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X光对QFN焊点的有效检测应用(一)

【来源:EM asia China电子制造中国】【作者:Jeremy Jessen—安捷伦】【时间: 2008-2-1 9:04:22】【点击:


     方形扁平无引脚或QFN封装正越来越多地应用在 电子产品中,这在很大程度上是被外形和尺寸 的小型化、从2GHz到10GHz的更高运行速度、 有效散热和低成本封装等需求所驱动的。以引脚框架为基 础特征的CSP(芯片级封装),如那些无焊球的QFN具有 低成本的优势,所以这类封装在商业电子产品中日益普及 使用。TechSearch International公司的报告中指出:在转 包商中这种封装的应用从2004年的77%增加到2005年的 85%。另外一个应用增长的例子是在日本,那些类似数码 摄像机的便携式消费品,在2004年使用了5%的QFN,预测 在2014年将会达到10%的水平。即使是封装供应商,比如 Amkor Technologies公司,现在也在做广告说他们已经完 成了10亿美元的QFN封装元件的销售。随着QFN应用日益增加,最终将会取代现有主流的细间距翼型和扁平IC封装。

     随着一种新型封装形式的日益广泛应用,焊点缺陷也 会随之增加。目前业界对QFN只有通用的检验标准,与面阵列封装类似,QFN的焊点在元件的底部,大部分目视检 测方法都不能检测到,X光是这类焊点检测的有效解决方案。

现有的QFN焊点检验标准
业界焊接标准IPC/EIA J-STD-001C和IPC A-610D 对 QFN焊点的检测给出了通用的检验要求。因为QFN封装没有外露的引脚或没有可焊接性的封装侧面,所以其焊点被 业界标准看作是“底部就是焊端”。正是因为这种封装特 性,业界标准规定了焊点的长度、宽度和厚度,但是没有 对焊缝高度提出要求。QFN的“脚尖焊缝”构造也就没有 被关注,也没有作为一个评价焊点综合质量的关键指标。

IPC-A-610D对QFN焊点质量验证标准的要求是模糊 的。标准中没有描述什么样的焊点应该被认为是少锡或焊 点中有多少空洞是可接受的。标准中只是提到了QFN焊点 有“不具备目视检查属性”的特点。但是,必须要说明的是,QFN焊点就像BGA那样是隐蔽的,因此通常用X光来检查它们。

图1所示为X光检测到的不同QFN焊点形态。图形中的 那些被突出标记的部分显示了有焊点存在,但我们却不能 确定这些焊点是否已经足以被认为是可靠的。除非有一个 清晰的QFN焊点接收检验标准,否则总会有这些焊点是否 应该被接受的争论。

图2所示为在封装体下面散热焊盘焊点中存在大量的空洞。BGA中的空洞总会引发工艺是否正常的激烈讨论。 QFN散热焊盘焊点中的空洞是否也有类似的问题呢?在 IPC-A-610D中仅仅提到了散热焊盘上的焊点不具有目视检查特征。

因此, 需要业界标准组织去推动制订更为明确的QFN焊点接受标准。

现有的QFN焊点检测技术
那些“焊端在底部”焊点的检测方法非常有限。目 视检查仅限于检查焊点在封装的周边可视部分的质量,并不能反映这些焊点是否完全回流的全部信息。ICT和功能 测试能判断封装的功能是否正常,可以判断是否有电气连 接和存在焊点短路,可是应用这些技术却不能暴露那些焊点中是否存在严重的空洞、少锡或没有回流的冷焊。对于QFN焊点,X光检测是一种确保焊点质量的可靠而且有效的策略。

各种X光检测技术都可以检测焊点质量。手动X光显微 镜可以让检验者对每一个焊点进行近距离多方位多角度的 检测,手动X光检测对实验室环境中的QFN焊点质量分析是非常有用的。而对于批量生产环境下的QFN焊点检测,自动X光检测的检测速度和效率可以满足对QFN焊点的检测 需求。

