高密度封装技术推动测试技术发展

作者：烽火通信科技股份有限公司 鲜飞

欢迎访问e展厅 展厅 6 电子测量仪器展厅 万用表, 示波器, 电子测试仪器, 信号发生器, 信号分析仪, ... 自80年代中后期开始，IC（集成电路）封装技术就不断向着高度集成化、高性能化、多引线和细间距化方向发展，并驱使着一些相关测试技术的淘汰和演变。在电子产品小型化的进化压力推动之下，测试技术也象物种一样，遵循着“适者生存”的简单法则。留心看看测试技术的发展之路，可以帮助我们预测未来。 自从表面贴装技术（SMT）开始逐渐取代插孔式安装技术以来，线路板上安装的元件变得越来越小，而板上单位面积所包含的功能则越来越强大。 就无源表面贴装元件来说，十年前铺天盖地被大量使用的0805元件，今天的使用量只占同类元件总数的大约10%；而0603元件的用量也已在四年前就开始走下坡路，取而代之的是0402元件。目前，更加细小的0201元件则显得风头日盛。从0805转向0603大约经历了10年时间。无疑，我们正处在一个加速小型化的年代。 再来看看表面贴装的集成电路。从10年前占主导地位的四边扁平封装(QFP)到今天的倒装芯片（FC）技术，其间涌现出五花八门的封装形式，诸如薄型小引脚封装(TSOP）、球型阵列封装（BGA）、微小球型阵列封装(μBGA）、芯片尺寸封装（CSP）等。纵观芯片封装技术的演变，其主要特征是元件的表面积和高度显著减小，而元件的引脚密度则急骤增加。特别是BGA技术，已成为现代高密度IC封装技术的主流，如图1所示的NVIDIA公司的GeForce FX图形芯片（GPU）含有1152个焊脚，是同等尺寸大小QFP所容纳引脚数的3-4倍。但高I/O数也给传统电路接触测试（如ICT）带来挑战，同时BGA焊点隐藏在封装体下面，无法进行人工目检。。 山穷水尽: 传统测试技术面临严峻挑战 表面贴装元件尺寸的不断缩小和随之而来的高密度电路安装，对测试带来了极大的挑战。传统的人工目检即使对于中等复杂程度的线路板（如300个元件、3500个节点的单面板）也显得无所适从。 曾经有人进行过这样的试验，让四位经验丰富的检验员对同一块板子的焊点质量分别作四次检验。 结果是，第一位检验员查出了其中44%的缺陷，第二位检验员和第一位的结果有28%的一致性，第三位检验员和前二位有12%的一致性，而第四位检验员和前三位只有6%的一致性。 这一试验暴露了人工目检的主观性，对于高度复杂的表面贴装电路板，人工目检既不可靠也不经济。而对采用微小球型阵列封装、芯片尺寸封装和倒装芯片的表面贴装线路板，人工目检实际上是不可能的。 不仅如此，由于表面贴装元件引脚间距的减小和引脚密度的增大，传统的电路接触式测试受到了极大限制。据北美电子制造规划组织预计，在2003年后利用在线测试对高密度封装的表面贴装线路板检测将无法达到满意的测试覆盖率。以1998年100%的测试覆盖率为基准，估计在2004年后这测试覆盖率将不足50%，而到2010年后，测试覆盖率将不足10%。另外在线测试技术还存在的背面电流驱动、测试夹具费用和可靠性等问题的困扰，种种迹象表明这一技术的发展已走到了尽头。 柳暗花明: 光学检测技术带来测试新体验 技术的发展绝不会因为上述困难就停滞不前，测试检验设备制造商推出了像自动光学检测（Automatic Optical Inspection，简称AOI）设备和自动X射线检测（Automatic X-ray Inspection，简称AXI）设备等这样的产品来应对挑战。事实上，这两种设备在被大量用于线路板制造工业以前，就已经在半导体芯片制造封装过程中得到了广泛的应用。不过，它们还需要进一步的创新才能真正应对由表面贴装元件小型化和高密度线路板带来的测试困难。 AOI不但可对焊接质量进行检验，还可对裸板、焊膏印刷质量、贴片质量等进行检查。各工序AOI的出现几乎完全替代人工操作，对提高产品质量、生产效率都是大有作为的。