温（℃）
液相线上时（秒）
加热因子 Qη(℃)
振动寿命 N50%(小时)
焊高 （毫米）
Tupl-1
186
17
33
23.2
0.156
Tupl-2
191
36
205
100.5
0.151
Tupl-3
197
31
307
146.5
0.146
Tupl-4
203
49
682
180.8
0.141
Tupl-5
207
51
864
45.2
0.132
Tupl-6
212
100
2004
30.2
0.104
表1 回流焊曲线参数
在发现许多可能的缺陷（例如桥接、未对齐、孔穴）的同时，其他一些关键的缺陷更难探测到，例如过剩的助焊剂残渣、表面结构以及微小的裂缝。高质量的X光设备的巨大投资常常是许多小公司延期将这个有效的检查方法整合到其质量控制过程中的因素。
焊点的可视化检查是评估过程控制中的一个关键而必要的步骤。借用医疗仪器的技术，内窥镜被用于可视化地检查一个器官的内部。内窥镜检查法已经发展成为在难于进入的环境中进行可视化检查的一种技术[4-6]。ERSA和KURTZ已经发展并完善了这个概念，并开发出了ERSASCOPE检查系统，结合成熟而友好的软件，可进行数据和图象的分析。这种检查系统的成本只是一个X光系统成本的一小部分，但是通过观看BGA、FC和CSP，它却能提供隐蔽焊点隐蔽图象的横截面非破坏可视图象。
在本论文中，我们已经成功地使用这种内窥镜检查方法评估了CSP中的焊点的完整性，例如冷焊、离开高度测量以及探查球焊点内部排列。而且，我们讨论了在CSP和BGA元件下隐蔽焊点非破坏检查中内窥镜检查法的应用。
实验和结果
A 样品准备
使用CASIO YCM-5500V贴片机和BTU VIP-70N炉在氮气中，将 μBGA CSP46T.75（Sn/Pb共晶焊球，直径0.33mm，）放置并焊接到FR-4印刷电路板（PCB）上。使用6个温度曲线回流该组件。元件和PCB之间的时间分辨温度使用温度采集仪形机（Super M.O.L.E E31-900-45/10）测量。在液线温度测得的温度T（t）℃的积分用于逼近术语t× ΔT。这个积分取名叫“加热因子“Qη，它被看作是回流曲线的特征[7]。与回流曲线对应的加热因子、峰值温度、液相线上时间总结在表1中。该样品服从振动疲劳试验。一个56g重的钢质螺柱被粘结在每个μBGA封装的上面。用加速度为RMS（均方根）9.1g、频率为30Hz的正弦激励摇动器。振动循环一致持续到失效发生为止。振动寿命（N50%）与Qη的对应关系列于表1中。
B 离开高度测量
焊点疲劳寿命随着加热因子Qη的不同而不同。疲劳寿命的变化可归因于焊点中颗粒变粗以及金属互化物（IMC）的成长[7-8]。大家知道，在离开高度和加热因子Qη之间存在一定的关系。因此焊高是评估焊接质量的一个重要参数。内窥镜可以用ImageDoc图象处理和测量软件测量离开高度。系统进行光学校准之后，高度、宽度、半径以及角度等都可以很容易地测量到，精度为0.01mm。可以检查和测量用不同加热因子回流的CSP的焊高，如图2所示。测量到的离开高度列在表1中。离开高度与加热因子Qη的曲线如图3所示。随着加热因子Qη的递增，离开高度线性递减。而且，根据振动试验的结果，最佳的离开高度范围是从0.14到0.15mm。为了验证离开高度测量结果，我们进一步在组件上离开高度范围在0.035-0.045mm之间的一些倒装焊晶片上进行测量。首先我们用内窥镜进行测量，然后切开样品。通过使用Philips XL40扫描电子显微镜（SEM）直接从放大的图形（320X）上测量离开高度。SEM测量的结果是0.0365mm（5点测量的平均值）。从内窥镜测量到的离开高度是0.037mm。所以结果相互一致。
图2：不同曲线回流的CSP焊点
图3：离开高度和加热因子之间的关系
芯片图4：用内窥镜测量倒装焊晶片组件的离开高度
图5：使用SEM在放大的图象上测量倒装焊晶片组件的离开高度
图6：有缺陷的焊点
图7：CSP焊点未对准
图8：焊料球和焊盘之间的夹渣
图9：焊点的失效裂纹
C 焊点的完整性
早期失效的焊点的装配质量由内窥镜来检查。如图6所示，当加热因子Q太小时，也就是温度曲线tupl-1，焊接并不好，也就是浸润不充足。而且，对于早期失效的样品，在振动试验下在组件中有许多安装缺陷和不重合，如图7所示。此外，如图8所示，因为表面氧化或者缺少助焊剂，焊球和焊盘之间存在夹渣。
D 疲劳失效焊点的检查
对于在振动循环试验中失效的CSP焊点，失效机理可在内窥镜的帮助下通过观察失效焊点的表面来进行研究。图9显示了焊点断裂产生的一系列裂缝。也可通过在样品切面上使用扫描电子显微镜（SEM）来进行研究，如图10所示，但是这会消耗更多的时间。内窥镜检查的结果揭示出疲劳断裂发生在焊接内部，裂缝的传播大体与PCB焊盘平行。裂纹在锐角点焊料与PCB焊盘结合的地方开始。然后裂纹沿着金属间化合层（IMC）/主要的焊接界面传播。这种现象是由于应力在这一点集中造成的。可以看到，焊点的几何形状是由于焊接掩膜开口的宽度比PCB的小。在断裂点，随着金属互化物成长的增加，内部应变、晶粒间的缺陷以及结构不均性组件产生和增加。而且，因为成分浓度偏离共晶，结构强度变弱。
E 探查球焊点内部排列
内部球的检查将揭示出PCB或者元件是否翘曲。在内窥镜的帮助下，我们可以可视化地、方便地检查封装周边球的表面外观（也就是纹理、一致性、平整度、颜色和亮度）
以及表面异常（也就是焊剂残渣——图11）。类似地，我们可以使用内窥镜的变焦和对焦功能探查内部球，如图12所示。
图10：失效焊点的横截面
图11：有多余焊剂残渣的焊点
图12：焊点的CBGA内部排列检查
图13：裂纹的开始——振动疲劳（SEM显微照片）
结论
内窥镜系统是一种快速检查各类BGA、 MicroBGA以及倒装焊晶片元件的方法，它是台式的，该方法具有用户友好、安全、有成本效益等特点。
内窥镜系统可以测量CSP和倒装焊晶片封装的离开高度，精度为±0.01mm。离开高度是一个评估焊接质量的重要参数。我们的结果揭示出CSP组件的最佳的离开高度范围是从0.14到0.15mm，这个可以通过回流加热因子Qη来控制。而且，当比较由内窥镜测量到的倒装焊晶片组合的离开高度和由传统的SEM在样品切面上测量的离开高度时，其结果彼此接近。
另外，内窥镜系统可以为焊点的完整性提供一种可视化的、方便的检查方法，如焊接体积、焊接圆角和对准、表面外观、表面异常、焊料厚度、焊接桥接、微小裂纹以及多余的焊剂残渣。
致谢
C.W.Tang感谢香港城市大学所提供的研究奖学金。作者要答谢香港城市大学战略拨
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