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BGA元器件及其返修工艺

　　１ 概述 .KC q$EnG  
　　伴随电子产品向小型化、便携化、网络化和高性能方向发展，对电路组装技术和Ｉ／Ｏ引线数提出了更高要求，芯片体积越来越小，芯片管脚越来越多，给生产和返修带来了困难。原来ＳＭＴ中广泛使用ＱＦＰ（四边扁平封装），封装间距极限尺寸停留在０．３ｍｍ，这种间距其引线轻易弯曲、变形或折断，对应地对ＳＭＴ组装工艺、设备精度、焊接材料提出严格要求，即使如此，组装窄间距细引线ＱＦＰ，缺点率仍相当高，最高可达６０００ｐｐｍ，使大范围应用受到制约。多年出现ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ 球栅阵列封装器件），因为芯片管脚不是分布在芯片周围而是分布在封装底面，实际是将封装外壳基板原四面引出引脚变成以面阵布局ｐｂ／ｓｎ凸点引脚，这就能够容纳更多Ｉ／Ｏ数，且能够较大引脚间距如１．５、１．２７ｍｍ替换ＱＦＰ０．４、０．３ｍｍ，很轻易使用ＳＭＴ和ＰＣＢ上布线引脚焊接互连，所以不仅能够使芯片在和ＱＦＰ相同封装尺寸下保持更多封装容量，又使Ｉ／Ｏ引脚间距较大，从而大大提升了ＳＭＴ组装成品率，缺点率仅为０．３５ｐｐｍ，方便了生产和返修，所以ＢＧＡ元器件在电子产品生产领域取得了广泛使用。  q
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　　伴随引脚数增加，对于精细引脚在装配过程中出现桥连、漏焊、缺焊等缺点，利用手工工具极难进行修理，需用专门返修设备并依据一定返修工艺来完成。 |MhZ49mB  
　　２ ＢＧＡ元器件种类和特征 LdfD{BD  
　　２．１ ＢＧＡ元器件种类 vl~?6-#Y?  
　　按封装材料不一样，ＢＧＡ元件 关键有以下多个： G0s'NcA  
　　ＰＢＧＡ（ｐｌａｓｔｉｃ ＢＧＡ塑料封装ＢＧＡ） 5qBl_ *  
　　ＣＢＧＡ（ｃｅｒａｍｉｃ ＢＧＡ陶瓷封装ＢＧＡ）
9W>|Oc`2  
　　ＣＢＧＡｃｅｒａｍｉｃ ｃｏｌｕｍｎ ＢＧＡ陶瓷柱状封装ＢＧＡ fS`@UD  
　　ＴＢＧＡ（ｔａｐｅ ＢＧＡ 载带状封装ＢＧＡ） i@D''^K(dC  
　　ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ或μＢＧＡ）
=sY\=c  
　　ＰＢＧＡ是现在使用较多ＢＧＡ，它使用６３Ｓｎ／３７Ｐｂ
成份焊锡球，焊锡溶化温度约为 u(_]=e2<r  
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优点是成本较低，轻易加工，不过应该注意，因为塑料封装，轻易吸潮，所以对于一般元件，在开封后通常应该在８小时内使用，不然因为焊接时快速升温，会使芯片内潮气立即气化造成芯片损坏，有些人称此为“ 苞米花” 效应。根据ＪＥＤＥＣ提议，ＰＢＧＡ芯片在拆封后必需使用期限由芯片敏感性等级决定（见表１）： X}N]h>
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表1 PBGA芯片拆封后必需使用期限 9m bGPPNh  
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敏感性等级 芯片拆封后置放环境条件 拆封后必需使用期限 :6"ti   
1级 =< 30 C , < 90% RH 无限制 Y. f2fm  
2级 =< 30 C , < 60% RH 1年 dS GT vM'4  
3级 =< 30 C , < 60% RH 168小时 gdXq9 *#61  
4级 =< 30 C , < 60% RH 72小时 d`R`xKg'  
5级 =< 30 C , < 60% RH 二十四小时 /11GI2X/b  
<*- p|mJf  
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　　ＣＢＧＡ焊球成份为９０Ｐｂ／１０Ｓｎ 它和ＰＣＢ连接处焊锡成份仍为６３Ｓｎ／３７Ｐｂ ＣＢＧＡ焊锡球高度较ＰＢＧＡ高，所以它焊锡溶化温度较ＰＢＧＡ高，较ＰＢＧＡ不轻易吸潮，且封装更牢靠。ＣＢＧＡ芯片底部焊点直径要比ＰＣＢ上焊盘大，拆除ＣＢＧＡ芯片后，焊锡不会粘在ＰＣＢ焊盘上，见表２。 4!kV[~  
