bga焊接

對于BGA的焊接，我們是采用BGA Rework Station(BGA返修工作站)進行焊接的。不同廠商生產的BGA返修工作站采用的工藝原理略有不同，但大致是相同的。這里先介紹一下溫度曲線的概念。BGA上的錫球，分為無鉛和有鉛兩種。有鉛的錫球熔點在183℃~220℃，無鉛的錫球熔點在235℃~245℃.

這里給出有鉛錫球和無鉛球焊接時所采用的溫度曲線。

從以上兩個曲線可以看出，焊接大致分為預熱，保溫，回流，冷卻四個區(qū)間(不同的BGA返修工做站略有不同)無論有鉛焊接還是無鉛焊接，錫球融化階段都是在回流區(qū)，只是溫度有所不同，回流以前的曲線可以看作一個緩慢升溫和保溫的過程。明白了這個基本原理，任何BGA返修工作站都可以以此類推。這里，介紹一下這幾個溫區(qū):

也叫斜坡區(qū)，用來將PCB的溫度從周圍環(huán)境溫度提升到所須的活性溫度。在這個區(qū)，電路板和元器件的熱容不同，他們的實際溫度提升速率不同。電路板和元器件的溫度應不超過每秒2~5℃速度連續(xù)上升，如果過快，會產生熱沖擊，電路板和元器件都可能受損，如陶瓷電容的細微裂紋。而溫度上升太慢，焊膏會感溫過度，溶劑揮發(fā)不充分，影響焊接質量。爐的預熱區(qū)一般占整個加熱區(qū)長度的15~25 %。

有時叫做干燥或浸濕區(qū)，這個區(qū)一般占加熱區(qū)的30 ~ 50 %?；钚詤^(qū)的主要目的是使PCB上各元件的溫度趨于穩(wěn)定，盡量減少溫差。在這個區(qū)域里給予足夠的時間使熱容大的元器件的溫度趕上較小元件，并保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發(fā)。到活性區(qū)結束，焊盤、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去，整個電路板的溫度達到平衡。應注意的是PCB上所有元件在這一區(qū)結束時應具有相同的溫度，否則進入到回流區(qū)將會因為各部分溫度不均產生各種不良焊接現象。一般普遍的活性溫度范圍是120~150℃，如果活性區(qū)的溫度設定太高，助焊劑(膏)沒有足夠的時間活性化，溫度曲線的斜率是一個向上遞增的斜率。雖然有的焊膏制造商允許活性化期間一些溫度的增加，但是理想的溫度曲線應當是平穩(wěn)的溫度。

有時叫做峰值區(qū)或最后升溫區(qū)，這個區(qū)的作用是將PCB的溫度從活性溫度提高到所推薦的峰值溫度。活性溫度總是比合金的熔點溫度低一點，而峰值溫度總是在熔點上。典型的峰值溫度范圍是焊膏合金的熔點溫度加40℃左右，回流區(qū)工作時間范圍是20 - 50s。這個區(qū)的溫度設定太高會使其溫升斜率超過每秒2~5℃，或使回流峰值溫度比推薦的高，或工作時間太長可能引起PCB的過分卷曲、脫層或燒損，并損害元件的完整性?；亓鞣逯禍囟缺韧扑]的低，工作時間太短可能出現冷焊等缺陷。

這個區(qū)中焊膏的錫合金粉末已經熔化并充分潤濕被連接表面，應該用盡可能快的速度來進行冷卻，這樣將有助于合金晶體的形成，得到明亮的焊點，并有較好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會導致電路板的雜質更多分解而進入錫中,從而產生灰暗粗糙的焊點。在極端的情形下，其可能引起沾錫不良和減弱焊點結合力。冷卻段降溫速率一般為3~10 ℃/ S。

