CN105424752A - Bga芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法，包括：将BGA芯片固定在三维移动平台上；将红外热像仪固定在与三维移动平台的z轴相连的支撑架上；采用入射角度可调的支架固定激光器；使激光器的激光束斑对准BGA芯片的基底上的待测焊盘进行预热；对待测焊盘进行加热；若温升最高为55℃±3℃，则判断为合格焊点；若温升最高在25℃±3℃，则判断为虚焊、气孔、裂纹、缺球缺陷；若温升最高在40℃±3℃，则判断为桥连；调整三维移动平台的x轴或y轴，使得激光器的激光束斑对准BGA芯片的基底上的下一个待测焊盘。本发明采用较小的激光束斑直径进行逐点扫描测温的检测方法，具有无损、缺陷辨识度高、判断直观简洁特点。
Description
技术领域
本发明涉及芯片焊点缺陷的检测方法技术领域，尤其是一种BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法。
背景技术
球栅阵列(BGA)适应了电子产品便携式及小型化方向发展的趋势，成为目前电子封装技术的主流。然而，由于BGA芯片焊点都隐藏在器件体下，焊点缺陷的检测和失效分析都比较困难。焊点由于外部环境或者本身焊接问题引发的不良统称为焊点失效，包括焊接过程中出现的焊接偏位、桥连以及内部的气孔、虚焊、裂纹等缺陷。研究表明，电子器件失效70%以上是由于封装及组装失效引起的，因此电子设备的可靠性常归根于焊点的可靠性。
常用的非破坏性焊点缺陷的检测方法主要有：光学视觉检测、扫描超声显微镜检测和X射线透射检测。其中，光学视觉检测主要通过光学显微镜、立体显微镜或金相显微镜检查PCB外观，寻找失效部位及相关物证，主要用来检测倒装芯片焊接前的工艺缺陷，可以实时在线检测焊点缺陷和共面性，但不适用于焊接后隐藏的焊点缺陷检测；扫描超声显微镜检测分辨率与超声频率相关，频率越高，精度越高，而高频往往意味着穿透深度大大减小，而且对缺陷进行定性、定量判断尚存在困难，最主要不足是检测需要耦合介质，通常是去离子水；X射线检测设备比较昂贵，检测时间长，效率低，X射线会损坏被测样品，对虚焊裂纹情况无法检出，并且对人体是有害的，需要操作者具有较强经验。
综上所述，现有的检测技术无法满足实际生产的需要，因此研发一种可靠的BGA芯片焊点缺陷的检测方法具有重大现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有无损、缺陷辨识度高、判断直观简洁、适用检测范围广的BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）采用载物支架将BGA芯片固定在三维移动平台上，使BGA芯片水平放置；
（2）将红外热像仪固定在与三维移动平台的z轴相连的支撑架上，使红外热像仪位于BGA芯片的芯片所在一侧，在z方向上移动调焦、定位，保证被测BGA芯片的焊球区域在视野范围内；
（3）采用入射角度可调的支架固定激光器，使激光器位于BGA芯片的基底所在一侧；
（4）使激光器的激光束斑对准BGA芯片的基底上的待测焊盘进行预热，直至在PC机上观察到热像图；
（5）调整激光器的加热功率和脉冲时间，对经过预热的待测焊盘进行加热，红外热像仪实时检测BGA芯片焊球区域的温升过程，同时拍摄温升最高点的热像图并发送至PC机；
（6）PC机对接收到的数据进行处理，得到温升曲线和热像图，在激光器的加热功率和脉冲时间不变的情况下，若温升最高为55℃±3℃，则判断为合格焊点；若温升最高在25℃±3℃，则判断为虚焊、气孔、裂纹、缺球缺陷；若温升最高在40℃±3℃，则判断为桥连；
（7）调整三维移动平台的x轴或y轴，使得激光器的激光束斑对准BGA芯片的基底上的下一个待测焊盘，返回步骤（4）。
