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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(pán)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?cè)谶M(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(lái)越廣泛，球數(shù)也越來(lái)越多，引腳的間距也越來(lái)越小，生產(chǎn)的難度不斷地在增大。
1.BGA簡(jiǎn)介
BGA技術(shù)的研究始于60年代，一直被美國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)于表面貼裝技術(shù)來(lái)講，無(wú)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(lái)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(duì)組裝工藝要求嚴(yán)格，使其應(yīng)用受到了限制，為此美國(guó)一些公司就把注意力放在開(kāi)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(duì)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(zhǎng)度短。相對(duì)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(duì)于表面貼裝來(lái)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(duì)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(duì)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(méi)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(duì)著光看，如果每一排每一列都能透過(guò)光，那么可以斷定沒(méi)有連焊，有時(shí)尺寸大一點(diǎn)的焊錫也能看見(jiàn)。但用這種方法就無(wú)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(cè)設(shè)備來(lái)檢查。
X光檢測(cè)設(shè)備是用Ｘ射線斷層照相，通過(guò)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(duì)PCB的兩面的所有元件的所有焊點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的對(duì)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(huì)很清楚地將掃描結(jié)果展現(xiàn)出來(lái)。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(lái)。
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(zhuān)門(mén)對(duì)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(wú)空洞，所有焊點(diǎn)的直徑、體積、灰度和對(duì)比度均一樣，位置對(duì)準(zhǔn)，無(wú)偏移或扭轉(zhuǎn)，無(wú)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(duì)準(zhǔn)，允許BGA焊點(diǎn)相對(duì)于焊盤(pán)有不超過(guò)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(pán)層的空洞不能大于焊球面積的25%，當(dāng)焊盤(pán)層空洞的面積超過(guò)焊球面積的25%時(shí)，就視為一種缺陷，這時(shí)空洞的存在會(huì)對(duì)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(wèn)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(guò)孔設(shè)計(jì)在焊盤(pán)的下面，在焊接的過(guò)程中，外界的空氣通過(guò)過(guò)孔進(jìn)入熔溶狀態(tài)的焊球，焊接完成冷卻后焊球中就會(huì)留下空洞。焊盤(pán)層中發(fā)生的空洞可能是由于焊盤(pán)上面印刷的焊膏中的助焊劑在再流焊接過(guò)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(pán)的鍍層不好或焊盤(pán)表面有污染都可能是在焊盤(pán)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(pán)在再流焊接的過(guò)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(guò)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(zhǎng)，空氣氣泡和助焊劑中揮發(fā)的氣體來(lái)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(pán)周?chē)倪^(guò)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(lái)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?cè)谏a(chǎn)中曾遇到過(guò)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(cè)同一位號(hào)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(hào)1～10，全部貼裝完畢后先回流編號(hào)1～5的PCB板，并用X光機(jī)對(duì)BGA位號(hào)作檢測(cè)，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(hào)的PCB在室內(nèi)停留150 min后回流，并對(duì)同一位號(hào)BGA作檢測(cè)， 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(lái)在多次生產(chǎn)得出的結(jié)果也一樣，由此可見(jiàn)，由于印后PCB板上錫膏較量少且停留在室內(nèi)時(shí)間較長(zhǎng)，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(wú)損傷從PCB上拆卸下來(lái)，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(kāi)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(duì)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(guò)設(shè)置高低不同的溫度和長(zhǎng)短不一的加熱計(jì)時(shí)器來(lái)保證可重復(fù)性。如果采用傳導(dǎo)方式來(lái)拆卸BGA器件，需用專(zhuān)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(pán)陣列的共面性和清潔度，有必要對(duì)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(lái)對(duì)準(zhǔn)BGA的焊球，再用一小刮刀印刷焊膏，使每一個(gè)BGA焊盤(pán)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(zhuān)用助焊劑涂在焊盤(pán)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(guò)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(guò)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(wèn)題可發(fā)生的機(jī)率就會(huì)降低。
（1）PCB板上要將所有BGA焊點(diǎn)的焊盤(pán)設(shè)計(jì)成一樣大，且要焊盤(pán)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(wú)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(guò)程中，要保證焊接曲線過(guò)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(huì)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(méi)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(kāi)焊。
