一、概述
隨著電子產(chǎn)品向小型化、便攜化、網(wǎng)絡(luò)化和高性能方向的發(fā)展，對(duì)
PCBA電路組裝技術(shù)和I/O引線數(shù)提出了更高的要求，芯片的體積越來(lái)越小，芯片的管腳越來(lái)越多，給生產(chǎn)和返修帶來(lái)了困難。原來(lái)SMT中廣泛使用的QFP（四邊扁平封裝），封裝間距的極限尺寸停留在0.3mm，這種間距其引線容易彎曲、變形或折斷，相應(yīng)地對(duì)
SMT組裝工藝、設(shè)備精度、焊接材料提出嚴(yán)格的要求，即使如此，組裝窄間距細(xì)引線的QFP，缺陷率仍相當(dāng)高，最高可達(dá)6000PPm，使大范圍應(yīng)用受到制約。近年出現(xiàn)的BGA（Ball Grid Array 球柵陣列封裝器件），由于芯片的管腳不是分布在芯片的周圍而是分布在封裝的底面，實(shí)際是將封裝外殼基板原四面引出的引腳變成以面陣布局的Pb/Sn凸點(diǎn)引腳，這就可以容納更多的I/O數(shù)，且可以較大的引腳間距如1.5、1.27mm代替QFP的0.4、0.3mm，很容易使用SMT與PCB上的布線引腳焊接互連，因此不僅可以使芯片在與QFP相同的封裝尺寸下保持更多的封裝容量，又使I/O引腳間距較大，從而大大提高了SMT組裝的成品率，缺陷率僅為0.35PPm，方便了生產(chǎn)和返修，因而BGA元器件在電子產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域獲得了廣泛使用。
隨著引腳數(shù)增加，對(duì)于精細(xì)引腳在裝配過(guò)程中出現(xiàn)的橋連、漏焊、缺焊等缺陷，利用手工工具很難進(jìn)行修理，需用專門的返修設(shè)備并根據(jù)一定的返修工藝來(lái)完成。
二、BGA元器件的種類與特性
1、BGA元器件的種類
按封裝材料的不同，BGA元件 主要有以下幾種：
PBGA（Plastic BGA?塑料封裝的BGA）
CBGA（Ceramic BGA?陶瓷封裝的BGA）
CBGA（Ceramic Column BGA?陶瓷柱狀封裝的BGA）
TBGA（tape BGA?載帶狀封裝的BGA）
CSP（Chip Scale Package或μBGA）
PBGA是目前使用較多的BGA，它使用63Sn/37Pb成分的焊錫球，焊錫的溶化溫度約為
183°C。焊錫球直徑在焊接前直徑為0.75毫米，回流焊以后，焊錫球高度減為0.46-0.41毫米。PBGA的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，容易加工，不過(guò)應(yīng)該注意，由于塑料封裝，容易吸潮，所以對(duì)于普通的元件，在開封后一般應(yīng)該在8小時(shí)內(nèi)使用，否則由于焊接時(shí)的迅速升溫，會(huì)使芯片內(nèi)的潮氣馬上氣化導(dǎo)致芯片損壞，有人稱此為“ 苞米花” 效應(yīng)。按照J(rèn)eDeC的建議，PBGA芯片在拆封后必須使用的期限由芯片的敏感性等級(jí)決定（見(jiàn)表1）：
表1 PBGA芯片拆封后必須使用的期限
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敏感性等級(jí) |
芯片拆封后置放環(huán)境條件 |
拆封后必須使用的期限 |
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1級(jí) |
=< 30 C , < 90% RH |
無(wú)限制 |
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2級(jí) |
=< 30 C , < 60% RH |
1年 |
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3級(jí) |
=< 30 C , < 60% RH |
168小時(shí) |
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4級(jí) |
=< 30 C , < 60% RH |
72小時(shí) |
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5級(jí) |
=< 30 C , < 60% RH |
24小時(shí) |
CBGA焊球的成分為90Pb/10Sn，它與PCB連接處的焊錫成分仍為63Sn/37Pb，CBGA的焊錫球高度較PBGA高，因此它的焊錫溶化溫度較PBGA高，較PBGA不容易吸潮，且封裝的更牢靠。CBGA芯片底部焊點(diǎn)直徑要比PCB上的焊盤大，拆除CBGA芯片后，焊錫不會(huì)粘在PCB的焊盤上，見(jiàn)表2。
表2 PBGA與CBGA焊接錫球的區(qū)別
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特性 |
PBGA |
CBGA |
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焊錫球成分 |
