一、SMT技术发展概述
    表面组装技术(Surface Mounting Technology，简称SMT)是一门包括电子元器件、装配设备、焊接方法和装配材料等内容的系统性综合技术；它突破了通孔基板插装件技术(Through-hole Mounting Technology，简称（TMT），发展成为一种新型电子元器件安装技术。该技术之所以在电路组装生产中高速发展并被广泛采用，原因之一就是它具有良好的自动化生产性，其二就是组装密度高。它涉及到表面组装元件(SMD)的小型化和高集成化。随着大规模集成电路和和超大规模集成电路的迅速发展，集成电路的电路门数以及芯片I／0数越来越多；电子产品的功能增加，体积不断减小。因此，为解决电子行业及其它工业中密度、高性能的电路组装要求，国内外科研工作者研发了多种新型微电子封装和安装技术，诸如矩形扁平封装(Quad Flat Pack)技术、球栅阵列封装(Ball Grid Ar一RAY)技术、载带自动键合芯片(Tape Automatic Bond)技术、芯片(Chip on Board)技术以及芯片尺寸封装(Chip Package)技术、倒装芯片(Flip Chip)技术等等。图1显示了这些技术在贴装方式、密度重量等方面的区别。其中BGA封装技术在国外已发展成熟，也日益被应用于我国的电子产品中。
    BGA技术是将原来器件PLCC／QFP封装的"J"形或翼形引脚，改变成球形引脚；把从器件本体四周"单线性"顺列引出的电极，改变成本体腹底之下"全平面"式的格栅阵排列。这样，即可以疏散引脚间距，又能够增加引脚数目，同时，BGA封装还有如下一些优点：减少引脚缺陷，改善共面问题，减小引线间电感及电容，增强电性能及散热性能。正因如此，所以在电子元器件封装领域，BGA技术被广泛应用。尤其是近些年来，以BGA技术封装的元器件在市场上大量出现，并呈现高速增长的趋势(见图2)。
    虽然BGA技术在某些方面有所突破，但并非是十全十美的，其本身有些不尽人意之处。由于BGA封装技术是一种新型封装技术，与QFP技术相比，有许多新技术指标需得到控制。另外，它焊装后的焊点隐藏在封装之下，使100％目测检测表面安装的焊接质量成为不可能，为BGA安装的质量控制提出了难题。下面就国内外对这方面技术的研究、开发应用动态作些介绍和探讨。
  二、BGA焊前检测与质量控制
    生产中的质量控制非常重要，尤其是在BGA封装中，任何缺陷都会导致BGA封装元器件在印刷电路板焊装过程中出现差错，从而在以后的工艺中引发质量问题。
    目前市场上出现的BGA封装类型主要有：PBGA(塑料BGA)、CBGA(陶瓷BGA)及TBGA(载带BGA)。封装工艺中所要求的主要性能有：封装组件的可靠性；与PCB的热匹配性能；焊球的共面性；对热、湿气的敏感性；是否能通过封装体边缘对准，以及加工的经济性能。需指出的是，BGA基板上的焊球无论是通过高温焊球(90Pb／10Sn)转换，还是采用球射工艺形成，焊球都有可能掉下丢失，或者成型过大、过小，或者发生焊球桥连、缺损等情况。因此，在对BGA进行表面贴装之前，需对其中的一些指标进行检测控制。
    英国Scantron公司研究和开发的Proscanl000，用于检查焊球的共面性，封装是否变形，以及所有的焊球是否都存在。proscanl000采用三角激光测量法，测量光束下的物体沿X轴和Y轴移动时，在Z轴方向的距离；并将物体的三维表面信息进行数字化处理，以便分析和检查。该软件以2，000点／秒的速度扫描100万个数据点，直到亚微米级。扫描结果以水平、等量和截面示图显示在高分辨率VGA监视器上。Proscanl000还能计算表面粗糙度参数、体积、表面积和截面积。

图1 各类型芯片封装及安装技术的比较
三、BGA焊后质量检测