1、電路板孔的可焊性影響焊接質量

電路板孔可焊性不好，將會產生虛焊缺陷，影響電路中元件的參數，導致多層板元器件和 內層線導通不穩(wěn)定，引起整個電路功能失效。所謂可焊性就是金屬表面被 熔融焊料潤濕的性質，即焊料所在金屬表面形成一層相對均勻的連續(xù)的光滑的附著薄膜。影響印刷電路板可焊性的因素主要有:(1)焊料的成份和被焊料的性質。 焊料是焊接化學處理過程中重要的組成部分，它由含有助焊劑的化學材料組成，常用的低熔點共熔金屬為Sn-Pb或Sn-Pb-Ag.其中雜質含量要有一定的 分比控制，以防雜質產生的氧化物被助焊劑溶解。焊劑的功能是通過傳遞熱量，去除銹蝕來幫助焊料潤濕被焊板電路表面。一般采用白松香和異丙醇溶劑。(2)焊 接溫度和金屬板表面清潔程度也會影響可焊性。溫度過高，則焊料擴散速度加快，此時具有很高的活性，會使電路板和焊料溶融表面迅速氧化，產生焊接缺陷，電路 板表面受污染也會影響可焊性從而產生缺陷，這些缺陷包括錫珠、錫球、開路、光澤度不好等。

2、翹曲產生的焊接缺陷

電路板和元器件在焊接過程中產生翹曲，由于應力變形而產生虛焊、短路等缺陷。翹曲往往是由于電路板的上下部分溫度不平衡造成的。對大的PCB,由于板自 身重量下墜也會產生翹曲。普通的PBGA器件距離印刷電路板約0.5mm,如果電路板上器件較大，隨著線路板降溫后恢復正常形狀，焊點將長時間處于應力作 用之下，如果器件抬高0.1mm就足以導致虛焊開路。

3、電路板的設計影響焊接質量

在布局上，電路板尺寸過大時，雖然焊接較容易控制，但印刷線條長，阻抗增大，抗噪聲能力下降，成本 增加;過小時，則散熱下降，焊接不易控制，易出現相鄰 線條相互干擾，如線路板的電磁干擾等情況。因此，必須優(yōu)化PCB板設計:(1)縮短高頻元件之間的連線、減少EMI干擾。(2)重量大的(如超過20g) 元件，應以支架固定，然后焊接。(3)發(fā)熱元件應考慮散熱問題，防止元件表面有較大的ΔT產生缺陷與返工，熱敏元件應遠離發(fā)熱源。(4)元件的排列盡可能 平行，這樣不但美觀而且易焊接，宜進行大批量生產。電路板設計為4∶3的矩形最佳。導線寬度不要突變，以避免布線的不連續(xù)性。電路板長時間受熱時，銅箔容 易發(fā)生膨脹和脫落，因此，應避免使用大面積銅箔。

BGA焊接采用的回流焊的原理。這里介紹一下錫球在焊接過程中的回流機理。

當錫球至于一個加熱的環(huán)境中，錫球回流分為三個階段:

首先，用于達到所需粘度和絲印性能的溶劑開始蒸發(fā)，溫度上升必需慢(大約每秒5° C)，以限制沸騰和飛濺，防止形成小錫珠，還有，一些元件對內部應力比較敏感，如果元件外部溫度上升太快，會造成斷裂。

助焊劑(膏)活躍，化學清洗行動開始，水溶性助焊劑(膏)和免洗型助焊劑(膏)都會發(fā)生同樣的清洗行動，只不過溫度稍微不同。將金屬氧化物和某些污染從即將結合的金屬和焊錫顆粒上清除。好的冶金學上的錫焊點要求"清潔"的表面。

當溫度繼續(xù)上升，焊錫顆粒首先單獨熔化，并開始液化和表面吸錫的"燈草"過程。這樣在所有可能的表面上覆蓋，并開始形成錫焊點。

這個階段最為重要，當單個的焊錫顆粒全部熔化后，結合一起形成液態(tài)錫，這時表面張力作用開始形成焊腳表面，如果元件引腳與PCB焊盤的間隙超過4mil(1 mil = 千分之一英寸)，則極可能由于表面張力使引腳和焊盤分開，即造成錫點開路。

