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BGA锡球元器件及其返修工艺
发布时间：2018/10/27 点击量：
一、概述
随着电子产品向小型化、便携化、网络化和高性能方向的发展，对PCBA电路组装技术和I/O引线数提出了更高的要求，芯片的体积越来越小，芯片的管脚越来越多，给生产和返修带来了困难。原来SMT中广泛使用的QFP（四边扁平封装），封装间距的极限尺寸停留在0.3mm，这种间距其引线容易弯曲、变形或折断，相应地对SMT组装工艺、设备精度、焊接材料提出严格的要求，即使如此，组装窄间距细引线的QFP，缺陷率仍相当高，最高可达6000PPm，使大范围应用受到制约。近年出现的BGA（Ball Grid Array 球栅阵列封装器件），由于芯片的管脚不是分布在芯片的周围而是分布在封装的底面，实际是将封装外壳基板原四面引出的引脚变成以面阵布局的Pb/Sn凸点引脚，这就可以容纳更多的I/O数，且可以较大的引脚间距如1.5、1.27mm代替QFP的0.4、0.3mm，很容易使用SMT与PCB上的布线引脚焊接互连，因此不仅可以使芯片在与QFP相同的封装尺寸下保持更多的封装容量，又使I/O引脚间距较大，从而大大提高了SMT组装的成品率，缺陷率仅为0.35PPm，方便了生产和返修，因而BGA元器件在电子产品生产领域获得了广泛使用。
随着引脚数增加，对于精细引脚在装配过程中出现的桥连、漏焊、缺焊等缺陷，利用手工工具很难进行修理，需用专门的返修设备并根据一定的返修工艺来完成。
二、BGA元器件的种类与特性
1、BGA元器件的种类
按封装材料的不同，BGA元件 主要有以下几种：
PBGA（Plastic BGA塑料封装的BGA）
CBGA（Ceramic BGA陶瓷封装的BGA）
CBGA（Ceramic Column BGA陶瓷柱状封装的BGA）
TBGA（tape BGA载带状封装的BGA）
CSP（Chip Scale Package或μBGA）
PBGA是目前使用较多的BGA，它使用63Sn/37Pb成分的焊锡球，焊锡的溶化温度约为
183°C。焊锡球直径在焊接前直径为0.75毫米，回流焊以后，焊锡球高度减为0.46-0.41毫米。PBGA的优点是成本较低，容易加工，不过应该注意，由于塑料封装，容易吸潮，所以对于普通的元件，在开封后一般应该在8小时内使用，否则由于焊接时的迅速升温，会使芯片内的潮气马上气化导致芯片损坏，有人称此为“ 苞米花” 效应。按照JeDeC的建议，PBGA芯片在拆封后必须使用的期限由芯片的敏感性等级决定（见表1）：
表1 PBGA芯片拆封后必须使用的期限
| 敏感性等级 |
|
拆封后必须使用的期限 |
|---|---|---|
| 1级 | =< 30 C , < 90% RH | 无限制 |
| 2级 | =< 30 C , < 60% RH | 1年 |
| 3级 | =< 30 C , < 60% RH | 168小时 |
| 4级 | =< 30 C , < 60% RH | 72小时 |
| 5级 | =< 30 C , < 60% RH | 24小时 |
CBGA焊球的成分为90Pb/10Sn，它与PCB连接处的焊锡成分仍为63Sn/37Pb，CBGA的焊锡球高度较PBGA高，因此它的焊锡溶化温度较PBGA高，较PBGA不容易吸潮，且封装的更牢靠。CBGA芯片底部焊点直径要比PCB上的焊盘大，拆除CBGA芯片后，焊锡不会粘在PCB的焊盘上，见表2。
表2 PBGA与CBGA焊接锡球的区别
| 特性 | PBGA | CBGA |
|---|---|---|
| 焊锡球成分 | 63Sn/37Pb | 90Pb/10Sn |
| 焊锡球溶化温度 | 183°C | 302°C |
| 溶化前焊锡球直径 | 0.75毫米 | 0.88毫米 |
| 溶化后焊锡球直径 | 0.4-0.5毫米 | 0.88毫米 |
CCBGA的焊锡柱直径为0.51毫米，柱高度为2.2毫米，焊锡柱间距一般为1.27毫米，焊锡柱的成分是90Pb/10Sn。
TBGA的焊锡球直径为0.76毫米，球间距为1.27毫米。与CBGA相比，TBGA对环境温度要求控制严格，因芯片受热时，热张力集中在4个角，焊接时容易有缺陷。
CSP芯片的封装尺寸仅略大于裸芯片尺寸不超过20％ ，这是CSP与BGA的主要区别。 CSP较BGA，除了体积小之外，还有更短的导电通路、更低的电抗性，更容易达到频率为500mhz-600mhz的范围。
2、BGA元器件的特性
我们可以从不同为304管脚的QFP与BGA芯片的比较上看出BGA的优点：
| 特性 | BGA | QFP |
|---|---|---|
| 封装尺寸(平方毫米) | 525 | 1600 |
| 脚间距(毫米) | 1.27 | 0.5 |
| 组装损坏率(ppm/管肢) | 0.6 | 100 |
| 元件管脚间信号干扰 | 1.0X | 2.25X |
概括起来，和QFP相比，BGA的特性主要有以下几点：
1）I/O引线间距大（如1.0，1.27，1.5毫米），可容纳的I/O数目大（如1.27毫米间距的 BGA在25毫米边长的面积上可容纳350个I/O 而0.5毫米间距的QFP在40毫米边长的面积上只容纳 304个I/O）。
