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摘 要:本文利用X射线3D-MC中的BGA焊点、基板和隔板之间的焊料凸点、叠层基板间的垂直互连和陶瓷-金属封装等进行检测；对存在于焊点和凸点中的气孔、垂直互连中的开路和封装中的孔洞等进行了分析。
1 引言
随着高密度组装的不断进步，电子产品不断向短、小、轻、薄及高性能、高可靠、低成本方向发展。多芯片组件(MCM)正适应了这种发展方向，成为现代微电子组装与封装技术的重要手段。电子产品复杂程度的增加使得产品或部件中所用MCM(此处亦称2D-MCM，即二维多芯片组件)模块数不断增多。但多个2D-MCM仍需占据较大的空间。同一电路系统中，用3D-MCM(三维多芯片组件)替代多个2D-MCM，则可使组件所占面积和体积大大缩小，重量进一步减轻，同时由于缩短了互连线，寄生效应减小，信号传输更快，噪声和损耗亦下降[1,2]。以面阵排列球形凸点为：I／O引脚的焊球阵列封装，不仅提高了单位面积上的。I／O数，而且有利于基板的散热，缩短了信号的传输路径，改善了所封装模块的电路性能[3,4]。因此，3D-MCM采用BGA封装将进一步体现3D-MCM的优势。由于3D-MCM由多块2D-MCM叠层而成，叠层基板之间一般通过焊料垂直连通，其连接导通性和质量很难通过目检来判断。BGA封装有别于传统引线及可视连接，焊点隐藏在焊球与基板之间，焊点本身的缺陷或失效不能用通常的目检、低倍数光学显微镜或高速自动光学系统等方法来检测。电性能测试也只能检测焊点连接的通断情况，而不能有效地检测出焊点结构的可靠性。BGA封装的金属外壳与陶瓷基板亦通过焊料连接，其连接质量和可靠性也很难通过目检和漏检来判断。因此需要一种无损伤且能穿透陶瓷基板及金属的"光线"对不可视部位进行测试和分析。X射线检测仪即是检测这类BGA组件的理想设备。
X射线检测是根据样品不同部位对X射线吸收率和透射率的不同，利用X射线通过样品各部位衰减后的射线强度检测样品内部缺陷的一种方法。X射线衰减的程度与样品的材料品种、样品的厚度和密度有关[5]。材料的内部结构和缺陷对应于灰黑度不同的X射线影像图[6，7]。本工作即是在制作3D-MCM并进行BGA封装的基础上利用常规X射线检测仪对组成3D-MCM的几个关键部位进行检测和分析。
2 实验
2.1 样品准备
组件以LTCC(低温共烧陶瓷)为基板，基板为多层布线。在单个基板上组装上元器件之后形成2D-MCM。底面基板I／O引脚面上印烧上BGA Pd／Ag焊盘，封装面上四周印烧上Pd／Ag焊接带。BGA焊球和封装用金属框架分别通过焊料焊接在底部基板两面对应的位置上。底面基板上可通过焊料凸点垂直互连，再连接一个或多个其他基板，即组成3D-MCM形式。
盖板在N2气氛中通过平行缝焊工艺与框架封接在一起，成为一个整体气密性组件。采用BGA封装形式的3D-MCM结构如图1所示。
2.2 X射线测试
X射线测试设备为FXS-160.40型X射线照相检测仪。检测仪分别对3D-MCM BGA组件的不同部位进行检测，被检测部位的影像可通过与设备相连的荧光屏直接显示出来。通过调整被检测部位与入射的X射线的角度可对被检测样品不同方向的焊接或内部结构进行检测。
3 结果和讨论
3.1 BGA焊球的X射线检测
图2为BGA焊球的X射线检测影像图，其中图2(a)和(b)分别为在210℃和230℃下再流焊时形成的BGA焊球样品影像图。从图2(a)可见，在较低的再流焊温度下，基板与焊球之间的焊点内结构不均匀，存在许多气孔状物；而图2(b)中，在较高的再流焊温度下，焊点结构均匀，内部气孔很少。气孔少，表明焊球与基板焊接良好。表1列出了这两个温度下焊球的剪切力大小。由表1可见，气孔的存在降低了焊球与基板之间的剪切力。
图2(a)中出现气孔可能是如下原因：在较低的再流焊温度下，焊球与基板之间的焊膏虽然熔化，但焊膏中有的焊剂尚未完全挥发气化掉而留在焊点内，有的焊剂正挥发时遇上降温而使一部分气体封闭在焊点内形成气孔；焊盘和焊球甚至焊料本身不清洁，有油、水等污物也可能产生气孔[8]。气体和焊剂等非金属对X射线的吸收率远小于金属焊料，因此气体和焊剂在X射线照射下就形成了图2(a)中的气孔。焊点内焊剂和气体的存在减少了焊接处的截面面积，削弱了焊球与基板之间的连接力，因此在较低再流焊温度下形成的BGA焊球的剪切力下降。而在较高的再流焊温度下，焊膏中的焊剂挥发充分，冷却后焊点内残留的焊剂和气体就很少，因此X射线就呈出。较均匀的结构图像，焊球剪切力也相应增大。