63Sn/37Pb |
90Pb/10Sn |
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焊錫球溶化溫度 |
183°C |
302°C |
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溶化前焊錫球直徑 |
0.75毫米 |
0.88毫米 |
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溶化后焊錫球直徑 |
0.4-0.5毫米 |
0.88毫米 |
CCBGA的焊錫柱直徑為0.51毫米，柱高度為2.2毫米，焊錫柱間距一般為1.27毫米，焊錫柱的成分是90Pb/10Sn。
TBGA的焊錫球直徑為0.76毫米，球間距為1.27毫米。與CBGA相比，TBGA對(duì)環(huán)境溫度要求控制嚴(yán)格，因芯片受熱時(shí)，熱張力集中在4個(gè)角，焊接時(shí)容易有缺陷。
CSP芯片的封裝尺寸僅略大于裸芯片尺寸不超過(guò)20％ ，這是CSP與BGA的主要區(qū)別。 CSP較BGA，除了體積小之外，還有更短的導(dǎo)電通路、更低的電抗性，更容易達(dá)到頻率為500mhz-600mhz的范圍。
2、BGA元器件的特性
我們可以從不同為304管腳的QFP與BGA芯片的比較上看出BGA的優(yōu)點(diǎn)：
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特性 |
BGA |
QFP |
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封裝尺寸(平方毫米) |
525 |
1600 |
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腳間距(毫米) |
1.27 |
0.5 |
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組裝損壞率(ppm/管肢) |
0.6 |
100 |
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元件管腳間信號(hào)干擾 |
1.0X |
2.25X |
概括起來(lái)，和QFP相比，BGA的特性主要有以下幾點(diǎn)：
1）I/O引線間距大（如1.0，1.27，1.5毫米），可容納的I/O數(shù)目大（如1.27毫米間距的 BGA在25毫米邊長(zhǎng)的面積上可容納350個(gè)I/O? 而0.5毫米間距的QFP在40毫米邊長(zhǎng)的面積上只容納 304個(gè)I/O）。
2）封裝可靠性高（不會(huì)損壞管腳），焊點(diǎn)缺陷率低（＜1PPm/焊點(diǎn)），焊點(diǎn)牢固。
3）QFP芯片的對(duì)中通常由操作人員用肉眼來(lái)觀察，當(dāng)管腳間距小于0.4毫米時(shí)，對(duì)中與焊接十分困難。而BGA芯片的腳間距較大，借助對(duì)中放大系統(tǒng)，對(duì)中與焊接都不困難。
4）容易對(duì)大尺寸電路板加工絲網(wǎng)板。
5）管腳水平面同一性較QFP容易保證? 因?yàn)楹稿a球在溶化以后可以自動(dòng)補(bǔ)償芯片與PCB之間的平面誤差。
6）回流焊時(shí)，焊點(diǎn)之間的張力產(chǎn)生良好的自對(duì)中效果?允許有50％的貼片精度誤差。
7）有較好的電特性，由于引線短，導(dǎo)線的自感和導(dǎo)線間的互感很低，頻率特性好。
8）能與原有的SMT貼裝工藝和設(shè)備兼容，原有的絲印機(jī)，貼片機(jī)和回流焊設(shè)備都可使用
當(dāng)然，BGA也有缺點(diǎn)，主要是芯片焊接后需Ｘ射線檢驗(yàn)，另外由于管腳呈球狀欄柵狀排列，需多層電路板布線，使電路板制造成本增加。
三、BGA返修工藝
大多數(shù)半導(dǎo)體器件的耐熱溫度為240?2600C，對(duì)于BGA返修系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，加熱溫度和均勻性的控制顯得非常重要。美國(guó)Ok集團(tuán)的熱風(fēng)回流焊接及返修系統(tǒng)BGA-3592-g/CSP-3502-g和日本m.s.engineering CO.?ltD.的ms系列返修工作站很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。
本文以美國(guó)Ok集團(tuán)的熱風(fēng)回流焊接及返修系統(tǒng)BGA-3592-g 為例簡(jiǎn)要說(shuō)明BGA的返修工藝：
1、電路板、芯片預(yù)熱
電路板、芯片預(yù)熱的主要目的是將潮氣去除，如果電路板和芯片內(nèi)的潮氣很?。ㄈ缧酒瑒偛鸱猓?，這一步可以免除。
2、拆除芯片
拆除的芯片如果不打算重新使用，而且PCB可承受高溫，拆除芯片可采用較高的溫度（較短的加熱周期）。
3、清潔焊盤
