BGA 封装电路焊球外观异常解决方案研究

丁鹏飞，王恒彬，王建超

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

球栅阵列（BGA）封装技术为高密度表面装配封装技术。BGA 封装底部的引脚都为球状并排列成一个类似于格子的图案，因此该封装形式被命名为BGA封装。测试插座也称测试夹具或者IC 插座，是指可以放入多引脚集成电路并且可以被安装在集成电路测试板上的插座[1]。

BGA 封装作为主流封装形式之一，避免其在集成电路测试过程中出现封装外观异常对保证产品质量非常重要。BGA 封装的特点之一是使用焊锡作为引线。这些引线在芯片底部是呈现球状排列的，因此被称为焊锡球或焊球。由于BGA 封装的球状引线数量多、间距小，并且焊球的强度相对较差，因此在测试过程中，需要保证良好的电接触，同时也要尽可能减小对焊球的损伤[2]。

BGA 封装测试插座的接触件多采用弹簧针式结构。弹簧针本身能够在一定程度上保护BGA 封装电路的焊球，但是弹簧针式结构不可避免地会在球体上产生较大压痕，因此，研究如何解决测试插座对BGA封装电路焊球外观造成损坏的问题，具有重要的意义[3]。通过分析传统的测试插座结构，设计并优化一种用于BGA 封装的测试插座，并通过实验验证，提出一种解决BGA 封装电路焊球在测试中出现外观异常的方案。

2 BGA 测试插座结构优化

以一款包含77 个引脚的BGA 封装电路作为研究对象，该电路是一款单通道电流为4 A 的四通道降压型DC-DC 电源模块，其工作电压为4～14 V，采用BGA 塑封结构。测试插座的结构为翻盖式结构，其主要由锁紧机构、接触件、盖板、弹簧等零件组成。将封装电路放入插座后即可实现电路与接触件的可靠接触，翻盖式插座结构如图1 所示。

图1 翻盖式插座结构

将优化前和优化后的插座分别称为插座A 和插座B，插座A、B 与BGA 封装电路焊球的接触部位不同。插座A 的接触件采用弹簧针式结构，弹簧针与焊球紧密接触，图2 为弹簧针与BGA 焊球接触示意图。插座B 放弃弹簧针式接触件结构，改为无针式接触件结构，采用导电胶与BGA 焊球接触，提高了焊球与接触件的接触面积，避免了弹簧针对焊球外观产生异常影响。导电胶接触件的外观结构如图3 所示，其中每个焊球的中心部分为导电胶，球体与导电胶直接接触，焊球中心部分和边缘之间设置一圈环形绝缘材料，避免因导电胶与其他部分直接接触而产生短路的风险[4]。

图2 弹簧针与BGA 焊球接触示意图

图3 导电胶接触件的外观结构

3 BGA 测试插座测试方案

弹簧针式测试插座虽然被广泛使用，但在使用过程中不可避免地会对BGA 封装电路的焊球外观造成异常影响。特定的使用条件（在超低温和超高温下）或者特定的使用目的（作为宇航产品使用）对经过测试的BGA 封装电路的完整性有较高要求，在测试中产生的微小外观异常会增加产品的使用风险，因此需要对测试过程中出现的BGA 封装电路焊球外观异常进行优化解决[5]。在实际测试中，温度、工作电压通常被认为是影响电路测试结果的两大因素，因此选择温度、工作电压作为测试方案的主要影响因子，探究除了插座的材料与结构外，这两种因素是否会对BGA封装焊球的外观产生影响，在保证其他因素不变的情况下改变一种影响因子，观察并分析2 种BGA 封装电路焊球外观的变化情况[6]。

3.1 不同温度下BGA 封装电路焊球外观变化

军品级集成电路一般在－55～125 ℃的温度下工作，选择－55 ℃、25 ℃、125 ℃3 种温度作为影响因子，为确保其他变量不变，在此条件下仅对电路进行接触测试[7]。具体操作如下：

1）挑选6 颗BGA 封装电路在显微镜下进行观察并拍照，确保6 颗电路的焊球外观无明显异常，6 颗电路分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6；

2）在－55 ℃、25 ℃、125 ℃的温度下，分别把T1、T2、T3放入插座A 进行测试，应保证电路在各温度下静置1 min 后再开始测试，以符合实际生产中测试电路的状态；

3）在－55 ℃、25 ℃、125 ℃的温度下，分别把T4、T5、T6放入插座B 进行测试，应保证电路在各温度下静置1 min 后再开始测试，以符合实际生产中测试电路的状态；

4）在显微镜下观察测试后T1、T2、T3、T4、T5、T6的焊球并对外观拍照；

5）分析测试前后各电路焊球的外观差异。

3.2 不同工作电压下BGA 封装电路焊球外观变化

选择4 V、9 V、14 V 3 种工作电压进行测试，为确保其他变量不变，在25 ℃的环境温度下进行测试，具体操作如下：

1）挑选6 颗BGA 封装电路在显微镜下进行观察并拍照，确保6 颗电路的焊球外观无明显异常，6 颗电路分别为C1、C2、C3、C4、C5、C6；

2）分别把C1、C2、C3放入插座A，在4 V、9 V、14 V的工作电压下进行测试，应保证电路在常温下静置1 min 后开始测试，以符合实际生产中测试电路的状态；