2）封装可靠性高（不会损坏管脚），焊点缺陷率低（＜1PPm/焊点），焊点牢固。
3）QFP芯片的对中通常由操作人员用肉眼来观察，当管脚间距小于0.4毫米时，对中与焊接十分困难。而BGA芯片的脚间距较大，借助对中放大系统，对中与焊接都不困难。
4）容易对大尺寸电路板加工丝网板。
5）管脚水平面同一性较QFP容易保证 因为焊锡球在溶化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。
6）回流焊时，焊点之间的张力产生良好的自对中效果允许有50％的贴片精度误差。
7）有较好的电特性，由于引线短，导线的自感和导线间的互感很低，频率特性好。
8）能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容，原有的丝印机，贴片机和回流焊设备都可使用
当然，BGA也有缺点，主要是芯片焊接后需Ｘ射线检验，另外由于管脚呈球状栏栅状排列，需多层电路板布线，使电路板制造成本增加。
三、BGA返修工艺
大多数半导体器件的耐热温度为2402600C，对于BGA返修系统来说，加热温度和均匀性的控制显得非常重要。美国Ok集团的热风回流焊接及返修系统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决了这个问题。
本文以美国Ok集团的热风回流焊接及返修系统BGA-3592-g 为例简要说明BGA的返修工艺：
1、电路板、芯片预热
电路板、芯片预热的主要目的是将潮气去除，如果电路板和芯片内的潮气很小（如芯片刚拆封），这一步可以免除。
2、拆除芯片
拆除的芯片如果不打算重新使用，而且PCB可承受高温，拆除芯片可采用较高的温度（较短的加热周期）。
3、清洁焊盘
清洁焊盘主要是将拆除芯片后留在PCB表面的助焊剂、焊锡膏清理掉，必须使用符合要求的清洗剂。为了保证BGA的焊接可靠性，一般不能使用焊盘上旧的残留焊锡膏，必须将旧的焊锡膏清除掉，除非芯片上重新形成BGA焊锡球。由于BGA芯片体积小，特别是CSP（ChiP sCale PaCkage或μBGA），芯片体积更小，清洁焊盘比较困难，所以在返修CSP芯片时，如果CSP的周围空间很小，就需使用免清洗焊剂。
4、涂焊锡膏，助焊剂
在PCB上涂焊锡膏对于BGA的返修结果有重要影响。通过选用与芯片相符的模板，可以很方便地将焊锡膏涂在电路板上。用Ok集团的BGA-3592-g设备微型光学对中系统可以方便地检验焊锡膏是否涂的均匀。处理CSP芯片，有3种焊锡膏可以选择：rma焊锡膏，非清洗焊锡膏，水剂焊锡膏。使用rma焊锡膏，回流时间可略长些，使用非清洗焊锡膏，回流温度应选的低些。
5、贴片
贴片的主要目的是使BGA芯片上的每一个焊锡球与PCB上每一个对应的焊点对正。由于BGA芯片的焊点位于肉眼不能观测到的部位，所以必须使用专门的设备来对中。BGA-3592-g可进行精确的对中。
6、热风回流焊
热风回流焊是整个返修工艺的关键。其中，有几个问题比较重要：
1）芯片返修回流焊的曲线应当与芯片的原始焊接曲线接近，热风回流焊曲线可分成四个区间：预热区、加热区、回流区、冷却区，四个区间的温度，时间参数可以分别设定，通过与计算机连接，可以将这些程序存储和随时调用。
2）在回流焊过程中要正确选择各区的加热温度和时间，同时应注意升温的速度。一般，在100OC以前，最大的升温速度不超过6 OC/秒，100OC以后最大的升温速度不超过3OC /秒， 在冷却区，最大的冷却速度不超过6OC/秒。因为过高的升温速度和降温速度都可能损坏PCB和芯片，这种损坏有时是肉眼不能观察到的。不同的芯片，不同的焊锡膏，应选择不同的加热温度和时间。如CBGA芯片的回流温度应高于PBGA的回流温度，90Pb/10Sn应较63Sn/37Pb焊锡膏选用更高的回流温度。对免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接温度不宜过高，焊接时间不宜过长，以防止焊锡颗粒的氧化。
3）热风回流焊中，PCB板的底部必须能够加热。这种加热的目的有二个：避免由于PCB板的单面受热而产生翘曲和变形；使焊锡膏溶化的时间缩短。对大尺寸板返修BGA，这种底部加热尤其重要。BGA-3592-g返修设备的底部加热方式有2种，一种是热风加热，一种是红外加热。热风加热的优点是加热均匀，一般返修工艺建议采用这种加热。红外加热的缺点是PCB受热不均匀。
4）要选择好的热风回流喷嘴。热风回流喷嘴属于非接触式加热，加热时依靠高温空气流使BGA芯片上的各焊点的焊锡同时溶化。美国Ok集团首先发明这种喷嘴，它将BGA元件密封，保证在整个回流过程中有稳定的温度环境，同时可保护相邻元件不被对流热空气加热损坏。
四、结束语
在电子产品尤其是电脑与通信类电子产品的生产领域，元器件向微小型化、多功能化、绿色化发展，各式封装技术不断涌现，BGA/CSP是当今封装技术的主流。BGA/CSP元器件的优势在于进一步提高元器件的集成度，并缩小其封装尺寸，因而提高了高密度贴装技术的水平，十分适合电子产品轻、薄、短、小及功能多样化的发展方向。
为满足迅速增长的对BGA元器件PCBA电路板组装需求和生产者对丝网印刷、对中贴片和焊接过程控制精度的要求，提高BGA的组装焊接及返修质量，需选择更安全、更快、更便捷的组装与返修设备及工艺。
