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球柵陣列封裝技術是表面貼裝技術中的前沿技術之一。隨著元件的引線間距降至20密耳以下，組裝過程變得非常困難和復雜。BGA技術以更大的間距在相同的機身尺寸下提供相同的I/O數(shù)量。PCB廠商發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的表面貼裝技術對于PCB組裝已經(jīng)足夠，缺陷率低至4ppm。然而，這種技術面臨的最大挑戰(zhàn)是無法用傳統(tǒng)方法檢查包裝的物理性能，需要的是對完成的組件進行檢查。

x射線分層攝影就是解決這個問題的一種方法。通過使用分層攝影等截面X射線技術，可以在回流焊后識別BGA焊點的完整性。分層攝影技術的主要優(yōu)點之一是可以實現(xiàn)在線檢測，并使用各種測量結果進行統(tǒng)計過程控制(SPC)。操作人員單獨站在透射式x光機下檢查上千種焊接情況是不切實際的，因此在線自動檢查非常重要。此外，X射線分層攝影還可以檢查雙面板。在線x光分層攝影不僅可以高效地改進裝配過程，還可以用于統(tǒng)計過程控制。

掃描束斷層掃描(SBL)是一種顯微聚焦X射線系統(tǒng)，可識別焊接缺陷并收集SPC數(shù)據(jù)信息，以自動生成和分析焊點橫截面圖像。在不同高度(焊盤、焊球和元器件)拍攝截面圖像，可以準確測量BGA互連中焊料的數(shù)量和位置。使用該系統(tǒng)，焊料的圖像顏色較深，而不夠致密的基材的圖像顏色較淺。

BGA組裝工藝的各種變量產(chǎn)生各種缺陷，這些缺陷通常與空洞、短路、焊料不足、焊料過多、引腳和元件偏移、開路和焊球較少有關。利用計算機對BGA焊點截面的X射線成像進行分析，形成定量測量，識別上述缺陷。

統(tǒng)計控制是利用數(shù)理統(tǒng)計原理對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控的一種方法。使生產(chǎn)過程中的每一個環(huán)節(jié)都處于理想狀態(tài)，確保為廠家提供生產(chǎn)合格產(chǎn)品的條件。

工藝數(shù)據(jù)的監(jiān)控需要監(jiān)控電子制造過程中設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括爐溫、焊膏印刷高度、貼裝精度等相關工藝參數(shù)。這些數(shù)據(jù)通常是一個變量，而不是常數(shù)，所以在操作中不容易收集。為了及時了解生產(chǎn)過程中的實際情況，應使用SPC軟件對操作系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)采集和實時統(tǒng)計分析，以便將統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息及時反饋給操作人員。SPC還可以提供缺陷總數(shù)，并單獨列出組件、產(chǎn)品批號和缺陷類別，并提供分析。同時通過圖表對數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)進行分析，以靈活的方式快速找出缺陷的主要原因。

監(jiān)控任何生產(chǎn)過程并準確提供過程控制是非常重要的。對于潛在缺陷，在表代碼中列出觀察到的缺陷后，找出缺陷的可能原因。選擇最可能的缺陷誘因，以確定缺陷的真正原因。最后，測試驗證選擇缺陷誘因的正確性。根據(jù)提出的解決方案，進行實驗以確保所選擇的缺陷誘因確實是正確的。

如果用戶可以識別各種控制參數(shù)和控制范圍，就可以獲得X射線斷層成像最有效的應用。與BGA相關的流程可以概括為:模板印刷→檢驗→元件放置→回流焊→檢驗。

制造工程師可以控制的兩個主要步驟是模板印刷技術和回流焊技術。然而，焊點形狀和尺寸的變化也來自許多其他因素。

成功加工技術的關鍵是系統(tǒng)地減少每個工藝步驟的可變性。由于不可能消除所有的變量，我們必須研究它們對最終裝配的影響。在考慮從BGA元器件到電路板組裝的整個過程時，能夠影響焊點完整性的基本變量有:焊球體積；組件上的焊盤尺寸；印刷電路板上的焊盤尺寸；焊膏印刷量；回流溫度下元件的翹曲；放置精度；回流曲線。

BGA工藝比通常的表面貼裝裝配工藝更容易預測。如果知道不同工藝參數(shù)的變量，就可以根據(jù)焊點的物理形狀，用統(tǒng)計的方法來評估工藝量。由于表面張力，可以注意到焊球假設為截頭球形，回流焊接后，焊點假設為兩端截頭球形。從這些表格中，可以評估過程能力。球形接頭的尺寸取決于上面列出的許多因素。

下面的討論是基于PBGA的研究，該研究提供了520針熔融焊球和免清洗焊膏。帶有2英寸x2英寸組件和5圈外圍陣列的焊球?？紤]到貼片的準確性以及開路和橋接的可能性，執(zhí)行六西格瑪能力分析。計算基于以下假設:

