高密度封裝技術推動測試技術發(fā)展

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:31:14 來源：

　　自80年代中后期開始，IC（集成電路）封裝技術就不斷向著高度集成化、高性能化、多引線和細間距化方向發(fā)展，并驅使著一些相關測試技術的淘汰和演變。在電子產品小型化的進化壓力推動之下，測試技術也象物種一樣，遵循著“適者生存”的簡單法則。留心看看測試技術的發(fā)展之路，可以幫助我們預測未來。

　　自從表面貼裝技術（SMT）開始逐漸取代插孔式安裝技術以來，線路板上安裝的元件變得越來越小，而板上單位面積所包含的功能則越來越強大。

　　就無源表面貼裝元件來說，十年前鋪天蓋地被大量使用的0805元件，今天的使用量只占同類元件總數的大約10%；而0603元件的用量也已在四年前就開始走下坡路，取而代之的是0402元件。目前，更加細小的0201元件則顯得風頭日盛。從0805轉向0603大約經歷了10年時間。無疑，我們正處在一個加速小型化的年代。

　　再來看看表面貼裝的集成電路。從10年前占主導地位的四邊扁平封裝(QFP)到今天的倒裝芯片（FC）技術，其間涌現出五花八門的封裝形式，諸如薄型小引腳封裝(TSOP）、球型陣列封裝（BGA）、微小球型陣列封裝(μBGA）、芯片尺寸封裝（CSP）等。縱觀芯片封裝技術的演變，其主要特征是元件的表面積和高度顯著減小，而元件的引腳密度則急驟增加。特別是BGA技術，已成為現代高密度IC封裝技術的主流，如圖1所示的NVIDIA公司的GeForce FX圖形芯片（GPU）含有1152個焊腳，是同等尺寸大小QFP所容納引腳數的3-4倍。但高I/O數也給傳統(tǒng)電路接觸測試（如ICT）帶來挑戰(zhàn)，同時BGA焊點隱藏在封裝體下面，無法進行人工目檢。。

山窮水盡: 傳統(tǒng)測試技術面臨嚴峻挑戰(zhàn)

　表面貼裝元件尺寸的不斷縮小和隨之而來的高密度電路安裝，對測試帶來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工目檢即使對于中等復雜程度的線路板（如300個元件、3500個節(jié)點的單面板）也顯得無所適從。

　　曾經有人進行過這樣的試驗，讓四位經驗豐富的檢驗員對同一塊板子的焊點質量分別作四次檢驗。

　　結果是，第一位檢驗員查出了其中44%的缺陷，第二位檢驗員和第一位的結果有28%的一致性，第三位檢驗員和前二位有12%的一致性，而第四位檢驗員和前三位只有6%的一致性。

　　這一試驗暴露了人工目檢的主觀性，對于高度復雜的表面貼裝電路板，人工目檢既不可靠也不經濟。而對采用微小球型陣列封裝、芯片尺寸封裝和倒裝芯片的表面貼裝線路板，人工目檢實際上是不可能的。

　　不僅如此，由于表面貼裝元件引腳間距的減小和引腳密度的增大，傳統(tǒng)的電路接觸式測試受到了極大限制。據北美電子制造規(guī)劃組織預計，在2003年后利用在線測試對高密度封裝的表面貼裝線路板檢測將無法達到滿意的測試覆蓋率。以1998年100%的測試覆蓋率為基準，估計在2004年后這測試覆蓋率將不足50%，而到2010年后，測試覆蓋率將不足10%。另外在線測試技術還存在的背面電流驅動、測試夾具費用和可靠性等問題的困擾，種種跡象表明這一技術的發(fā)展已走到了盡頭。

柳暗花明: 光學檢測技術帶來測試新體驗

　　技術的發(fā)展絕不會因為上述困難就停滯不前，測試檢驗設備制造商推出了像自動光學檢測（Automatic Optical Inspection，簡稱AOI）設備和自動X射線檢測（Automatic X-ray Inspection，簡稱AXI）設備等這樣的產品來應對挑戰(zhàn)。事實上，這兩種設備在被大量用于線路板制造工業(yè)以前，就已經在半導體芯片制造封裝過程中得到了廣泛的應用。不過，它們還需要進一步的創(chuàng)新才能真正應對由表面貼裝元件小型化和高密度線路板帶來的測試困難。

　　AOI不但可對焊接質量進行檢驗，還可對裸板、焊膏印刷質量、貼片質量等進行檢查。各工序AOI的出現幾乎完全替代人工操作，對提高產品質量、生產效率都是大有作為的。當自動檢測時，AOI設備通過攝像頭自動掃描PCB，采集圖像，測試的焊點與數據庫中的合格的參數進行比較，經過圖像處理，檢查出PCB上缺陷，并通過顯示器或自動標志把缺陷顯示/標示出來，供維修人員修整。

