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BGA的缺陷分析及返修工藝技術(shù)
BGA焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量是直接影響產(chǎn)品品質(zhì)乃至整機(jī)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。它受許多參數(shù)的影響，如焊膏、PCB板的焊盤設(shè)計(jì)、BGA的可焊性、焊膏的印刷、貼裝精度以及回流焊接工藝等。我們在進(jìn)行SMT工藝研究和生產(chǎn)中，深知合理的表面組裝工藝技術(shù)在控制和提高SMT生產(chǎn)質(zhì)量中起到至關(guān)重要的作用。BGA器件的應(yīng)用越來越廣泛，球數(shù)也越來越多，引腳的間距也越來越小，生產(chǎn)的難度不斷地在增大。
1.BGA簡介
BGA技術(shù)的研究始于60年代，一直被美國IBM公司采用，但一直到90年代初，BGA 才真正進(jìn)入實(shí)用化的階段。在80年代，人們對電子電路小型化和I/O引線數(shù)提出了更高的要求。雖然SMT使電路組裝具有輕、薄、短、小的特點(diǎn)，對于具有高引線數(shù)的精細(xì)間距器件的引線間距以及引線共平面度也提出了更為嚴(yán)格的要求，但是由于受到加工精度、可生產(chǎn)性、成本和組裝工藝的制約，一般認(rèn)為 QFP(Quad Flat Pack 方型扁平封裝)器件間距的極限為0.3 mm，這對于表面貼裝技術(shù)來講，無論從可制造性或器件焊接的可靠性都已經(jīng)達(dá)到了極限，不良機(jī)率越來越高。這就大大限制了高密度表面貼裝技術(shù)的發(fā)展需求。另外，由于精細(xì)間距QFP器件對組裝工藝要求嚴(yán)格，使其應(yīng)用受到了限制，為此美國一些公司就把注意力放在開發(fā)和應(yīng)用比QFP器件更優(yōu)越的BGA器件上。精細(xì)間距器件的局限性在于細(xì)引腳易彎曲、質(zhì)脆而易斷，對平面度和于引線間的共貼裝精度的要求很高。 BGA技術(shù)采用的是一種全新的設(shè)計(jì)思維方式，它采用將圓型或者柱狀點(diǎn)隱藏在封裝下面的結(jié)構(gòu)，焊球間距大、焊球長度短。相對于同樣尺寸的QFP器件，BGA能夠提供多至幾倍的引腳數(shù)（BGA芯片的焊球就相當(dāng)于引腳）這對于表面貼裝來講是件好事，可以大幅度地提高焊接合格率和一次成功率。
BGA主要結(jié)構(gòu)分為三部分；主體基板、芯片和封裝；逡幻婧附用，另一面為芯片封裝面。焊接面上球形焊矩陣狀排列；鍨樘貏e精細(xì)的印制線路板，有雙面板與多層板幾種形式。對于引出端數(shù)較多的基板一般為多層板，內(nèi)部為走線層與電源、接地層。對于引出數(shù)端較少的基板用雙面板即可。在芯片封裝面上IC芯片以COB方式與基板連接。
2.BGA焊接質(zhì)量的檢查
由于BGA焊球在芯片的下面，焊接完成之后很難用肉眼去判斷其焊接質(zhì)量。在沒有檢查設(shè)備的情況下，可先目視觀察外面一圈焊點(diǎn)的塌陷是一致，再將芯片對著光看，如果每一排每一列都能透過光，那么可以斷定沒有連焊，有時(shí)尺寸大一點(diǎn)的焊錫也能看見。但用這種方法就無法判斷里面的焊點(diǎn)是否存在其它缺陷或焊點(diǎn)里面是否有空洞。要想更清楚地判斷焊點(diǎn)的質(zhì)量，還必須使用Ｘ光檢測設(shè)備來檢查。
X光檢測設(shè)備是用Ｘ射線斷層照相，通過它可以把焊接球分層，產(chǎn)生斷層照相的效果。Ｘ射線斷層照相的圖片能夠根據(jù)CAD原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和用戶設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)分析焊點(diǎn)，它實(shí)時(shí)地進(jìn)行斷層掃描，能夠在幾十秒（視電路板焊點(diǎn)的數(shù)量及復(fù)雜程度不同）對PCB的兩面的所有元件的所有焊點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的對比分析，得出焊接合格與否的結(jié)論。想要檢查某一層的焊接情況，只要將這一層調(diào)整到聚集平面的位置，就會很清楚地將掃描結(jié)果展現(xiàn)出來。同時(shí)也可以把圖片用設(shè)備下面的Ｘ光照相機(jī)拍下來。