  使用球栅阵列封装(BGA)元件给质量检测和控制部门带来难题：如何检测焊后安装质量。由于这类元件焊装后，检测人员不可能见到封装材料下面的部分，从而使目检焊接质量成为空谈。其它如板载芯片(COB)及倒装芯片安装等新技术也面临着同样的问题。而且BGA元件类似，QFP元件的RF屏蔽也挡住了视线，使目检者看不见全部焊接点。为满足用户对可靠性的要求，必须解决不可见焊点的检测问题。光学与激光系统的检测能力与检者相似，因为它们同样需要通过视线来检测。即使使用QFP动检测系统AOI(Automated(tical Inspection)也不能判定焊接质量，原因是无法看到焊接点。解决这些问题，必须寻求其它检测办法。目前的一些生产检测技术包括电测试、边界扫描及射线检测。
    1、电测试
    传统的电测试，是查找开路与短路缺陷的主要方法。其唯一目的是在板的预置点进行实际
电连接，这样便可以提供一个使信号流入测试板、数据流入ATE的接口。如果印制电路板有足
的空间设定测试点，系统就能快速、有效地查找到开路、短路及故障元件。系统也可检查元件的功能。测试仪器一般由微机控制，检测每块PCB时，需要相应的针床和软件。对于不同的测试功能，该仪器可提供相应工作单元来进行检测。例如，测试二极管、三极管时用直流电平单：
测试电容、电感时用交流单元，而测试低数值电容及电感、高阻值电阻时用高频信号单元。但在封装密度与不可见焊点数量都大量增加时，寻找线路节点则变得昂贵、不可靠，甚至不可能了。
  2、边界扫描检测
边界扫描技术解决了一些复杂元件及封装密度有关的搜寻问题。采用边界扫描技术，每一个IC元件设计有一系列寄存器，功能线路与检测线路分离开，记录通过元件的检测数据。测
通路检查IC元件上每一个焊点的开路、短路情况。基于边界扫描设计的检测端口，通过边缘
接器给每个焊点提供一条通路，从而免除全节点查找的需要。尽管边界扫描提供了比电测试更
的不可见焊点检测范围，但也须为扫描检测专门设计印制电板与IC元件。电测试与边界扫描检测都主要用以测试电性能，不能较好检测焊接的质量。为提高并保证生产过程的质量，必须找寻其它方法来检测焊接质量，尤其是不可见焊点的质量。

图2

3、X射线测试
    另一种检测不可见焊点质量的方法是X射线检测，该检测方法基于X射线不能象透过铜、硅等材料一样透过焊料的思想。换言之，X射线透视图可显示焊接厚度、形状及质量的密度分布。厚度与形状不仅是反映长期结构质量的指标，在测定开路、短路缺陷及焊接不足方面，也是很好的指标。此技术有助于收集量化的过程参数并检测缺陷。在今天这个生产竞争的时代，这些补充数据有助于降低新产品开发费用，缩短投放市场的时间。
    (1)X射线图像检测原理
    X射线由一个微焦点X射线管产生，穿过管壳内的一个铍窗，并投射到试验样品上。样品对X射线的吸收率或透射率取决于样品所包含材料的成分与比率。穿过样品的X射线轰击到X射线敏感板上的磷涂层，并激出发光子，这些光子随后被摄像机探测到，然后对该信号进行处理放大，由计算机进一步分析或观察。
    不同的样品材料对X射线具有不同的不透明系数(表1)。处理后的灰度图像显示了被检查的物体密度或材料厚度的差异。
表1不同材料对x射线的不透明度系数
  材料           用途        X射线不透明度系数
  塑料           包装             极小
    金      芯片引线键合     非常高
    铅           焊料             高
    铝   芯片引线键合、散热片     极小
    锡           焊料             高
    铜         PCB印制线     中等
环氧树脂  PCB基板     极小
    硅         半导体芯片     极小
(2)人工X射线检测