3）分别把C4、C5、C6放入插座B，在4 V、9 V、14 V的工作电压下进行测试，应保证电路在常温下静置1 min 后开始测试，以符合实际生产中测试电路的状态；

4）在显微镜下观察电路C1、C2、C3、C4、C5、C6的焊球并对外观拍照；

5）分析测试前后各电路焊球的外观差异。

4 实验结果与分析

4.1 不同温度下的实验结果

在－55 ℃、25 ℃、125 ℃3 个温度下使用插座A 和插座B 进行实验，测试后使用显微镜对各电路焊球外观进行拍照。－55 ℃下采用插座A、B 测试后的BGA封装电路焊球外观如图4 所示，25 ℃下采用插座A、B测试后的BGA 封装电路焊球外观如图5 所示，125 ℃下采用插座A、B 测试后的BGA 封装电路焊球外观如图6 所示。从图4（a）、5（a）、6（a）可以看出，3 种温度下使用插座A 测试后电路焊球外观出现了明显的凹形坑体，在77 个焊球上均有分布。从图4（b）、5（b）、6（b）可以看出，使用插座B 测试后电路焊球外观无明显坑体，表面光滑，这说明插座B 对焊球外观无显著影响。25 ℃下采用插座A、B 测试后的电路单个焊球外观如图7 所示，从图7（a）可以看出，凹形坑体主要分布在焊球上方，呈圆圈状分布，坑体较深。综上所述，在不同温度下采用相同插座进行测试，电路焊球的外观无明显差别，因此，在温度为－55～125 ℃时，在电路测试中温度变化不会对电路焊球的外观产生影响。

图4 －55 ℃下采用插座A、B 测试后的BGA 封装电路焊球外观

图5 25 ℃下采用插座A、B 测试后的BGA封装电路焊球外观

图6 125 ℃下采用插座A、B 测试后的BGA封装电路焊球外观

图7 25 ℃下采用插座A、B 测试后的电路单个焊球外观

4.2 不同工作电压下的实验结果

在4 V、9 V、14 V 的工作电压下使用插座A 和插座B 进行实验，测试后使用显微镜对各电路焊球外观进行拍照。4 V 电压下采用插座A、B 测试后的BGA封装电路焊球外观如图8 所示，9 V 电压下采用插座A、B 测试后的BGA 封装电路焊球外观如图9 所示，14 V 电压下采用插座A、B 测试后的BGA 封装电路焊球外观如图10 所示。从图8（a）、9（a）、10（a）可以看出，3 种工作电压下使用插座A 测试后电路焊球外观出现了明显的凹形坑体，在77 个焊球上均有分布。从图8（b）、9（b）、10（b）可以看出，使用插座B 测试后电路焊球表面无明显坑体和明显压痕，这说明插座B 对焊球外观无明显影响。9 V 电压下采用插座A、B 测试后的单个焊球外观如图11 所示，从图11（a）可以看出，坑体主要分布在焊球上方，呈圆圈状分布，坑体较深。在不同工作电压下采用相同插座进行测试，电路焊球的外观无明显差别。综上所述，当工作电压为4～14 V 时，在电路测试中工作电压的变化不会对电路焊球的外观产生影响。

图8 4 V 电压下采用插座A、B 测试后的BGA 封装电路焊球外观

图9 9 V 电压下采用插座A、B 测试后的BGA 封装电路焊球外观

图10 14 V 电压下采用插座A、B 测试后的BGA 封装电路焊球外观

图11 9 V 电压下采用插座A、B 测试后电路的单个焊球外观

4.3 实验结果分析

在不同温度和工作电压下采用2 种插座进行BGA 封装焊球外观实验，实验结果证明优化后的无针式插座对BGA 封装电路焊球外观的影响较小，而接触件为弹簧针式结构的传统常用插座对BGA 封装电路焊球外观的影响较大。采用弹簧针式结构的传统常用插座测试后电路焊球上出现的压痕较大，坑体较深。由测试插座造成的外观缺陷会降低电路的可靠性，缩短电路的使用寿命，还会进一步诱发电路焊球产生裂纹，影响电路的电性能，并降低其抗振动性能。优化后的无针式插座可以大幅降低对电路焊球外观的异常影响，从而降低电路后续使用风险。

5 结论

在BGA 封装电路测试过程中，常用的弹簧针式测试插座容易对BGA 封装的焊球外观造成损伤，因此对弹簧针式测试插座进行优化，从优化测试插座接触件的角度设计出无针插座。在不同温度和工作电压下采用2 种插座对BGA 封装的焊球进行外观影响实验。实验结果表明，无针插座能够明显减少对BGA 封装焊球外观的损伤，且在不同温度和工作电压下对焊球外观都无明显影响，有效保证了测试后的产品质量。实验中仅选取了－55～125 ℃的温度范围和4～14 V的工作电压范围作为可能影响BGA 封装焊球外观的因素，后期将在此研究基础上增加其他影响因素，探究无针式测试插座对测试BGA 封装焊球外观的影响。