3.BGA焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn)
不管用哪種檢查設(shè)備進(jìn)行檢查，判斷焊點(diǎn)的質(zhì)量是否合格都必須有依據(jù)。IPC-A-610C專門對BGA焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定義。優(yōu)選的BGA焊點(diǎn)的要求是焊點(diǎn)光滑、圓、邊界清晰、無空洞，所有焊點(diǎn)的直徑、體積、灰度和對比度均一樣，位置對準(zhǔn)，無偏移或扭轉(zhuǎn)，無焊錫球。焊接完成后，優(yōu)選的標(biāo)準(zhǔn)是追求的目標(biāo)，但作為合格焊點(diǎn)的判據(jù)，還可以比上述標(biāo)準(zhǔn)要求稍微放松。如位置對準(zhǔn)，允許BGA焊點(diǎn)相對于焊盤有不超過25%的偏移量，焊錫球也不是肯定不允許存在，但焊錫球不能大于相鄰的兩個(gè)焊球間距的25%。
BGA中的缺陷空洞IPC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接收標(biāo)準(zhǔn)為：焊盤層的空洞不能大于焊球面積的25%，當(dāng)焊盤層空洞的面積超過焊球面積的25%時(shí)，就視為一種缺陷，這時(shí)空洞的存在會對焊點(diǎn)的機(jī)械或電性能的可靠性造成隱患。
4.BGA空洞的形成原因
BGA焊球在焊接前本身就可能帶有空洞，這可能是由于焊球制作工藝中就引入了空洞，或是PCB表面印刷的焊膏材料的問題導(dǎo)致的，電路板的設(shè)計(jì)也是形成空洞的一個(gè)主要原因。例如，把過孔設(shè)計(jì)在焊盤的下面，在焊接的過程中，外界的空氣通過過孔進(jìn)入熔溶狀態(tài)的焊球，焊接完成冷卻后焊球中就會留下空洞。焊盤層中發(fā)生的空洞可能是由于焊盤上面印刷的焊膏中的助焊劑在再流焊接過程中揮發(fā)，氣體從熔化的焊料中逸出，冷卻后就形成了空洞。焊盤的鍍層不好或焊盤表面有污染都可能是在焊盤層出現(xiàn)空洞的原因。
產(chǎn)生空洞機(jī)率**多的位置是在元件層，也就是焊球的中央到BGA基板之間的部分。這有可能是因?yàn)镻CB上面BGA的焊盤在再流焊接的過程中，存在有空氣氣泡和揮發(fā)的助焊劑氣體，當(dāng)BGA的共晶焊球與所施加的焊膏在再流焊過程中熔為一體時(shí)形成空洞。如果再流溫度曲線在再流區(qū)時(shí)間不夠長，空氣氣泡和助焊劑中揮發(fā)的氣體來不及逸出，熔溶的焊膏已經(jīng)進(jìn)入冷卻區(qū)變?yōu)楣虘B(tài)，便形成了空洞。所以，再流溫度曲線也是形成空洞的一種原因。
PCB在制作時(shí)也要在焊接面焊盤周圍的過孔涂覆阻礙焊膜，加阻焊膜的目的是為避免在焊接時(shí)空氣從底部流進(jìn)來增大形成空洞的機(jī)率，同時(shí)也可以避免焊錫從通孔中流出，造成虛焊或錫少等不良。
5.生產(chǎn)中遇到的一些實(shí)例
我們在生產(chǎn)中曾遇到過一些這樣的實(shí)例，采用同樣的生產(chǎn)工藝，只是印刷后的PCB板所停留在室內(nèi)時(shí)間不同，首件板從印刷→貼裝→首件確認(rèn)→回流共花費(fèi)兩小時(shí)，批量生產(chǎn)從印刷→貼裝→中檢→回流共花費(fèi)10分鐘，使用X光機(jī)檢測同一位號BGA的空洞卻有明顯的變化，首件板的空洞比率少及小，批量生產(chǎn)的板空洞比率多且比較大，為了驗(yàn)證這一現(xiàn)象，我們以同樣的工藝生產(chǎn)印刷貼裝10PCS并作流水編號1～10，全部貼裝完畢后先回流編號1～5的PCB板，并用X光機(jī)對BGA位號作檢測，發(fā)現(xiàn)BGA空洞的分布比率在30%～50%之間，空洞面積大小在5%～20%之間，6～10號的PCB在室內(nèi)停留150 min后回流，并對同一位號BGA作檢測， BGA的空洞分布率及空洞明顯下降，分布空洞比率在5%～20%之間，空洞面積大小在1%～10%之間，后來在多次生產(chǎn)得出的結(jié)果也一樣，由此可見，由于印后PCB板上錫膏較量少且停留在室內(nèi)時(shí)間較長，使焊膏中水份明顯降低，所以首件板BGA的空洞少而小。