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表2 PBGA和CBGA焊接锡球区分 jBQ:kZ-pT  
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特征 PBGA CBGA ^?9 Bk=TE  
焊锡球成份 63Sn/37Pb 90Pb/10Sn !+_J(Cwf X  
焊锡球溶化温度 183°C 302°C S)<dczq2Y  
溶化前焊锡球直径 0.75毫米 0.88毫米 rz$ hCd3  
溶化后焊锡球直径 0.4-0.5毫米 0.88毫米 a.uJK^,W<  
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　　ＣＣＢＧＡ焊锡柱直径为０．５１毫米，柱高度为２．２毫米，焊锡柱间距通常为１．２７毫米，焊锡柱成份是９０Ｐｂ／１０Ｓｎ。 {<53Du8*  
　　ＴＢＧＡ焊锡球直径为０．７６毫米，球间距为１．２７毫米。和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，焊接时轻易有缺点。 <@.H cF*v  
　　ＣＳＰ芯片封装尺寸仅略大于裸芯片尺寸不超出２０％，这是ＣＳＰ和ＢＧＡ关键区分。 ＣＳＰ较ＢＧＡ，除了体积小之外，还有更短导电通路、更低电抗性，更轻易达成频率为５００ＭＨｚ－６００ＭＨｚ范围。 '{eA{UYC}  
(nSs!P  
　　2.2 BGA元器件特征 8<L1U bP  
pzhQnP=3  
　　我们能够从不一样为304管脚QFP和BGA芯片比较上看出BGA优点： )=a*J%E-  
BGA QFP N]WZZL  
　　封装尺寸(平方毫米) 525 1600 ,*^97XvPB  
　　脚间距(毫米) 1.27 0.5 W8I>z>e!V  
　　组装损坏率(ppm/管肢) 0.6 100 7 ZV7wO  
　　元件管脚间信号干扰 1.0X 2.25X lH@WpsZIQ  
bU()B KF  
　　概括起来，和ＱＦＰ相比，ＢＧＡ特征关键有以下几点： 7<2knaqB  
　　１〕Ｉ／Ｏ引线间距大（如１．０，１．２７，１．５毫米），可容纳Ｉ／Ｏ数目大（如１．２７毫米间距 ＢＧＡ在２５毫米边长面积上可容纳３５０个Ｉ／Ｏ 而０．５毫米间距ＱＦＰ在４０毫米边长面积上只容纳 ３０４个Ｉ／Ｏ）。 (Pj_)- h  
　　２〕封装可靠性高（不会损坏管脚），焊点缺点率低（＜１ｐｐｍ／焊点），焊点牢靠。 _wJa$t2G  
　　３〕ＱＦＰ芯片对中通常由操作人员用肉眼来观察，当管脚间距小于０．４毫米时，对中和焊接十分困难。而ＢＧＡ芯片脚间距较大，借助对中放大系统，对中和焊接全部不困难。 Ja ]Mbi7  
　　４〕轻易对大尺寸电路板加工丝网板。 T&LxTVG  
　　５〕管脚水平面同一性较ＱＦＰ轻易确保 因为焊锡球在溶化以后能够自动赔偿芯片和ＰＣＢ之间平面误差。 zra'(7n  
　　６〕回流焊时，焊点之间张力产生良好自对中效果许可有５０％贴片精度误差。 ITIS2T  
　　７〕有很好电特征，因为引线短，导线自感和导线间互感很低，频率特征好。 y~ zp\;&  
　　８〕能和原有ＳＭＴ贴装工艺和设备兼容，原有丝印机，贴片机和回流焊设备全部可使用 `^KDEVE8T  
　　当然，ＢＧＡ也有缺点，关键是芯片焊接后需Ｘ射线检验，另外因为管脚呈球状栏栅状排列，需多层电路板布线，使电路板制造成本增加。 !1jP}  
　　３ ＢＧＡ返修工艺 TBLR#Bj  
　　大多数半导体器件耐热温度为２４０２６００Ｃ，对于ＢＧＡ返修系统来说，加热温度和均匀性控制显得很关键。美国ＯＫ集团热风回流焊接及返修系统ＢＧＡ－３５９２－Ｇ／ＣＳＰ－３５０２－Ｇ和Ｍ．Ｓ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．Ｌｔｄ．ＭＳ系列返修工作站很好处理了这个问题。 MMGdll52L  
　　本文以美国ＯＫ集团热风回流焊接及返修系统ＢＧＡ－３５９２－Ｇ 为例简明说明ＢＧＡ返修工艺： Mn[$<%TL  
　　３．１ 电路板、芯片预热 %wXkR($  
电路板、芯片预热关键目标是将潮气去除，假如电路板和芯片内潮气很小（如芯片刚拆封），这一步能够免去。 }!ef>x=X\q  
　　３．２ 拆除芯片  :+;\R"  
