BGA封裝技術(shù)及其返修工藝

隨著(zhù)電子產(chǎn)品向小型化、便攜化、網(wǎng)絡(luò )化和高性能方向發(fā)展，對電路組裝技術(shù)和I/O引線(xiàn)數提出了更高的要求，芯片體積越來(lái)越小，芯片引腳越來(lái)越多，給生產(chǎn)和返修帶來(lái)困難。原來(lái)SMT中廣泛使用的QFP（四邊扁平封裝），封裝間距的極限尺寸停留在0.3mm，這種間距引線(xiàn)容易彎曲、變形或折斷，相應地對SMT組裝工藝、設備精度、焊接材料提出嚴格的要求，即使如此，組裝小間距細引線(xiàn)的QFP，缺陷率仍相當高，最高可達6000ppm，使大范圍應用受到制約。近年出現的BGA（Ball Grid Array 球柵陣列封裝器件），由于芯片引腳不是分布在芯片的周?chē)窃诜庋b的底面，實(shí)際是將封裝外殼基板原四面引出的引腳變成以面陣布局的pb/sn凸點(diǎn)引腳，這就可以容納更多的I/O數，且可以較大的引腳間距如1.5、1.27mm代替QFP的0.4、0.3mm，很容易使用SMT與PCB上的布線(xiàn)引腳焊接互連，因此不僅可以使芯片在與QFP相同的封裝尺寸下保持更多的封裝容量，又使I/O引腳間距較大，從而大大提高了SMT組裝的成品率，缺陷率僅為0.3～5ppm，方便了生產(chǎn)和返修，因而BGA封裝技術(shù)在電子產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域獲得了廣泛使用。

隨著(zhù)引腳數增加，對于精細引腳在裝配過(guò)程中出現的橋連、漏焊、缺焊等缺陷，利用手工工具很難進(jìn)行修理，需用專(zhuān)門(mén)的返修設備并根據一定的返修工藝來(lái)完成。

按封裝材料的不同，BGA元件主要有以下幾種：

·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（Chip Scale Package或mBGA）。

PBGA是目前使用較多的BGA，它使用63Sn/37Pb成分的焊錫球，焊錫的熔化溫度約為183℃。焊錫球在焊接前直徑為0.75mm，回流焊以后，焊錫球高度減為0.46～0.41mm。PBGA的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，容易加工；不過(guò)應該注意，由于塑料封裝，容易吸潮，所以對于普通的元件，在開(kāi)封后一般應該在8小時(shí)內使用，否則由于焊接時(shí)的迅速升溫，會(huì )使芯片內的潮氣馬上汽化導致芯片損壞，有人稱(chēng)此為“ 苞米花”效應。按照JEDEC的建議，PBGA芯片在拆封后必須使用的期限由芯片的敏感性等級決定(見(jiàn)表1）。

CBGA焊球的成分為90Pb/10Sn(它與PCB連接處的焊錫成分仍為63Sn/37Pb),CBGA的焊錫球高度較PBGA高，因此它的焊錫熔化溫度較PBGA高，較PBGA不容易吸潮，且封裝更牢靠。CBGA芯片底部焊點(diǎn)直徑要比PCB上的焊盤(pán)大，拆除CBGA芯片后，焊錫不會(huì )粘在PCB的焊盤(pán)上，見(jiàn)表2。

CCBGA焊錫柱直徑為0.51mm，柱高度為2.2mm，焊錫柱間距一般為1.27mm，焊錫柱的成分是90Pb/10Sn。

TBGA焊錫球直徑為0.76mm，球間距為1.27mm。與CBGA相比，TBGA對環(huán)境溫度要求控制嚴格，因芯片受熱時(shí)，熱張力集中在4個(gè)角，焊接時(shí)容易有缺陷。