    使用人工X射线检测设备，需要逐个检查焊点并确定其是否合格。该设备配有手动或电动辅助装置使组件倾斜，以便更好地进行检测和摄像。详细定义的标准或目视检测图表可指导评估图像。但通常的目视检测要求培训操作人员，并且易于出错。此外，人工设备并不适合对全部焊点进行检测，而只适合作工艺鉴定和工艺故障分析。
    (3)自动检测系统
  全自动系统能对全部焊点进行检测。虽然已定义了人工检测标准，但全自动系统的复测正确度比人工X射线检测方法高得多。自动检测系统通常用于产量高且品种少的生产设备上。具有高价值或要求可靠性的产品也需要进行自动检测。检测结果与需要返修的电路板一起送给返修人员。这些结果还能提供相关的统计资料，用于改进生产工艺。
    自动检测系统需要设置正确的检测参数，这一点常被忽略。大多数新系统的软件中都定义了检测指标，但必须重新制订，以适应生产工艺中所特有的因素。否则可能产生错误的信息并且降低系统的可靠性。
    自动X射线分层系统使用了三维剖面技术。该系统能够检测单面和双面表面贴装电路板，而没有传统的X射线系统的局限性。系统通过软件定义了所要检查焊点的面积和高度，把焊点剖成不同的截面，从而为全部检测建立完整的剖面图。
目前已有两种检测焊接质量的自动测试系统上市：传输X射线测试系统与断面X射线自动测试系统。传输X射线系统源于X射线束沿通路复合吸收的特性。对SMT的某些焊接，如单面PCB上的J型引线与微间距QFP，传输X射线系统是测定焊接质量最好的方法，但它却不能区分垂直重叠的特征。因此，在传输X射线透视图中，BGA元件的焊缝被其引线的焊球遮掩。对于RF屏蔽之下的双面密集型PCB及元器件的不可见焊接，也存在这类问题。
断面X射线测试系统克服了传输X射线测试系统的众多问题。它设计了一个聚焦断面，并通过使目标区域上下平面散焦的方法，将PC的水平区域分开。该系统的成功在于只需较短的测试开发时间，就能准确检测出焊接缺陷。就多数线路板而言，"无夹具"也有助于减少在产品检测上所花的精力。对于小体积的复杂产品，制造厂商最好使用断面X射线测试系统。虽然所有方法都可检查焊接点。但断面X射线测试系统提供了一种非破坏性的测试方法，可检测所有类型的焊接质量，并获得有价值的调整装配工艺的信息。
    (4)选择合适的X射线检测系统
    选择适合实际生产中应用的、有较高性能价格比的X射线检测系统以满足质量控制需要是一项十分重要的工作。最近较新出现的超高分辨率X射线系统在检测分析缺陷方面已达微米水平，为生产线上发现较隐蔽的质量问题(包括焊接缺陷)提供了较全面的、也比较省时的解决方案。在决定购买检测X射线系统之前，一定要了解系统在实际生产中的应用方面及所要达到的功能，以便于确定系统所需的最小分辨率(参见表2)，与此同时也就决定了所要购置的系统的大致价格。当然，设备的放置、人员的配备等因素也要在选购时通盘考虑。
表2不同分辨能力的X射线系统的应用
    系统应甩的几个方面                    系统所需最小分辨率
    *整体缺陷检查                     50μm
  *一般PCB检测与质量控制                    10μm
  *BGA检测    
  *细间距引线与焊接接头检测                 5μm 
  *μBGA检测   
  *倒装片检测 
  *PCB缺陷分析与工艺控制   
  *键合裂纹检测                            1μm
  *微电路缺陷检测  
四、结束语
    对电子产品能进行有效的质量控制，已成为各厂家的标准要求。随着BGA封装元件大量出现并广泛进入市场，电子厂商为控制BGA的焊装质量，针对高封装密度、焊点不可见等特点，需充分应用高科技工具、手段，努力掌握和大力提高检测技术水平，使新的工艺方法能有与之相适应、相匹配的检测手段。只有这样，生产过程中的质量问题才能得到有效控制。而且，把检测过程中反映出的问题反馈到生产工艺中去加以解决，将会使生产更加顺畅，减少返修工作量。