　　現在的AOI系統(tǒng)采用了高級的視覺系統(tǒng)、新型的給光方式、增加的放大倍數和復雜的算法，從而能夠以高測試速度獲得高缺陷捕捉率。AOI系統(tǒng)能夠檢測下面錯誤；元件漏貼、鉭電容的極性錯誤、焊腳定位錯誤或者偏斜、引腳彎曲或者折起、焊料過量或者不足、焊點橋接或者虛焊等。AOI除了能檢查出目檢無法查出的缺陷外，AOI還能把生產過程中各工序的工作質量以及出現缺陷的類型等情況收集，反饋回來，供工藝控制人員分析和管理。

　　AXI是近幾年才興起的一種新型測試技術。當組裝好的線路板沿導軌進入機器內部后，位于線路板上方有一個X-Ray發(fā)射管，其發(fā)射的X射線穿過線路板后被置于下方的探測器（一般為攝像機）接受，由于焊點中含有可以大量吸收X射線的鉛，因此與穿過玻璃纖維、銅、硅等其它材料的X射線相比，照射在焊點上的X射線被大量吸收，而呈黑點產生良好圖像（如圖2所示），使得對焊點的分析變得相當直觀，故簡單的圖像分析算法便可自動且可靠地檢驗焊點缺陷。AXI技術已從以往的2D檢驗法發(fā)展到目前的3D檢驗法。前者為透射X射線檢驗法，對于單面板上的元件焊點可產生清晰的視像，但對于目前廣泛使用的雙面貼裝線路板，效果就會很差，會使兩面焊點的視像重疊而極難分辨。而3D檢驗法采用分層技術，即將光束聚焦到任何一層并將相應圖像投射到一高速旋轉的接受面上，由于接受面高速旋轉使位于焦點處的圖像非常清晰，而其它層上的圖像則被消除，故3D檢驗法可對線路板兩面的焊點獨立成像，其工作原理如圖3所示。

　　3D X-Ray技術除了可以檢驗雙面貼裝線路板外，還可對那些不可見焊點如BGA等進行多層圖像“切片”檢測，即對BGA焊接連接處的頂部、中部和底部進行徹底檢驗。同時利用此方法還可測通孔（PTH）焊點，檢查通孔中焊料是否充實，從而極大地提高焊點連接質量。

未來展望: 組合測試技術成為測試首選
　
　　預測今后20年里那一種測試技術會取得成功或者被淘汰不是一件簡單的工作，因為這不僅需要總結過去，還需要清楚地了解未來的應用情況。但從近幾年的發(fā)展趨勢來看，使用多種測試技術，會很快成為這一領域的測試首選，如圖5所示。

　　這是因為采用多種測試方法，一種技術可以補償另一技術的缺點，相互取長補短，盡可能發(fā)現更多的缺陷。需要特別指出的是隨著AXI技術的發(fā)展，目前AXI系統(tǒng)和ICT系統(tǒng)可以“互相對話”，這種被稱為“AwareTest”的技術能消除兩者之間的重復測試部分。通過減小ICT/AXI多余的測試覆蓋面可大大減小ICT的接點數量。這種簡化的ICT測試只需原來測試接點數的30%，就可以保持目前的高測試覆蓋范圍，而減少ICT測試接點數可縮短ICT測試時間、加快ICT編程并降低ICT夾具和編程費用。

　　由于AXI/ICT組合測試具有較多的優(yōu)點，在過去的兩三年里，應用AXI/ICT組合測試線路板的情況出現了驚人的增長。很多公司如朗訊、思科和北電等都采用了AXI/ICT組合測試。但昂貴的價格是阻礙廠商采用AXI技術的一個主要因素。目前，AXI檢測設備的價格是AOI純光學檢測系統(tǒng)的3到4倍。不過這種情況正在得到改善。AXI技術需要的數字相機的成本正在迅速降低，業(yè)界已開始從512×512像素AXI系統(tǒng)轉向1024×1024甚至2048×2048像素系統(tǒng)。處理器和存儲器芯片價格的降低，使AXI系統(tǒng)已開始采用PC上的處理器進行圖形處理，大大增強了它的計算能力。

　　正因為上述這些優(yōu)點，可以預見得到未來隨著AXI系統(tǒng)成本的降低和性能的提高以及應對BGA等高密度封裝元件廣泛應用所帶來的挑戰(zhàn)，采用AXI組合測試技術會發(fā)揮越來越重要的作用。

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