CSP芯片的封裝尺寸僅略大于裸芯片尺寸(不超過(guò)20％)，這是CSP與BGA的主要區別。CSP較BGA，除了體積小外，還有更短的導電通路、更低的電抗性，更容易達到頻率為500～600MHz的范圍。

我們可以從以下同為304引腳的QFP與BGA芯片的比較看出BGA的優(yōu)點(diǎn)：

概括起來(lái)，和QFP相比，BGA的特性主要有：

1.I / O引線(xiàn)間距大(如1.0，1.27，1.5mm)，可容納的I/O數目大(如1.27mm間距的 BGA在25mm邊長(cháng)的面積上可容納350個(gè)I/O, 而0.5mm間距的QFP在40mm邊長(cháng)的面積上只容納 304個(gè)I/O）。

2.封裝可靠性高(不會(huì )損壞引腳)，焊點(diǎn)缺陷率低(<1ppm/焊點(diǎn))，焊點(diǎn)牢固。

3.QFP芯片的對中通常由操作人員用肉眼來(lái)觀(guān)察，當引腳間距小于0.4mm時(shí)，對中與焊接十分困難。而BGA芯片的腳間距較大，借助對中放大系統，對中與焊接都不困難。

4.容易對大尺寸電路板加工絲網(wǎng)板。

5.引腳水平面同一性較QFP容易保證, 因為焊錫球在熔化以后可以自動(dòng)補償芯片與PCB之間的平面誤差。

6.回流焊時(shí)，焊點(diǎn)之間的張力產(chǎn)生良好的自對中效果, 允許有50％的貼片精度誤差。

7.有較好的電特性，由于引線(xiàn)短，導線(xiàn)的自感和導線(xiàn)間的互感很低，頻率特性好。

8.能與原有的SMT貼裝工藝和設備兼容，原有的絲印機，貼片機和回流焊設備都可使用。

當然，BGA也有缺點(diǎn)，主要是芯片焊接后需X射線(xiàn)檢驗，另外由于引腳呈球狀欄柵狀排列，需多層電路板布線(xiàn)，使電路板制造成本增加。

大多數半導體器件的耐熱溫度為240～2600℃，對于BGA返修系統來(lái)說(shuō)，加熱溫度和均勻性的控制非常重要。美國OK集團的熱風(fēng)回流焊接及返修系統BGA-3592-G/CSP-3502-G和日本M.S.Engineering Co.,Ltd.的MS系列返修工作站很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。

本文以美國OK集團的熱風(fēng)回流焊接及返修系統BGA-3592-G 為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明BGA的返修工藝：

電路板、芯片預熱的主要目的是將潮氣去除，如果電路板和芯片內的潮氣很?。ㄈ缧酒瑒偛鸱猓?，這一步可以免除。

拆除的芯片如果不打算重新使用，而且PCB可承受高溫，拆除芯片可采用較高的溫度（較短的加熱周期）。

清潔焊盤(pán)主要是將拆除芯片后留在PCB表面的助焊劑、焊錫膏清理掉，必須使用符合要求的清洗劑。為了保證BGA的焊接可靠性，一般不能使用焊盤(pán)上舊的殘留焊錫膏，必須除掉，除非芯片上重新形成BGA焊錫球。由于BGA芯片體積小，特別是CSP或mBGA，芯片體積更小，清潔焊盤(pán)比較困難，所以在返修CSP芯片時(shí)，如果CSP周?chē)臻g很小，就需使用免清洗焊劑。

在PCB上涂焊錫膏對于BGA的返修結果有重要影響。通過(guò)選用與芯片相符的模板，可以很方便地將焊錫膏涂在電路板上。用OK集團的BGA-3592-G設備微型光學(xué)對中系統可以方便地檢驗焊錫膏是否涂勻。處理CSP芯片，有3種焊錫膏可以選擇：RMA焊錫膏，非清洗焊錫膏，水劑焊錫膏。使用RMA焊錫膏，回流時(shí)間可略長(cháng)些，使用非清洗焊錫膏，回流溫度應選的低些。