当温升曲线接近时，根据热像图热点区的不同来判别缺陷：在缺球，大裂纹，大气孔情况下，热传导路径被截断或接近截断时，红外热像仪所摄取的芯片相应位置基本无温升现象；当被测焊点有明显桥连时，红外热像仪所摄取的BGA芯片相应位置会有两个或多个温升区。
所述三维移动平台的x轴或y轴的行程为300mm，步距为1mm；三维移动平台的z轴的行程为60mm，步距为0.5mm。
所述红外热像仪的空间分辨率高于50μm，红外热像仪的成像速率大于等于50Hz，红外热像仪的热灵敏度在0.1K以下。
所述激光器采用中心波长位于1μm以下近红外波段的半导体激光器，所述激光器进行预热时，其加热功率为1W，脉冲时间为0.2s；所述激光器进行加热时，其加热功率在1～5w可调，脉冲时间为0.2～2s可调，激光器的激光束斑直径小于待测焊盘的直径，且为0.2～2mm可调。
由上述技术方案可知，本发明的优点如下：第一，本发明可以对焊接后隐藏的焊点缺陷进行检测，适用于倒装芯片特别是BGA芯片焊点缺陷的检测；第二，本发明可以通过比较温升曲线判断缺球、虚焊、裂纹、气孔等缺陷，无需耦合介质；第三，本发明采用较小的激光束斑直径进行逐点扫描测温的检测方法，具有无损、缺陷辨识度高、判断直观简洁特点。
附图说明
图1为本发明的检测示意图；
图2为合格焊点的检测示意图；
图3为合格焊点的温升曲线；
图4为缺球、虚焊、裂纹、气孔等有缺陷的焊点检测示意图；
图5为缺球、虚焊、裂纹、气孔有缺陷焊点的温升曲线；
图6为桥连缺陷的检测示意图；
图7为桥连缺陷焊点的温升曲线；
图8为同类合格、存在缺球、虚焊、裂纹、气孔等焊球缺陷、桥连焊点三者的温升曲线对比图；
图9为合格焊点的热成像图；
图10为缺球、大裂纹等缺陷焊点的热成像图；
图11为桥连焊点的热成像图。
具体实施方式
如图1、8所示，一种BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）采用载物支架将BGA芯片10固定在三维移动平台上，使BGA芯片10水平放置；
（2）将红外热像仪30固定在与三维移动平台的z轴相连的支撑架上，使红外热像仪30位于BGA芯片10的芯片14所在一侧，在z方向上移动调焦、定位，保证被测BGA芯片10的焊球13区域在视野范围内；
（3）采用入射角度可调的支架固定激光器20，使激光器20位于BGA芯片10的基底11所在一侧；
（4）使激光器20的激光束斑对准BGA芯片10的基底11上的待测焊盘12进行预热，直至在PC机上观察到热像图；
（5）调整激光器20的加热功率和脉冲时间，对经过预热的待测焊盘12进行加热，红外热像仪30实时检测BGA芯片10焊球13区域的温升过程，同时拍摄温升最高点的热像图并发送至PC机；
（6）PC机对接收到的数据进行处理，得到温升曲线和热像图，在激光器20的加热功率和脉冲时间不变的情况下，若温升最高为55℃±3℃，则判断为合格焊点，如图2、3所示；若温升最高在25℃±3℃，则判断为虚焊、气孔、裂纹、缺球缺陷，如图4、5所示；若温升最高在40℃±3℃，则判断为桥连，如图6、7所示；
（7）调整三维移动平台的x轴或y轴，使得激光器20的激光束斑对准BGA芯片10的基底11上的下一个待测焊盘12，返回步骤（4）。
所述温升曲线是加热响应区的温升曲线，也就是激光加热焊盘12，热传导到芯片14一侧，由红外热像仪30检测所对应的芯片14区域的温升曲线，所以称为芯片加热响应区温升曲线，简称温升曲线。
所述BGA芯片10包括基底11、焊球13和芯片14，基底11上焊接铜焊盘15，焊盘12、铜布线15、焊球13三者焊接在一起，焊球13的下表面焊接在芯片14上。当温升曲线接近时，根据热像图热点区的不同来判别缺陷：在缺球，大裂纹，大气孔情况下，热传导路径被截断或接近截断时，红外热像仪30所摄取的芯片14相应位置基本无温升现象；当被测焊点有明显桥连时，红外热像仪30所摄取的BGA芯片10相应位置会有两个或多个温升区。