冷卻階段，如果冷卻快，錫點強度會稍微大一點，但不可以太快否則會引起元件內部的溫度應力。

在焊接BGA之前，PCB和BGA都要在80℃~90℃，10~20小時的條件下在恒溫烤箱中烘烤，目的是除潮，更具受潮程度不同適當調節(jié)烘烤溫度和時間。沒有拆封的PCB和BGA可以直接進行焊接。特別指出，在進行以下所有操作時，要佩戴靜電環(huán)或者防靜電手套，避免靜電對芯片可能造成的損害。在焊接BGA之前，要將BGA準確的對準在PCB上的焊盤上。這里采用兩種方法:光學對位和手工對位。目前主要采用的手工對位，即將BGA的四周和PCB上焊盤四周的絲印線對齊。這里有個具竅:在把BGA和絲印線對齊的過程中，及時沒有完全對齊，即使錫球和焊盤偏離30%左右，依然可以進行焊接。因為錫球在融化過程中，會因為它和焊盤之間的張力而自動和焊盤對齊。在完成對齊的操作以后，將PCB放在BGA返修工作站的支架上，將其固定，使其和BGA返修工作站水平。選擇合適的熱風噴嘴(即噴嘴大小比BGA大小略大)，然后選擇對應的溫度曲線，啟動焊接，待溫度曲線完畢，冷卻，便完成了BGA的焊接。

在生產和調試過程中，難免會因為BGA損壞或者其他原因更換BGA。BGA返修工作站同樣可以完成拆卸BGA的工作。拆卸BGA可以看作是焊接BGA的逆向過程。所不同的是，待溫度曲線完畢后，要用真空吸筆將BGA吸走，之所以不用其他工具，比如鑷子，是因為要避免因為用力過大損壞焊盤。將取下BGA的PCB趁熱進行除錫操作(將焊盤上的錫除去)，為什么要趁熱進行操作呢?因為熱的PCB相當與預熱的功能，可以保證除錫的工作更加容易。這里要用到吸錫線，操作過程中不要用力過大，以免損壞焊盤，保證PCB上焊盤平整后，便可以進行焊接BGA的操作了。

取下的BGA可否再次進行焊接呢?答案是肯定的。但在這之前有個關鍵步驟，那就是植球。植球的目的就是將錫球重新植在BGA的焊盤上，可以達到和新BGA同樣的排列效果。這里詳細介紹下植球。這里要用到兩個工具鋼網和吸錫線。

首先我們要把BGA上多余的錫渣除去，要求是要使BGA表面光滑，無任何毛刺(錫形成的)。

第一步--涂抹助焊膏(劑)