貼片的主要目的是使BGA芯片上的每一個(gè)焊錫球與PCB上每一個(gè)對應的焊點(diǎn)對正。由于BGA芯片的焊點(diǎn)位于肉眼不能觀(guān)測到的部位，所以必須使用專(zhuān)門(mén)設備來(lái)對中。BGA-3592-G可進(jìn)行精確的對中。

熱風(fēng)回流焊是整個(gè)返修工藝的關(guān)鍵。其中有幾個(gè)問(wèn)題比較重要：

1、芯片返修回流焊的曲線(xiàn)應當與芯片的原始焊接曲線(xiàn)接近，熱風(fēng)回流焊曲線(xiàn)可分成四個(gè)區間：預熱區，加熱區，回流區，冷卻區，四個(gè)區間的溫度、時(shí)間參數可以分別設定，通過(guò)與計算機連接，可以將這些程序存儲和隨時(shí)調用。

2、在回流焊過(guò)程中要正確選擇各區的加熱溫度和時(shí)間，同時(shí)應注意升溫速度。一般在100℃以前，最大升溫速度不超過(guò)6 ℃/s，100℃以后最大升溫速度不超過(guò)3℃ /s，在冷卻區，最大冷卻速度不超過(guò)6℃/s。因為過(guò)高的升溫速度和降溫速度都可能損壞PCB和芯片，這種損壞有時(shí)是肉眼不能觀(guān)察到的。不同的芯片，不同的焊錫膏，應選擇不同的加熱溫度和時(shí)間。如CBGA芯片的回流溫度應高于PBGA的回流溫度，90Pb/10Sn應較63Sn/37Pb焊錫膏選用更高的回流溫度。對免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接溫度不宜過(guò)高，焊接時(shí)間不宜過(guò)長(cháng)，以防止焊錫顆粒的氧化。

3、熱風(fēng)回流焊中，PCB板的底部必須能夠加熱。加熱有兩個(gè)目的：避免由于PCB板單面受熱而產(chǎn)生翹曲和變形；使焊錫膏溶化時(shí)間縮短。對大尺寸板返修BGA，底部加熱尤其重要。BGA-3592-G返修設備的底部加熱方式有兩種，一種是熱風(fēng)加熱，一種是紅外加熱。熱風(fēng)加熱的優(yōu)點(diǎn)是加熱均勻，一般返修工藝建議采用這種加熱。紅外加熱的缺點(diǎn)是PCB受熱不均勻。

4、要選擇好的熱風(fēng)回流噴嘴。熱風(fēng)回流噴嘴屬于非接觸式加熱，加熱時(shí)依靠高溫空氣流使BGA芯片上各焊點(diǎn)的焊錫同時(shí)溶化。美國OK集團首先發(fā)明這種噴嘴，它將BGA元件密封，保證在整個(gè)回流過(guò)程中有穩定的溫度環(huán)境，同時(shí)可保護相鄰元件不被對流熱空氣加熱損壞(如圖1所示）。

在電子產(chǎn)品尤其是電腦與通信類(lèi)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域，半導體器件向微小型化、多功能化、綠色化發(fā)展，各種封裝技術(shù)不斷涌現，BGA/CSP是當今封裝技術(shù)的主流。其優(yōu)勢在于進(jìn)一步縮小半導體器件的封裝尺寸，因而提高了高密度貼裝技術(shù)水平，十分適合電子產(chǎn)品輕、薄、短、小及功能多樣化的發(fā)展方向。

為滿(mǎn)足迅速增長(cháng)的對BGA封裝技術(shù)電路板組裝需求和生產(chǎn)者對絲網(wǎng)印刷、對中貼片和焊接過(guò)程控制精度的要求，提高BGA的組裝焊接及返修質(zhì)量，需選擇更安全、更快、更便捷的組裝與返修設備及工藝?！?/font>