所述三维移动平台的x轴或y轴的行程为300mm，步距为1mm；三维移动平台的z轴的行程为60mm，步距为0.5mm。所述红外热像仪30的空间分辨率高于50μm，红外热像仪30的成像速率大于等于50Hz，红外热像仪30的热灵敏度在0.1K以下。所述激光器20采用中心波长位于1μm以下近红外波段的半导体激光器20，所述激光器20进行预热时，其加热功率为1W，脉冲时间为0.2s；所述激光器20进行加热时，其加热功率在1～5w可调，脉冲时间为0.2～2s可调，激光器20的激光束斑直径小于待测焊盘12的直径，且为0.2～2mm可调。
以下结合图1至11对本发明作进一步的说明。
红外热像仪30是红外热成像系统的核心部件，它集红外光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理单元于一体，并配带有输出显示屏幕，可以实时检测BGA芯片10焊球13区域的温升过程，同时观察和拍摄温升最高点的热像图，并将实时检测数据传输至PC机，PC经处理后得到温升曲线，并在PC机上显示热像图。为了对焊球13进行有效识别和检测，红外热像仪30空间分辨率应高于50μm；为了获取焊球13缺陷对热传导的影响，记录对应焊球13表面温度变化情况，需要红外热像仪30成像速率（帧频）不小于50Hz；红外热像仪30的热灵敏度应在0.1K以下。
首先采用很小的加热功率及脉冲时间对该焊盘12进行预热，以便调整激光入射角度，可垂直入射也可倾斜入射，使得激光束斑对准BGA芯片10基底11的一个待测焊盘12。激光加热是主动红外无损检测中重要的热激励手段之一，为了提高加热效率，应选择中心波长位于1μm以下近红外波段的半导体激光器20；为了避免基底11或芯片14受到损伤，加热功率在1～5w可调，脉冲时间0.2～2s可调；为提高测量精度，激光束斑直径要略小于被测焊盘12的直径，0.2～2mm可调。
红外热像仪30与激光器20调整好之后位置固定，调整激光加热功率及脉冲时间对BGA芯片10基底11的一个待测焊盘12进行加热，红外热像仪30实时检测芯片14焊球13区域的温升过程，同时观察和拍摄温升最高点的热像图。由于被测物中有缺陷部分和无缺陷部分的热物理性质不同，根据热传导理论，将产生热流的不均匀，从而造成被测物中有缺陷区域与无缺陷区域各自对应的表面温度的幅值和相位不同，于是可以判定是否存在缺陷。
一般情况下，采用温升曲线作为是否存在缺陷的判据：鉴于激光功率脉宽的精密可控及器件本身的一致性，即给定的热量是一致的，同时热传导路径热阻也是一致的，那么同类焊盘12处所得到的温升曲线必定是极为接近相吻合的，假设最高温度为55℃，见图2、图3；对于缺球、虚焊、气孔、裂纹、等缺陷，由于热传导路线上有不同程度的阻碍，其影响也会反映到其温升曲线上，由于传导到芯片14上的热量将减少甚至没有，因此红外热像仪30所测温升曲线上明显低于合格焊点的温升曲线，最高温度可能只有25℃，见图4、图5；对于桥连缺陷，由于热传导路线的拓宽、分流，在芯片14一侧红外热像仪30所检测到的温升曲线低于合格焊点，但高于虚焊、气孔、裂纹、缺球等缺陷，其最高温度可能为40℃，见图6、图7。因此，在同一情况下，焊点的温升最高为55℃±3℃即可判别为合格焊点；若温升最高在25℃±3℃，即可判别为虚焊、气孔、裂纹、缺球等缺陷；若温升最高在40℃±3℃，即可判别为桥连，见图8。
