BGA和CCGA形位尺寸测试方法研究*

2012-09-19杨轶博丁荣峥明雪飞

电子与封装 2012年10期

杨轶博，丁荣峥，明雪飞，陈波

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

BGA和CCGA已广泛用于集成电路的封装。随着BGA和CCGA外引出端数的增加，封装密度增大，引出端节距缩小，电路组装难度增加，为保证表面贴装质量和可靠性，对BGA和CCGA的形位公差[1,2]提出了更高的要求。形位公差来源于多方面误差的累积：外壳或基板焊盘本身公差、印刷网板公差和印刷、回流焊接工艺等引入的误差。

对于塑封有机基板还存在高温和应力等产生翘曲的问题[3]，基板设计以及生产过程中需对工艺、环境和设备等因素加以全面控制，方可减少电路因翘曲产生的装配质量问题。

BGA和CCGA焊球焊柱的线性度、平面位置度和塑封基板翘曲度，已有标准明确规定其设计规范与检验合格判据。常用标准有多行业广泛适用的GB/T 1182-1996《形状和位置公差通则、定义、符号和图样表示法》，也包括专门针对电子连接和电子封装行业的EIAJ ED-7304《Measuring Method for Package Dimensions of Ball Grid Array (BGA)》、JEDEC《Ball-Grid-Array Package Design Guide》及IPC-TM-650《Test Method Manual》。

机械行业中，常用的形位测试方法主要有三坐标法、投影法等，但针对BGA和CCGA封装焊球、焊柱的位置度和线性度测试国内鲜有文献报道。

激光显微镜测量技术是一种快速简便、高精度的测量方法，适合于生产和科研中的在线检测和离线检验。在BGA/CCGA焊球/焊柱形位尺寸测量前，利用激光显微镜可获得精确的焊球、焊柱和基板特殊点（最高点和最低点）坐标，为准确测量和计算形位尺寸提供可靠数据。本文主要讨论激光测量显微镜结合Auto CAD绘图软件来确定焊球/焊柱线性度、平面位置度和塑封有机基板翘曲度的方法。

2 平面位置度测量

焊球、焊柱的平面位置度[1]是指，焊球球心和焊柱轴线在基板平面的投影与位置度基准之间的实际距离。位置度基准是封装设计图纸（如Auto CAD图纸）中每个焊盘的中心点。由于焊球球心投影和焊柱轴线投影难以直接测量获取，因此在实际操作中分别以焊球上方顶点和焊柱顶端面圆心在基板平面的投影等效近似。

测量设备选用激光测量显微镜。将电路的焊球或焊柱朝上置于显微镜载物台上，电路测量所选原点与设计图纸中的原点一致（本文选择基板一角顶点作为原点），将机器调至自动对焦模式，自动抓取每一焊球或焊柱顶端中心，并记录下其X-Y平面坐标，即焊球上方顶点和焊柱顶端圆心在基板平面的投影坐标。

将测量坐标导入设计图纸，测量点以黑点表示，基准点以“＋”表示，平面位置度判据eee由焊盘节距e确定[4,5]，参见表1，以判据eee为半径画虚线圆。某一黑点与临近“＋”的距离即为实际电路中该焊球/焊柱的位置度。当它小于虚线圆半径，即黑点位于虚线圆内时，则判定该焊球或焊柱位置度合格，所有焊球或焊柱均如此，则判定该电路焊球或焊柱平面位置度合格。如图1所示。

表1 不同节距e对应的平面位置度判据eee

3 线性度测量

焊球或焊柱线性度是指焊球球心或焊柱轴线在基板平面的投影到线性度基准线的垂直距离，参见图2。线性度基准线定义如下：将实际电路焊球/焊柱顶端中心X-Y平面坐标（分别近似替代焊球球心投影/焊柱轴线投影坐标）导入Auto CAD，并画出焊球/焊柱投影（以圆表示）。任意选取最靠近基板长边和宽边的一行和一列焊球/焊柱投影，过长度方向上的每一焊球/焊柱顶端中心投影点，画平行于宽边的直线，过宽度方向上每一焊球/焊柱顶端中心投影点画平行于长边的直线。这些正交的直线就称为焊球/焊柱平面线性度基准。

图1 焊球/焊柱平面位置度示意图

与平面位置度测量相同，焊球中心或焊柱轴线投影点以焊球或焊柱顶端中心点X-Y平面坐标代替，并采用相同的测量仪器和方法获取实际电路的焊球或焊柱顶端中心点X-Y平面坐标。与平面位置度测量不同的是，所选用的线性度基准线由电路实测坐标确定。