把BGA放在導電墊上，在BGA表面涂抹少量的助焊膏(劑)。

第二步--除去錫球

用吸錫線和烙鐵從BGA上移除錫球。在助焊膏上放置吸錫線把烙鐵放在吸錫線上面

在你在BGA表面劃動洗錫線之前，讓烙鐵加熱吸錫線并且熔化錫球。

注意:不要讓烙鐵壓在表面上。過多的壓力會讓表面上產生裂縫者刮掉焊盤。為了達到最好的效果，最好用吸錫線一次就通過BGA表面。少量的助焊膏留在焊盤上會使植球更容易。

第三步--清洗

立即用工業(yè)酒精(洗板水)清理BGA表面，在這個時候及時清理能使殘留助焊膏更容易除去。

利用摩擦運動除去在BGA表面的助焊膏。保持移動清洗。清洗的時候總是從邊緣開始，不要忘了角落。

清洗每一個BGA時要用干凈的溶劑

第四步--檢查

推薦在顯微鏡下進行檢查。觀察干凈的焊盤，損壞的焊盤及沒有移除的錫球。

注意:由于助焊劑的腐蝕性，推薦如果沒有立即進行植球要進行額外清洗。

第五步--過量清洗

用去離子水和毛刷在BGA表面用力擦洗。

注意:為了達到最好的清洗效果，用毛刷從封裝表面的一個方向朝一個角落進行來回洗。循環(huán)擦洗。

第六步--沖洗

用去離子水和毛刷在BGA表面進行沖洗。這有助于殘留的焊膏從BGA表面移除去。

接下來讓BGA在空氣中風干。用第4步反復檢查BGA表面。

如果在植球前BGA被放置了一段時間，可以基本上確保它們是非常干凈的了。不推薦把BGA放在水里浸泡太長的時間。

在進行完以上操作后，就可以植球了。這里要用到鋼網和植臺。

鋼網的作用就是可以很容易的將錫球放到BGA對應的焊盤上。植球臺的作用就是將BGA上錫球熔化，使其固定在焊盤上。植球的時候，首先在BGA表面(有焊盤的那面)均勻的涂抹一層助焊膏(劑)，涂抹量要做到不多不少。涂抹量多了或者少了都有可能造成植球失敗。將鋼網(這里采用的是萬能鋼網)上每一個孔與BGA上每一個焊盤對齊。然后將錫球均與的倒在鋼網上，用毛刷或其他工具將錫球撥進鋼網的每一個孔里，錫球就會順著孔到達BGA的焊盤上。進行完這一步后，仔細檢查有沒有和焊盤沒對齊的錫球，如果有，用針頭將其撥正。小心的將鋼網取下，將BGA放在高溫紙上，放到植球臺上。植球臺的溫度設定是依據有鉛錫球220℃，無鉛錫球235℃來設定的。植球的時間不是固定的。實際上是根據當BGA上錫球都熔化并表面發(fā)亮，成完整的球形的時候來判定的，這些通過肉眼來觀察?？梢杂涗涍_到這樣的狀態(tài)所用時間，下次植球按照這個時間進行即可。

BGA植球是一個需要耐心和細心的工作，進行操作的時候要仔

細認真。

1.3國內外水平現狀

BGA(Ball Grid Array Package)是這幾年最流行的封裝形式

它的出現可以大大提高芯片的集成度和可制造性。由于中國在

BGA焊接技術方面起步較晚，國內能制造BGA返修工作站的廠

家也不多，因此，BGA返修工作站在國內比較少，尤其是在西部。

有著光學對位，X-RAY功能的BGA返修站就更為少見，或許后期中國在X-RAY的返修站能夠多多建立，目前東部的檢測有個英華檢測提供這個方面的檢測，下面看技術方面吧!

1.4 解決的技術難點

在實際的工作當中，會遇到不同大小，不同厚度的PC不同大

小的BGA，有采用無鉛焊接的也有采用有鉛焊接的。它們采用的溫度曲線也不同。因此，不可能用一種溫度曲線來焊接所有的BGA。如何根據條件的不同來設定不同的溫度曲線，這就是在BGA焊接過程中的關鍵。這里給出幾組圖片加以說明。

造成溫度不對的原因有很多，還有一個原因就是在測試溫度曲線的時候，都是在空調環(huán)境下進行的，也就是說不是常溫。夏天和冬天空調造成溫度和常溫不符合，因此在設定BGA溫度曲線的時候會偏高或偏低。所以在每次進行焊接的時候，都要測試實際溫度是否符合所設定的溫度值。溫度設定的原理就是首先根據是有鉛焊接或者無鉛焊接設定相應溫度，然后用溫度計(或者熱電偶)測試實際溫度，然后根據實際溫度調節(jié)設定的溫度，使之達到最理想的溫度進行焊接。在焊接的過程中，一定要保證BGA返修工作站，PCB，BGA在同一水平線上，焊接過程中不能發(fā)生震動，不然會使錫球融化的時候發(fā)生橋接，造成短路。

PCB板的設計一般好的板子不僅節(jié)約材料，而且各方面的電氣特性也是很好的，比如散熱、防干擾等。

IR視頻BGA返修臺

IR型返修臺

精密貼片焊接系統(tǒng)