3.2 焊料凸点的X射线检测
焊料凸点既是连接2D-MCM与隔板的桥梁，又是保持多块2D-MCM和隔板成为一个3D-MCM整体的"粘接剂"。焊料凸点与基板和隔板的附着强度直接关系到3D-MCM的整体强度。图3为焊料凸点的X射线检测影像图。由图3(a)可见，此焊料凸点内部结构不均匀，存在一些气孔状物；在图3(b)中，影像显示凸点结构均匀，内部气孔很少。基板和隔板上的焊料凸点是在焊膏熔化后冷却凝同而形成的。焊料凸点内气孔的产生原因可能与BGA焊点内气孔的产生原因相似，与形成焊料凸点的再流焊温度偏低或基板和隔板上存在污染等有关，也可能与凸点下焊盘的不合适浸润以及过量的焊剂残留有关[9]。焊料凸点形成的气孔是隐藏的潜在缺陷。如果凸点内气孔的面积足够大，将对凸点的结构强度产生负面影响，可能引起疲劳、脱焊或塌陷[9]，最终导致3D-MCM内部开路、短路、抗机械冲击能力下降，甚至整个封装失效。图4为隔板上焊料凸点的X射线检测影像图，图中大圆内的小圆点为隔板内的金属化通孔。
3.3 3D-MCM垂直互连的X射线检测
将两块(或两块以上)2D-MCM和隔板用焊料连接起来，即组成了3D-MCM。图5为3D-MCM垂直互连的X射线检测影像图，其中图5(a)为局部开路影像图，图5(b)为局部互连影像图。由图5(a)可见，垂直互连中存在金属化通孔连接不佳以及虚焊或开焊断开点，表明基板与隔板在互连通孔处未连接上。3D-MCM中出现虚焊或开焊可能与3D-MCM体积、基板和隔板平整度或焊锡量等因数有关。因为多个2D-MCM叠装的组件体积较大，其热容量相应也较大，在较短的时间内组件内温度难以达到平衡。在再流焊温度不够高时，有的地方焊料熔化，而有的上下互连处的温度仍未达到焊料的熔化温度，因此出现较低温度处上下通孔处虚焊或开焊的现象。当基板与隔板平整度达不到要求时，某些对应焊点之间距离过大，即使焊料熔化，也可能不能使此处连接起来。如果互连处焊锡量偏少，也可能出现开焊现象。当基板或隔板内的金属化通孔形成有缺陷(如出现错位或断开)时，则X射线检测图中有明显连接不佳的影像。通过调整X射线的入射角和方位，可检测每一垂直互连处的连接情况。3D-MCM的一处连接失败，可能导致整个组件失去应有的功能，成为不合格品。
3.4 BGA封装的X射线检测
对于I／O端为BGA的MCM模块，其气密性封装形式通常为陶瓷-金属一体化封装。而陶瓷-金属封装常常要用到焊料密封。图6为不同焊接工艺条件下LTCC与可伐框连接的X射线检测图。由图6(a)可见，可伐框与陶瓷基板焊接图像不均匀，内部存在较大的孔洞。而图6(b)中，可伐框与陶瓷基板焊接图像均匀，几乎无孔洞。孔洞的出现，可能与焊接温度偏低或焊接时间不够等工艺条件有关。当焊接温度偏低或焊接时间不够时，焊膏熔化冷却后，可伐框与基板之间存在未完全挥发掉的焊剂。在焊接过程中还存在化学和物理反应所产生的未及时排出去的气体[8]。由于可伐框与基板上焊接带的接触面积较大，在焊接工艺参数选择不当时，未及时排出去的气体和少量焊剂很容易被封闭在可伐框与基板之间形成气孔。一些小气孔合并形成大的孔洞。气孔或孔洞的存在减少了焊料阻档层的厚度，甚至形成内外连通的"砂眼"或"通道"，从而影响到BGA封装的密封性和可靠性。表2为图6中两种陶瓷-金属封装样品的检漏结果。结果显示，X射线影像图像均匀、无明显孔洞的陶瓷-金属封装样品的密封性比有明显孔洞的陶瓷-金属封装样品的效果更好。
4 结论
X射线可对3D-MCM BGA组件中的BGA焊球焊点和焊料凸点的结构、叠层基板之间的垂直互连及陶瓷-金属的封接等进行检测，根据影像形貌可判断相应部位的连接及结构缺陷。
(1)X射线对BGA焊球焊点进行检测，检测图像表明：在较低的再流焊温度下，焊球焊点内部结构不均匀，存在气孔。气孔的存在降低了焊球的剪切力。
(2)X射线对基板和隔板上的焊料凸点进行检测，可观察到凸点内部结构是否均匀，是否存在气孔缺陷。
(3)X射线对3D-MCM中叠层基板间的垂直互连进行检测，可观察到基板与隔板之间的互连和断开图像。
(4)X射线对LTCC基板和可伐框之间的焊接进行检测，可观察到焊接部位结构是否均匀及有无孔洞。孔洞的出现影响封装的密封性。 |