　　拆除芯片假如不计划重新使用，而且ＰＣＢ可承受高温，拆除芯片可采取较高温度（较短加热周期）。 lbF!T\@Y  
　　３．３ 清洁焊盘 9kQxB!4  
清洁焊盘关键是将拆除芯片后留在ＰＣＢ表面助焊剂、焊锡膏清理掉，必需使用符合要求清洗剂。为了确保ＢＧＡ焊接可靠性，通常不能使用焊盘上旧残留焊锡膏，必需将旧焊锡膏清除掉，除非芯片上重新形成ＢＧＡ焊锡球。因为ＢＧＡ芯片体积小，尤其是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，假如ＣＳＰ周围空间很小，就需使用免清洗焊剂。 KKR!0N2  
　　３．４ 涂焊锡膏，助焊剂 8A(d2,  
　　在ＰＣＢ上涂焊锡膏对于ＢＧＡ返修结果相关键影响。经过选择和芯片相符模板，能够很方便地将焊锡膏涂在电路板上。用ＯＫ集团ＢＧＡ－３５９２－Ｇ设备微型光学对中系统能够方便地检验焊锡膏是否涂均匀。处理ＣＳＰ芯片，有３种焊锡膏能够选择：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，回流温度应选低些。 tU2<dClrJ  
　　３．５ 贴片 TT1!o:
 
　　贴片关键目标是使ＢＧＡ芯片上每一个焊锡球和ＰＣＢ上每一个对应焊点对正。因为ＢＧＡ芯片焊点在肉眼不能观察到部位，所以必需使用专门设备来对中。ＢＧＡ－３５９２－Ｇ可进行正确对中。 tx%RRjxAU  
　　３．６ 热风回流焊 i,),hE.aEX  
　　热风回流焊是整个返修工艺关键。其中，有多个问题比较关键：  tB7d* Y  
　　１）芯片返修回流焊曲线应该和芯片原始焊接曲线靠近，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，四个区间温度，时间参数能够分别设定，经过和计算机连接，能够将这些程序存放和随时调用。 Nd@]kW e  
　　２）在回流焊过程中要正确选择各区加热温度和时间，同时应注意升温速度。通常，在１００ｏＣ以前，最大升温速度不超出６ ｏＣ／秒，１００ｏＣ以后最大升温速度不超出３ｏＣ ／秒， 在冷却区，最大冷却速度不超出６ｏＣ／秒。因为过高升温速度和降温速度全部可能损坏ＰＣＢ和芯片，这种损坏有时是肉眼不能观察到。不一样芯片，不一样焊锡膏，应选择不一样加热温度和时间。如ＣＢＧＡ芯片回流温度应高于ＰＢＧＡ回流温度，９０Ｐｂ／１０Ｓｎ应较６３Ｓｎ／３７Ｐｂ焊锡膏选择更高回流温度。对免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，所以，焊接温度不宜过高，焊接时间不宜过长，以预防焊锡颗粒氧化。 　　３）热风回流焊中，ＰＣＢ板底部必需能够加热。这种加热目标有二个：避免因为ＰＣＢ板单面受热而产生翘曲和变形；使焊锡膏溶化时间缩短。对大尺寸板返修ＢＧＡ，这种底部加热尤其关键。ＢＧＡ－３５９２－Ｇ返修设备底部加热方法有２种，一个是热风加热，一个是红外加热。热风加热优点是加热均匀，通常返修工艺提议采取这种加热。红外加热缺点是ＰＣＢ受热不均匀。 <m k6}aY  
　　４）要选择好热风回流喷嘴。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芯片上各焊点焊锡同时溶化。美国ＯＫ集团首先发明这种喷嘴，它将ＢＧＡ元件密封，确保在整个回流过程中有稳定温度环境，同时可保护相邻元件不被对流热空气加热损坏（图１所表示）。 c[xS4qE  
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图1 OK集团热风回流喷嘴 xS-$_D9B  
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　　４ 结束语 @|F V7tP  
　　在电子产品尤其是电脑和通信类电子产品生产领域，元器件向微小型化、多功效化、绿色化发展，各式封装技术不停涌现，ＢＧＡ／ＣＳＰ是当今封装技术主流。ＢＧＡ／ＣＳＰ元器件优势在于深入提升元器件集成度，并缩小其封装尺寸，所以提升了高密度贴装技术水平，十分适合电子产品轻、薄、短、小及功效多样化发展方向。 Vk|=t3J+  
　　为满足快速增加对ＢＧＡ元器件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要求，提升ＢＧＡ组装焊接及返修质量，需选择更安全、愈加快、更便捷组装和返修设备及工艺。