精密維修系統(tǒng)

BGA光學返修臺

按封裝材料的不同，BGA元器件主要有以下幾種:

PBGA(plastic BGA,塑料封裝的BGA);CBGA(ceramic BGA，陶瓷封裝的BGA);CCBGA(ceramic column BGA，陶瓷柱狀封裝的BGA);TBGA(tape BGA,載帶狀封裝的BGA);CSP(ship scale package或μBGA)

PBGA(Plastic Ball Grid Array),它采用BT 樹脂/玻璃層壓板作為基板，以塑膠(環(huán)氧模塑混合物)作為密封材料，焊球可分為有鉛焊料(63Sn37Pb、62Sn36Pb2Ag)和無鉛焊料(Sn96.5Ag3Cu0.5)，焊球和封裝體的連接不需要另外使用焊料。

有一些PBGA 封裝為腔體結構，分為腔體朝上和腔體朝下兩種。這種帶腔體的PBGA是為了增強其散熱性能，稱之為熱增強型BGA，簡稱EBGA，有的也稱之為CPBGA(腔體塑料焊球數組).

PBGA 封裝的優(yōu)點:

1、與 PCB 板的熱匹配性好。PBGA 結構中的BT 樹脂/玻璃層壓板的熱膨脹系數(CTE)約為14ppm/℃，PCB 板的約為17ppm/cC，兩種材料的CTE 比較接近，因而熱匹配性好;

2、在回流焊過程中可利用焊球的自對準作用，即熔融焊球的表面張力來達到焊球與焊盤的對準要求;

3、成本低;

4、電性能良好。

PBGA 封裝的缺點:

對濕氣敏感，不適用于有氣密性要求和可靠性要求高的器件的封裝。

CBGA(Ceramic Ball Grid Array)在BGA 封裝系列中的歷史最長。它的基板是多層陶瓷，金屬蓋板用密封焊料焊接在基板上，用以保護芯片、引線及焊盤。焊球材料為高溫共晶焊料10Sn90Pb，焊球和封裝體的連接需使用低溫共晶焊料63Sn37Pb。

CBGA 封裝的優(yōu)點如下:

1、氣密性好，抗?jié)駳庑阅芨?，因而封裝組件的長期可靠性高;

2、與 PBGA 器件相比，電絕緣特性更好;

3、與 PBGA 器件相比，封裝密度更高;

4、散熱性能優(yōu)于 PBGA 結構。

CBGA 封裝的缺點如下:

1、由于陶瓷基板和 PCB 板的熱膨脹系數(CTE)相差較大，因此熱匹配性差，焊點疲勞是其主要的失效形式;

2、與 PBGA 器件相比，封裝成本高;

3、在封裝體邊緣的焊球對準難度增加。

TBGA(Tape Ball Grid Array) 是一種有腔體結構，TBGA 封裝的芯片與基板互連方式有兩種:倒裝焊鍵合和引線鍵合。芯片倒裝鍵合在多層布線柔性載帶上;用作電路I/O 端的周邊數組焊料球安裝在柔性載帶下面;它的厚密封蓋板又是散熱器(熱沉)，同時還起到加固封裝體的作用，使柔性基片下面的焊料球具有較好的共面性。芯片粘結在芯腔的銅熱沉上;芯片焊盤與多層布線柔性載帶基片焊盤用鍵合引線實現互連;用密封劑將電路芯片、引線、柔性載帶焊盤包封(灌封或涂敷)起來。

TBGA 的優(yōu)點如下:

1、 封裝體的柔性載帶和 PCB 板的熱匹配性能較好;

2、在回流焊過程中可利用焊球的自對準作用，印焊球的表面張力來達到焊球與焊盤的對準要求;

3、是最經濟的 BGA 封裝;

4、 散熱性能優(yōu)于 PBGA 結構。

TBGA 的缺點如下:

1、對濕氣敏感;

2、不同材料的多級組合對可靠性產生不利的影響。

MCM-PBGA(Multiple chip module-PBGA)，多芯片模塊PBGA;

μBGA，微BGA，是一種芯片尺寸封裝;

SBGA(Stacked ball grid array)，疊層BGA;

etBGA，最薄的BGA結構，封裝體高度為0.5mm，接近于芯片尺寸;

CTBGA、CVBGA(Thin and Very Thin Chip Array BGA)，薄型、超薄型BGA;

分光學對位與非光學對位

光學對位--通過光學模塊采用裂棱鏡成像，LED照明方式，調整光場分布，使小芯片成像顯示與顯示器上。以達到光學對位返修。

非光學對位--則是通過肉眼將BGA根據PCB板絲印線及點對位，以達到對位返修。

針對不同大小的BGA原件進行視覺對位，焊接、拆卸的智能操作設備，有效提高返修率生產率，大大降低成本。 BGA:BGA封裝內存

BGA封裝(Ball Grid Array Package)的I/O端子以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面，BGA技術的優(yōu)點是I/O引腳數雖然增加了，但引腳間距并沒有減小反而增加了，從而提高了組裝成品率;雖然它

的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善它的電熱性能;厚度和重量都較以前的封裝技術有所減少;寄生參數減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高;組裝可用共面焊接，可靠性高。

BGA封裝技術可詳分為五大類:

1.PBGA(Plasric BGA)基板:一般為2-4層有機材料構成的多層板。Intel系列CPU中，Pentium II、III、IV處理器均采用這種封裝形式。

2.CBGA(CeramicBGA)基板:即陶瓷基板，芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片(FlipChip，簡稱FC)的安裝方式。Intel系列CPU中，Pentium I、II、Pentium Pro處理器均采用過這種封裝形式。

3.FCBGA(FilpChipBGA)基板:硬質多層基板。

4.TBGA(TapeBGA)基板:基板為帶狀軟質的1-2層PCB電路板。

5.CDPBGA(Carity Down PBGA)基板:指封裝中央有方型低陷的芯片區(qū)(又稱空腔區(qū))。

說到BGA封裝就不能不提Kingmax公司的專利TinyBGA技術，TinyBGA英文全稱為Tiny Ball Grid Array(小型球柵陣列封裝)，屬于是BGA封裝技術的一個分支。是Kingmax公司于1998年8月開發(fā)成功的，其芯片面積與封裝面積之比不小于1:1.14，可以使內存在體積不變的情況下內存容量提高2~3倍，與TSOP封裝產品相比，其具有更小的體積、更好的散熱性能和電性能。

BGA主要有四種基本類型:PBGA、CBGA、CCGA和TBGA，一般都是在封裝體的底部連接著作為I/O引出端的焊球陣列。這些封裝的焊球陣列典型的間距為1.0mm、1.27mm、1.5mm，焊球的鉛錫組份常見的主要有63Sn/37Pb和90Pb/10Sn兩種，焊球的直徑由于沒有這方面相應的標準而各個公司不盡相同。從BGA的組裝技術方面來看，BGA有著比QFP器件更優(yōu)越的特點，其主要體現在BGA器件對于貼裝精度的要求不太嚴格，理論上講，在焊接回流過程中，即使焊球相對于焊盤的偏移量達50%之多，也會由于焊料的表面張力作用而使器件位置得以自動校正，這種情況經實驗證明是相當明顯的。其次，BGA不再存在類似QFP之類器件的引腳變形問題，而且BGA還具有相對QFP等器件較良好的共面性，其引出端間距與QFP相比要大得多，可以明顯減少因焊膏印刷缺陷導致焊點"橋接"的問題;另外，BGA還有良好的電性能和熱特性，以及較高的互聯密度。BGA的主要缺點在于焊點的檢測和返修都比較困難，對焊點的可靠性要求比較嚴格，使得BGA器件在很多領域的應用中受到限制。