自动X光断层扫描法是如何检测QFN焊点的?
QFN封装不像典型的翼型引脚封装和面阵列封装那样 具有唯一的和可重复的特征。能检测到的QFN焊点特性并不明显,而且不同封装形式的变化也很大,这对自动X光检 测设备来说是一种挑战,它需要提供一套能够可靠地捕捉 缺陷并尽量减少误报的检测方案。为了建立一套可靠的检测方案,就需要建立一套能够区分好坏焊点形态特征库。

一个好的QFN焊点应在回流浸润PCB和封装焊盘时 形成一个良好的焊点形态,形成一个很强的焊点连接。根据QFN规格,焊点的脚跟部分形成于封装体的底部,同 时脚尖部分形成于封装体的外部。下图图解表示各种好的QFN焊点形态,它们可能在不同的位置有不同的形态。

即使QFN的焊点轮廓存在很大的差异,应用自动X光进 行检测时,仍然可以提取出一套焊点形态特征。有一件事 需要知道,由于焊点形态的不同,有些焊点形态特性可能 存在于一种类型的焊点中,但却不存在于另一种类型的焊 点中。为了解决这种可变性,需要建立一个大的可供选择的形态特征库以便能反映总体焊点的不同区域特征。

自动X光检测的测量项目如下:
• 总体焊缝、脚尖、脚跟和中央区域的厚度,单位为mil
• 焊缝长度,单位为mil
• 总体焊缝和脚跟脚尖周边区域的厚度变化斜率,被定义为单位像素分析灰度级别梯度
• 脚跟和脚尖之间区域的曲率

通过测量焊点不同部分的厚度,以确定焊点的形状。 总体焊缝厚度被用来判断是否存在焊料及焊料是否足够。 我们可以测量焊点的脚尖和脚跟部分并和中央部分进行对比。对那些特殊的焊点,有的要求脚跟和脚尖厚度要大于中央区域,而有些则要求焊点的脚跟和脚尖厚度和中央部 分大体上一致。脚跟、脚尖和中央部分的厚度通常可被用 来辅助描述焊点形态,并用这些信息帮助判断焊点是否回流充分和润湿完全。

另外一种测量焊点充分回流和焊点存在的手段是测量 焊缝的长度。对于没有充分润湿封装焊盘的焊点,焊料可 能会回流平铺整个的焊盘,并且会生成了一个正常铺展的 大焊缝。例如,一个正常的焊点焊缝长度平均为35mil,而 一个没有浸润的或开焊的焊缝的长度可能是45mil。另外, 焊料不够的焊点轮廓可能会比较短,在上一个例子中,如 果焊点的长度小于20mils,就应被看作是焊点焊料不足。

测量QFN焊点不同区域的斜率是另一种判断焊点焊 缝质量的方法。斜率被定义为单位像素灰度级别数目。例如,一个好的焊点从基板到封装应该有好的渐进斜率(大约是3到4)。如果焊料没有浸润到封装体,这个斜率是比 较浅的(小于1)。应用这种方法,可测量脚跟、脚尖和焊 缝长度范围内的斜率。

    在上面图解的图3和图4中,焊点的上面靠近封装体 的部分呈内凹形,这种凹形可用曲率来计算。曲率采用正 切圆或相切圆来计算,该正切圆或相切圆是由关注区域内 的一系列点连接而成,所以向上弯曲的曲率是正数,向下 弯曲的曲率则是负数。图像1b和2b所示为两种不同形式的 QFN焊点轮廓,需计算的曲率位于图像中两条线的中间。 好的焊点可以有一个正的/上凹的区域或平坦的区域,在这两种情况中,封装可能形成一个稳固的焊点。如果发现下凹或是负数,这时的焊点可能就仅仅只是回流铺展在焊盘 上,并形成了开焊。

    到目前为止,我们只介绍了QFN的从脚跟到脚尖间焊 缝的分析方法。可是,在检视一个QFN焊点质量时,需要 检视整个焊点区域,并得到焊点如何形成的细节信息。自 动X光具有检视整个焊点脚跟和焊点中央,以测量焊缝宽度 的能力。图3图解了一个好的QFN焊点和一个坏的焊点,以 及横跨中央区域的测量信息。

 


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