当自动检测时，AOI设备通过摄像头自动扫描PCB，采集图像，测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出PCB上缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来，供维修人员修整。 现在的AOI系统采用了高级的视觉系统、新型的给光方式、增加的放大倍数和复杂的算法，从而能够以高测试速度获得高缺陷捕捉率。AOI系统能够检测下面错误；元件漏贴、钽电容的极性错误、焊脚定位错误或者偏斜、引脚弯曲或者折起、焊料过量或者不足、焊点桥接或者虚焊等。AOI除了能检查出目检无法查出的缺陷外，AOI还能把生产过程中各工序的工作质量以及出现缺陷的类型等情况收集，反馈回来，供工艺控制人员分析和管理。 AXI是近几年才兴起的一种新型测试技术。当组装好的线路板沿导轨进入机器内部后，位于线路板上方有一个X-Ray发射管，其发射的X射线穿过线路板后被置于下方的探测器（一般为摄像机）接受，由于焊点中含有可以大量吸收X射线的铅，因此与穿过玻璃纤维、铜、硅等其它材料的X射线相比，照射在焊点上的X射线被大量吸收，而呈黑点产生良好图像（如图2所示），使得对焊点的分析变得相当直观，故简单的图像分析算法便可自动且可靠地检验焊点缺陷。AXI技术已从以往的2D检验法发展到目前的3D检验法。前者为透射X射线检验法，对于单面板上的元件焊点可产生清晰的视像，但对于目前广泛使用的双面贴装线路板，效果就会很差，会使两面焊点的视像重叠而极难分辨。而3D检验法采用分层技术，即将光束聚焦到任何一层并将相应图像投射到一高速旋转的接受面上，由于接受面高速旋转使位于焦点处的图像非常清晰，而其它层上的图像则被消除，故3D检验法可对线路板两面的焊点独立成像，其工作原理如图3所示。 3D X-Ray技术除了可以检验双面贴装线路板外，还可对那些不可见焊点如BGA等进行多层图像“切片”检测，即对BGA焊接连接处的顶部、中部和底部进行彻底检验。同时利用此方法还可测通孔（PTH）焊点，检查通孔中焊料是否充实，从而极大地提高焊点连接质量。 未来展望: 组合测试技术成为测试首选 预测今后20年里那一种测试技术会取得成功或者被淘汰不是一件简单的工作，因为这不仅需要总结过去，还需要清楚地了解未来的应用情况。但从近几年的发展趋势来看，使用多种测试技术，会很快成为这一领域的测试首选，如图5所示。 这是因为采用多种测试方法，一种技术可以补偿另一技术的缺点，相互取长补短，尽可能发现更多的缺陷。需要特别指出的是随着AXI技术的发展，目前AXI系统和ICT系统可以“互相对话”，这种被称为“AwareTest”的技术能消除两者之间的重复测试部分。通过减小ICT/AXI多余的测试覆盖面可大大减小ICT的接点数量。这种简化的ICT测试只需原来测试接点数的30%，就可以保持目前的高测试覆盖范围，而减少ICT测试接点数可缩短ICT测试时间、加快ICT编程并降低ICT夹具和编程费用。 由于AXI/ICT组合测试具有较多的优点，在过去的两三年里，应用AXI/ICT组合测试线路板的情况出现了惊人的增长。很多公司如朗讯、思科和北电等都采用了AXI/ICT组合测试。但昂贵的价格是阻碍厂商采用AXI技术的一个主要因素。目前，AXI检测设备的价格是AOI纯光学检测系统的3到4倍。不过这种情况正在得到改善。AXI技术需要的数字相机的成本正在迅速降低，业界已开始从512×512像素AXI系统转向1024×1024甚至2048×2048像素系统。处理器和存储器芯片价格的降低，使AXI系统已开始采用PC上的处理器进行图形处理，大大增强了它的计算能力。 正因为上述这些优点，可以预见得到未来随着AXI系统成本的降低和性能的提高以及应对BGA等高密度封装元件广泛应用所带来的挑战，采用AXI组合测试技术会发挥越来越重要的作用。(end)

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