清潔焊盤主要是將拆除芯片后留在PCB表面的助焊劑、焊錫膏清理掉，必須使用符合要求的清洗劑。為了保證BGA的焊接可靠性，一般不能使用焊盤上舊的殘留焊錫膏，必須將舊的焊錫膏清除掉，除非芯片上重新形成BGA焊錫球。由于BGA芯片體積小，特別是CSP（ChiP sCale PaCkage或μBGA），芯片體積更小，清潔焊盤比較困難，所以在返修CSP芯片時(shí)，如果CSP的周圍空間很小，就需使用免清洗焊劑。
4、涂焊錫膏，助焊劑
在PCB上涂焊錫膏對(duì)于BGA的返修結(jié)果有重要影響。通過(guò)選用與芯片相符的模板，可以很方便地將焊錫膏涂在電路板上。用Ok集團(tuán)的BGA-3592-g設(shè)備微型光學(xué)對(duì)中系統(tǒng)可以方便地檢驗(yàn)焊錫膏是否涂的均勻。處理CSP芯片，有3種焊錫膏可以選擇：rma焊錫膏，非清洗焊錫膏，水劑焊錫膏。使用rma焊錫膏，回流時(shí)間可略長(zhǎng)些，使用非清洗焊錫膏，回流溫度應(yīng)選的低些。
5、貼片
貼片的主要目的是使BGA芯片上的每一個(gè)焊錫球與PCB上每一個(gè)對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)對(duì)正。由于BGA芯片的焊點(diǎn)位于肉眼不能觀測(cè)到的部位，所以必須使用專門的設(shè)備來(lái)對(duì)中。BGA-3592-g可進(jìn)行精確的對(duì)中。
6、熱風(fēng)回流焊
熱風(fēng)回流焊是整個(gè)返修工藝的關(guān)鍵。其中，有幾個(gè)問(wèn)題比較重要：
1）芯片返修回流焊的曲線應(yīng)當(dāng)與芯片的原始焊接曲線接近，熱風(fēng)回流焊曲線可分成四個(gè)區(qū)間：預(yù)熱區(qū)、加熱區(qū)、回流區(qū)、冷卻區(qū)，四個(gè)區(qū)間的溫度，時(shí)間參數(shù)可以分別設(shè)定，通過(guò)與計(jì)算機(jī)連接，可以將這些程序存儲(chǔ)和隨時(shí)調(diào)用。
2）在回流焊過(guò)程中要正確選擇各區(qū)的加熱溫度和時(shí)間，同時(shí)應(yīng)注意升溫的速度。一般，在100OC以前，最大的升溫速度不超過(guò)6 OC/秒，100OC以后最大的升溫速度不超過(guò)3OC /秒， 在冷卻區(qū)，最大的冷卻速度不超過(guò)6OC/秒。因?yàn)檫^(guò)高的升溫速度和降溫速度都可能損壞PCB和芯片，這種損壞有時(shí)是肉眼不能觀察到的。不同的芯片，不同的焊錫膏，應(yīng)選擇不同的加熱溫度和時(shí)間。如CBGA芯片的回流溫度應(yīng)高于PBGA的回流溫度，90Pb/10Sn應(yīng)較63Sn/37Pb焊錫膏選用更高的回流溫度。對(duì)免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接溫度不宜過(guò)高，焊接時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以防止焊錫顆粒的氧化。
3）熱風(fēng)回流焊中，PCB板的底部必須能夠加熱。這種加熱的目的有二個(gè)：避免由于PCB板的單面受熱而產(chǎn)生翹曲和變形；使焊錫膏溶化的時(shí)間縮短。對(duì)大尺寸板返修BGA，這種底部加熱尤其重要。BGA-3592-g返修設(shè)備的底部加熱方式有2種，一種是熱風(fēng)加熱，一種是紅外加熱。熱風(fēng)加熱的優(yōu)點(diǎn)是加熱均勻，一般返修工藝建議采用這種加熱。紅外加熱的缺點(diǎn)是PCB受熱不均勻。
4）要選擇好的熱風(fēng)回流噴嘴。熱風(fēng)回流噴嘴屬于非接觸式加熱，加熱時(shí)依靠高溫空氣流使BGA芯片上的各焊點(diǎn)的焊錫同時(shí)溶化。美國(guó)Ok集團(tuán)首先發(fā)明這種噴嘴，它將BGA元件密封，保證在整個(gè)回流過(guò)程中有穩(wěn)定的溫度環(huán)境，同時(shí)可保護(hù)相鄰元件不被對(duì)流熱空氣加熱損壞。
四、結(jié)束語(yǔ)
在電子產(chǎn)品尤其是電腦與通信類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域，元器件向微小型化、多功能化、綠色化發(fā)展，各式封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)，BGA/CSP是當(dāng)今封裝技術(shù)的主流。BGA/CSP元器件的優(yōu)勢(shì)在于進(jìn)一步提高元器件的集成度，并縮小其封裝尺寸，因而提高了高密度貼裝技術(shù)的水平，十分適合電子產(chǎn)品輕、薄、短、小及功能多樣化的發(fā)展方向。
為滿足迅速增長(zhǎng)的對(duì)BGA元器件PCBA電路板組裝需求和生產(chǎn)者對(duì)絲網(wǎng)印刷、對(duì)中貼片和焊接過(guò)程控制精度的要求，提高BGA的組裝焊接及返修質(zhì)量，需選擇更安全、更快、更便捷的組裝與返修設(shè)備及工藝。
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