原创 BGA元器件及其返修工艺

　　１ 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０．３５ｐｐｍ，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。
　　２ ＢＧＡ元器件的种类与特性
　　２．１ 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 芯片拆封后置放环境条件 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。

　　2.2 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：
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。
　　３ ＢＧＡ返修工艺
　　大多数半导体器件的耐热温度为２４０２６００Ｃ，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：
　　３．１ 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。
　　３．２ 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）。
　　３．３ 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。
　　３．４ 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。
　　３．５ 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。
　　３．６ 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（如图１所示）。

图1 OK集团的热风回流喷嘴

　　４ 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。