使用標準的表面貼裝機來定位BGA，在六西格瑪，的條件下，使用能夠識別焊球圖像的平衡定位機來放置3密耳以內(nèi)的BGA。影響定位的其他變量有:模板印刷能力= 4密耳@ 六西格瑪。印刷電路板上焊盤的XY精度= 3密耳@ 六西格瑪。綜合標準偏差可評估為:

這里，σ1、σ2、σ3、σ 4...是加工成分的標準偏差。這給了我們一個1088密耳的定位偏差的組合標準偏差，并表明在六西格瑪，條件下，過程變量的最大定位偏差為6.53密耳。對于直徑為28密耳的焊盤尺寸，元件的自對準是由熔融焊料的表面張力引起的，因此這種偏差在定位中可以忽略不計。這樣就消除了元件的錯位，所以從定位的角度來看，雖然由于操作人員的干擾或者板裝卸臺的移位可能會出現(xiàn)套準不準的情況，但是BGA組裝工藝有能力實現(xiàn)六西格瑪。

焊料開路是由于組裝過程中焊球塌陷造成的。就520引腳的BGA而言，焊球由直徑30密耳的焊球組成。焊球的標準偏差為500立方密耳。焊球的體積為14，130立方密耳，組件側(cè)面的焊盤直徑為28密耳，所用模板的厚度為6密耳，組件上焊球的平均高度可評估為24密耳。在研究六西格瑪焊料體積變量中，焊料高度差(共面性)等于5.0密耳@六西格瑪。元件板的翹曲等于6密耳@+ 六西格瑪。組合共面性(從零平面開始)等于7.8密耳@六西格瑪。

組裝后，根據(jù)平均焊料體積(焊料和焊膏體積)，焊點的偏移高度為19密耳。焊膏印刷高度的測量和評估在六西格瑪/的變化下從4密耳變?yōu)?密耳，這意味著:

如果將這些變量控制在一定范圍內(nèi)，BGA工藝可以達到六西格瑪工藝能力。否則，有許多變量起作用。通常組裝過程通過回流焊時，不僅元器件會翹曲，板材也會翹曲，使得偏移高度不一致。此外，不僅在元件側(cè)，而且在印刷電路板側(cè)，都存在與焊盤參數(shù)相關的特定變量，這也增加了工藝的可變性。在評估過程能力時，必須考慮這些變量。如果考慮所有這些變量，就可以找出開路的可能性。在這些情況下，為了檢查潛在的開路現(xiàn)象，可以使用x光分層攝影。

使用相同的方法，根據(jù)橋接條件評估BGA組件的工藝能力。焊點的直徑可以變化很大，實測數(shù)據(jù)表明，在六西格瑪，單個焊點在任意位置的組合焊料體積(焊球和焊膏)可以從12，800到19，250立方密耳不等。這表明實際上不可能在50密耳間距的BGA上引起橋接現(xiàn)象。

如果能有效控制與BGA相關的各種工藝，就能實現(xiàn)焊點完整性變化不大的組裝。然而，這些過程中的許多因素沒有得到很好的控制，迫使生產(chǎn)工程師使用檢測技術來完成連續(xù)的過程監(jiān)控。為了檢查過程中的變化，應監(jiān)控的各種變化包括:

錫膏印刷的檢測過程可以通過基于激光的檢測器完成，印刷變量可以根據(jù)預定的焊點形狀和焊點完整性控制在一定水平。焊點直徑的x射線檢測。但是透射X射線技術無法測量各種高度的直徑，所以X射線分層攝影是最適合的方法。

圖1和圖2分別顯示了焊點中心和PCB末端的焊點半徑的X射線圖?？梢钥吹剑谝粋€樣品在兩個條形圖中失控，然后檢查這種現(xiàn)象并返回到焊點的除濕狀態(tài)。可以看出，焊點的最低可用半徑是焊盤的半徑，因此單個焊球的較低剔除控制范圍應在焊盤直徑處進行調(diào)整。例如，考慮到焊點周圍較小的焊點，焊點與印刷電路板焊盤界面的x光分層攝影圖像顯示，焊點實際上是頸縮的。這種類型的變化是BGA技術固有的，因此應仔細確定焊料不足或焊點半徑不足的拒絕范圍。

通過深入了解各種相關變量，并將其控制在理想水平，證明了BGA技術在零缺陷組裝方面的巨大潛力。如果本文討論的所有變量都很好地控制在控制范圍內(nèi)，各種缺陷的可能性極低，那么檢測過程就可以取消。然而，這些變量中的大多數(shù)仍然沒有得到很好的控制，需要進行一定數(shù)量的檢查。在線x光分層攝影不僅可以用于高效的工藝改進，還可以用于工藝控制，這也是成功組裝的關鍵。SPC技術作為最有效的在線控制手段，對于發(fā)現(xiàn)工藝過程中的一些潛在問題，并在沒有廢品時及時發(fā)出報警信息，從而采取糾正措施，從而減少廢品，提高工藝過程的一次通過率和質(zhì)量一致性起到了關鍵作用。