6.BGA的返修
BGA的返修技術(shù)難點(diǎn)在于如何將BGA器件無損傷從PCB上拆卸下來，再將新的器件高精度地貼裝上去并保證質(zhì)量地去焊接。BGA的返修成本明顯地高于QFP，因?yàn)锽GA組裝的任何不合格缺陷都需要進(jìn)行拆焊返修，就算是單一的短路或開路返修都是不可能像QFP器件一樣直接用鉻鐵進(jìn)行返修的，返修一個(gè)BGA比QFP更困難，同時(shí)需要附加的工具投資。
BGA器件的拆卸可采用熱傳導(dǎo)，對流等幾種方式，通常要求加熱的溫度及時(shí)間是可控制調(diào)整的，可通過設(shè)置高低不同的溫度和長短不一的加熱計(jì)時(shí)器來保證可重復(fù)性。如果采用傳導(dǎo)方式來拆卸BGA器件，需用專用的傳導(dǎo)工具，將該工具的加熱頭加熱到300多度后放在器件上，利用器件上傳熱量，使器件引出端的焊料熔化，達(dá)到拆卸的目的；如果采用熱流方式，熱風(fēng)嘴要處于返修的BGA表面上，且BGA表面和熱風(fēng)嘴要有3～5MM的距離，并從頂部加熱，熱風(fēng)嘴尺寸應(yīng)大于器件外形5MM左右。為了避免元件爆裂及PCB板起泡，在拆焊器件之前先要在120 ℃溫度下烘烤4 h～12 h，并且器件焊點(diǎn)下面加一些液體助焊劑，可使加熱更均勻，同時(shí)也要小心地控制其加熱溫度、加熱時(shí)間。
器件拆卸后，必須為重新焊接做好準(zhǔn)備，如何能平整地清理干凈遺留在PCB板上的焊料，目前比較理想比較方便的方法就是用吸錫帶把它們吸走，同時(shí)為了保證焊盤陣列的共面性和清潔度，有必要對返修區(qū)進(jìn)行熱風(fēng)整平。
當(dāng)重貼BGA器件時(shí)，必須使器件底面上的焊球與PCB板上的焊膏相連接，但大部分返修的PCB板四周已焊接了密集元件，再使用初始的模板印刷膏是不可能的，這時(shí)可把BGA器件固定在一夾具上，然后用焊膏模板來對準(zhǔn)BGA的焊球，再用一小刮刀印刷焊膏，使每一個(gè)BGA焊盤陣列都有焊膏。
選用印刷焊膏后再貼裝僅是一選擇方案，也可直接使用BGA專用助焊劑涂在焊盤上后貼裝它也可保證實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊點(diǎn)，因?yàn)锽GA本身的焊球就是一種焊料。
7.結(jié)論
BGA的焊接技術(shù)難點(diǎn)在于返修工藝上，所以我們必需注重過程控制及預(yù)防，而產(chǎn)生不良的原因有很多，只顧調(diào)整某一項(xiàng)參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們需要在生產(chǎn)過程中研究如何能控制各項(xiàng)因素，從而使焊接達(dá)到可觀的效果。
BGA的焊接只要我們控制好以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，問題可發(fā)生的機(jī)率就會降低。
（1）PCB板上要將所有BGA焊點(diǎn)的焊盤設(shè)計(jì)成一樣大，且要焊盤焊點(diǎn)表面平滑。
（2）焊膏的使用必需保證焊膏回溫時(shí)間足夠、攪拌均勻、印刷焊膏涂覆的位置準(zhǔn)確，元件貼裝的位置準(zhǔn)確。
（3）印刷的錫量要適中及印后錫料成形無拉尖或塌落現(xiàn)象。
（4）BGA器件要在焊接前進(jìn)120 ℃烘烤12h。
（5）回流溫度曲線是一個(gè)非常重要的因素。在焊接過程中，要保證焊接曲線過渡自然，使器件均勻受熱，尤其在焊接區(qū)，要保證所有焊點(diǎn)充分熔化。否則將會由于溫度不夠形成冷焊點(diǎn)，焊點(diǎn)表面粗糙，或第二次塌落階段沒有充分熔化，PCB表面的焊膏與元件本身的焊錫中間出現(xiàn)裂紋，造成虛焊或開焊。