将电路焊球/焊柱顶端中心点的X-Y平面坐标导入设计图纸，如图2所示，以黑点表示。

图2 焊球/焊柱线性度示意图

同时以黑色实线圆表示焊球/焊柱的投影，并以粗点划线表示线性度基准。一条粗点划线与上下左右四条细虚线均相距fff，它们正交围成的虚线正方形区域边长为2fff。焊球或焊柱顶端中心点（黑点）到线性度基准（细虚线）的垂直距离即为焊球或焊柱线性度。当黑点处于边长为2fff的虚线正方形区域内，则判定该焊球或焊柱线性度合格，所有焊球或焊柱均如此，则判定该电路焊球或焊柱线性度合格。线性度判据fff由焊盘节距e确定[4,5]，如表2所示。

表2 不同节距e对应的线性度判据fff

4 翘曲率测量

PBGA基板的翘曲分为弓曲和扭曲[3,6]两种。将基板自由放置于平台上不施加任何外力，当基板四角均与平台接触或三个角与平台接触，对另一角施加压力亦可使之接触平台时，定义基板处于弓曲状态。同样地，将基板自由放置于平台上不施加任何外力，基板三个角接触到平台，另一角翘起；或只有两个角接触平台，另两个角翘起，定义基板处于扭曲状态。常见的弓曲和扭曲如图3、图4所示[6]。

图3 典型弓曲外形示意图

图4 典型扭曲外形示意图

PBGA基板翘曲度的测量在植球前进行。植球时的高温回流过程可能使基板翘曲度增大，引入焊球共面性的测量能够为电路装配（与PCB板的二次组装焊接）提供足够的参考依据，通过植球后不再进行翘曲度测量。

基板翘曲度也采用激光显微镜测量，测量前先将基板放置于平整台面上，观察外形以确定翘曲形式为弓曲或扭曲，再进行测量。

4.1 弓曲率

测量程序如下：

（1）将PBGA基板凸面朝上平放于显微镜的载物平台上，基板处于自由状态下。

（2）观察基板四个角是否都接触平台。如果不是，使用两个重量适当的砝码（或用手指按压），压住未接触平台的角以及它的对角。

（3）用显微镜扫描整个基板面，自动获得基板最高和最低点Z方向坐标，两坐标之差为弓曲度RL。

（4）在基板凸面上方放置一砝码使基板底部紧贴台面，测量基板与平台垂直距离最大的那条边完全接触平台面时的长度L。

（5）利用公式“弓曲率＝RL/L”计算塑封基板的弓曲率。

4.2 扭曲率

分两种情况采用两种方式测量和计算：

（1）某一面放置时，基板三个角接触到平台，一个角翘起。

（a）将PBGA基板在自由状态下平放于显微镜的载物台上，保持三角接触平台，一角翘起。

（b）使用显微镜自动扫描，直接测量基板最高和最低点Z方向坐标，两坐标之差为扭曲度R。

（c）用适当重量和尺寸的砝码压住整个样品，使样品对角线充分接触平台，测量此对角线的实际长度D。

（d）利用公式“扭曲率＝R/D”计算塑封基板的扭曲率。

（2）某一面放置时，只有两个角接触到平台。

（a）将PBGA基板在自由状态下平放于显微镜的载物台上。

（b）用适当重量的砝码压住不接触平台的两个角中的一个，使三个角接触平台，使用显微镜自动扫描，直接测量基板最高和最低点Z方向坐标，两坐标之差为扭曲度R。

（c）用适当重量和尺寸的砝码压住整个样品，使样品对角线充分接触平台，测量此时对角线的实际长度D。

（d）利用公式“扭曲率＝R/2D”计算塑封基板的扭曲率。

4.3 翘曲率判据标准

关于PBGA翘曲度，业内并无明确标准。IPC-A-600H中规定，采用表面贴装元器件的印制板，弓曲和扭曲应当小于等于0.75%（≤7.5μm/mm）。还有些PCB厂要求覆铜板翘曲度小于0.5%（＜5μm/mm）甚至0.4%（＜4μm/mm）。相比于PCB板，PBGA基板不承重，且工艺水平可以严格控制其翘曲度，因此可将0.4%作为塑封基板翘曲率的合格判据标准。此外，如客户有更为严格的要求，可与其协商，共同制定双方均能接受的翘曲率标准。