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印制线路板（PCB）的复杂程度和密度一直在增长。同时，更多且日益复杂的集成电路被使用在这些板上。使用外围互联方法的传统封装，诸如QFP，SOIC，TSOP，SSOP，以及PLCC，在某些引脚数超过200的情况下，已经达到了它们的应用极限。
比较传统的表面安装技术，将一个外围线性连接方式转换到一个两维（2D）阵列时，在相同的尺寸、更大的引脚间距下，可实现更多的互联点。球栅阵列是这一概念最常见的执行方案（图1）。然而所有的阵列封装都有一个共同的问题：非封装边缘的焊点是不可见的，并且不能通过目视检查以确定它们的质量或认定缺陷。
增加普及性
几年前，BGA通常只用在引脚数大于200的专用集成电路（ASIC）上。在那个时候，一块板上使用一个以上的BGA是很少见的。
这两年，由于成本的降低和散热性能的改善，少于100个引脚的BGA及CSP的应用已经很普遍了。当然，大于100个引脚的BGA是最典型的。
BGA已变得和QFP一样的普通。大部分板子都会至少组装一个，每块板有10到20个BGA也是很常见的。今天，复杂的PCB有25～50%的焊点是属于BGA的。即使拥有一个好的特性和受控的组装工艺，由于任何目视检查的方法都失去了作用，焊接缺陷将肯定会发生在BGA上。
AXI和BGA
AXI天生就是用来配合BGA检查的。采用AXI系统，锡，铅，其它在焊球以及焊点中的金属清晰可见。同样地，大部分BGA材料，如FR－4，铜，陶瓷则是相对透明的。在过去的几年里，2D（直透方式）和3D（分层，层析摄影法）X－Ray系统在许多BGA缺陷的甄别上是非常有效的，比如少球，短路以及器件的偏移等。
对于工艺控制来说，虽然AOI对印刷后和回流前的检测比较有效；但是，对于每板5000到15000个BGA焊点而言，缺陷依旧存在。在昂贵和有风险的BGA返工之前，这些缺陷必须被找出并被确认。
通常情况下，BGA是一种昂贵的器件，当被从板上拆下后，经常会被废弃掉；要不然，就需要受过培训的操作人员使用专门的设备来进行维修。由于返工过程对PCB产生不可避免的损伤，因此存在报废整个组装组件的重大风险。
BGA焊点
在所有的BGA上，焊球被贴装在封装基板的每个栅格点上。这一过程发生在IC被安放到基板之前。在组装过程中，焊膏被用来将焊球焊到板子上。
焊接过程中，共晶焊球坍塌与焊膏中的焊料熔融形成焊点。这些封装通常由PC材料做成，应用很广并且便宜。
非共晶焊球是由一种在组装过程中不会熔化的合金做成，焊膏将这些球焊到板子上。这一技术通常使用在十分昂贵的陶瓷封装上，这些器件通常需要一个较高的高度来消除增加的应力。
BGA的开路
一些BGA的缺陷主要是焊点的开路，对此，AOI是不可能发现的，AXI也比较困难。BGA焊球的直径比“球－板”界面上的焊点直径要大，因此X光被这个经常发生焊点开路的界面挡住，妨碍了2D和3D AXI系统生成清晰的图像。
我们需要一个可靠的方法来发现开路的焊点。通过测量一个和开路有关联的焊点的次要特征，缺陷确实可能被发现。
当板上有焊膏，并且有一个开路的焊点，回流时，焊膏通常会由于毛细作用而被带到焊球上。
在共晶焊球，焊膏和焊球结合在一起，表面张力的作用使得在开路点上的球径要大于良好焊点的球径。
在非共晶的焊球，焊膏由于毛细作用而被带到焊球上，并且表面张力导致焊料填补了焊球和封装之间的那部分空间。
在任何一种情况下，一个开路的焊点的直径都会反常地偏大。通过测量球径，并且和一个已知标准进行比较的算法，AXI应该能够发现开路。但这只是答案的一部分。
在制造中，其它因素会造成球径的变化。如果相对于标准值来测量的话，许多误报将会发生。由于没有办法可以目视确认或消除误报，许多昂贵和不必要的返工发生了；反之，这一报告将被忽略掉。因此，需要一个方法来补偿其他因素导致的变化。
翘曲
一个造成球径变化的主要原因是BGA封装和板的翘曲（图2）。在BGA和板间隙大的地方，会产生高且直径小的焊点。在间隙较小的地方，焊点会较短且较宽。
翘曲可能由不均匀或快速的焊后冷却，或者来自PCB制造过程中积聚在板内部应力在焊接时的释放所导致。对于BGA封装，如果放置芯片（无论朝上或朝下）的基板凹洞（chip cavity）的设计不对称，在加热或冷却过程中也可能会导致翘曲。
由于焊点不是在同一时间固化的，原本在冷却后通常会消失的翘曲可能会被定形。不管原因如何，要使用这个方法来发现BGA的开路，补偿翘曲对焊点直径的影响是必需的。
翘曲对直径的影响通常是渐变地穿过整个BGA的。BGA和板子间的空隙是不会有突然的变化或不连续的现象产生的。
球的比较方法
通过将BGA上每个球和它相邻的球的直径比较，可以将翘曲在直径上的影响消除掉。在图4中，红色球的直径将和它的绿色的邻居进行比较，以检测焊点的开路缺陷。这一过程在每个球上被不断重复。
图5描述了一个放大了的BGA焊点直径图。每个球的直径都减去了BGA上最小的那个球的直径。结果用图表的方式展现出来，以重点表现它们之间的差别。由于翘曲引起的直径变化显示出BGA和PCB在中间位置比在边缘位置可能靠得要近些。在图5左下角的那个非常大的球是一个可确定的开路缺陷。在图6中可见到一个开路的缺陷，它有一个比它附近的邻居大的直径。
在球比较方法的试用阶段，仅测试了共晶焊球的塑料BGA（PBGAs），在测试了超过900个封装的将近300,000个BGA焊点后，多于70个开路问题被发现（图7），这些缺陷中的1/3发生在外围的焊点上，并且90％是真实的缺陷。15家OEM以及EMS制造商提供了35片怀疑有BGA开路缺陷的板来测试。受怀疑的BGA的引脚数从小于100到超过1200。开路缺陷在16块板子的BGA上被发现。
在后来为另一家制造商进行的测试中，确认了在两片采用非共晶焊球的360个引脚的陶瓷BGA（CBGA）上被发现了开路缺陷。基于这一经验，在制造商的工厂，测试了100片生产板。在4块CBGA上，6个开路缺陷被发现并被确认，而没有误报。（图8）。
知道缺陷的位置，对判断导致焊点开路的根本原因是极其有用的。在过程中尽早地发现这些开路，同样减少了在功能测试后的缺陷返工。
总结
随着板子和器件继续变得更加的复杂，BGA日益变得流行。同时，比起以前，质量确认的需求更加重要，并且更具有挑战性。BGA上的焊点开路缺陷，在PCB组装方面提出了一个普遍并且困难的问题。
使用AXI设备，“近邻比较”方法可以被应用于检测共晶和非共晶焊球BGA的焊点开路缺陷。对制造过程中不可避免产生的，且目前仍无法准确定位其变化情况的缺陷，该方法是一个有益的选择。 | 
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