当温升曲线接近时，可以根据热像图热点区的不同来判别缺陷：当缺陷严重时，如缺球，大裂纹，大气孔，严重桥连等情况，通过红外热像仪30的热像图对比即可轻易判断出。图9为合格焊点的热成像图；比如：在缺球，大裂纹，大气孔情况下，热传导路径被截断或接近截断时，红外热像仪30所摄取的芯片14相应位置基本无温升现象如图10；当被测焊点有明显桥连时，红外热像仪30所摄取的芯片14相应位置会有两个或多个温升区，因此在缺陷严重时，只需将两热图相对比便可获得直观的判断结果如图11。
综上所述，本发明在BGA芯片10一侧设置一个红外热像仪30，红外激光器20置于基底11一侧，通过调整芯片14位置对焊点进行逐点扫描检测，检测过程中，将红外激光束对准BGA芯片10基底11的一个待测焊盘12，调整好功率和脉宽参数，对其进行加热，焊盘12温度迅速升高，通过基底11铜布线15将热量传递到焊球13直至芯片14表面，红外热像仪30实时检测与该焊盘12相连的芯片14焊球13区域的温升过程，同时观察和拍摄温升最高点的热像图，根据温升曲线来判断BGA芯片10焊点缺陷。
Claims (5)
1.一种BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）采用载物支架将BGA芯片固定在三维移动平台上，使BGA芯片水平放置；
（2）将红外热像仪固定在与三维移动平台的z轴相连的支撑架上，使红外热像仪位于BGA芯片的芯片所在一侧，在z方向上移动调焦、定位，保证被测BGA芯片的焊球区域在视野范围内；
（3）采用入射角度可调的支架固定激光器，使激光器位于BGA芯片的基底所在一侧；
（4）使激光器的激光束斑对准BGA芯片的基底上的待测焊盘进行预热，直至在PC机上观察到热像图；
（5）调整激光器的加热功率和脉冲时间，对经过预热的待测焊盘进行加热，红外热像仪实时检测BGA芯片焊球区域的温升过程，同时拍摄温升最高点的热像图并发送至PC机；
（6）PC机对接收到的数据进行处理，得到温升曲线和热像图，在激光器的加热功率和脉冲时间不变的情况下，若温升最高为55℃±3℃，则判断为合格焊点；若温升最高在25℃±3℃，则判断为虚焊、气孔、裂纹、缺球缺陷；若温升最高在40℃±3℃，则判断为桥连；
（7）调整三维移动平台的x轴或y轴，使得激光器的激光束斑对准BGA芯片的基底上的下一个待测焊盘，返回步骤（4）。
2.根据权利要求1所述的BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法，其特征在于：当温升曲线接近时，根据热像图热点区的不同来判别缺陷：在缺球，大裂纹，大气孔情况下，热传导路径被截断或接近截断时，红外热像仪所摄取的芯片相应位置基本无温升现象；当被测焊点有明显桥连时，红外热像仪所摄取的BGA芯片相应位置会有两个或多个温升区。
3.根据权利要求1所述的BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法，其特征在于：所述三维移动平台的x轴或y轴的行程为300mm，步距为1mm；三维移动平台的z轴的行程为60mm，步距为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法，其特征在于：所述红外热像仪的空间分辨率高于50μm，红外热像仪的成像速率大于等于50Hz，红外热像仪的热灵敏度在0.1K以下。
5.根据权利要求1所述的BGA芯片焊点缺陷逐点扫描测温检测方法，其特征在于：所述激光器采用中心波长位于1μm以下近红外波段的半导体激光器，所述激光器进行预热时，其加热功率为1W，脉冲时间为0.2s；所述激光器进行加热时，其加热功率在1～5w可调，脉冲时间为0.2～2s可调，激光器的激光束斑直径小于待测焊盘的直径，且为0.2～2mm可调。
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