BGA 器件返修与植球工艺研究pdf

  

  摘要：BGA给人类带来便利的同时也给BGA的返修与植球带来了不少的挑战，为了能更好的

  解决BGA返修所遇到的部分难题，需要更好的解决方案来改进BGA返修与植球工艺。

  本文主要介绍的就是如何对焊接失败的BGA进行返修及植球，首先我们分析失败的BGA

  器件，分析其焊接失败及功能失效的原因后给予相应的措施；在使用BGA返修台将BGA从PCB

  板上拆卸下来，并保证BGA和PCB的功能不变，在此步骤中我们制定了拆卸需要的温度曲线，

  再使用植球机对BGA进行植球，然后是对BGA进行焊接，在焊接之前一定要制定一个合格的焊

  接温度曲线此举是必不可少的，也是至关重要的。最后进行BGA检测，监测的方法有很多种，

  BGA封装技术是一种比较年轻的封装技术，诞生于20世纪90年代，仅仅的二十多年，

  BGA封装技术已大范围的应用于全世界。作为全世界最先进、最复杂的封装类型之一，BGA封装

  技术的前景很乐观，包含的技术难度非常高，由此吸引了无数的学者投身研究。

  有人会问：“我们为什么用BGA呢？我们怎么用BGA呢？我们如何把BGA用好呢？”BGA

  在电子产品行业优点很多使电子产品本身就带来了极大的优点，使人们在享受中使用着这些

  产品，给人们的生活带来了极大的便利，这么好的东西我们为什么不用他呢？当然，在这篇文

  近年来，高功能、高密度、高集成化的BGA封装技术成为主流的封装形式，而且由于铅对

  于人类的危害，国内外对与铅相关的材料及产品进行了严格的管理，无铅BGA焊接工艺变得

  由于BGA器件的引脚间距和精度要求越来越高，所以返修就会变得很困难，不只是手工

  返修困难必须根据BGA返修台与相关的返修工艺来完成。GA返修与植球技术更需要制定合适

  的温度曲线是很重要的，这关乎于BGA拆卸以及焊接的质量。BGA及返修过程如下图所示

  BGA(BallGridArray)球状引脚栅格阵列封装技术，高密度表面装配封装技术。它是在封装体

  基板的底部制作阵列焊球作为电路的I/O端与印刷线路板(PCB)互接。在封装底部，传统的线性

  引脚在这里变成了球状引脚，并排列成格子的图案，由此命名为BGA（如图3）。采用该项技术

  BGA封装方式在已经进入实用化，我们现在使用的手机、电脑等电子科技类产品里面都或多或少

  的含有一些BGA封装芯片，经过十几年的发展，如今BGA已经发展成为全世界最流行的IC封

  装形式。起初BGA是由日本的一家公司研发出来的，这还只是雏形，后来美国的摩托罗拉和

  康柏也加入了研发BGA的行列当中来。首先是摩托罗拉将BGA器件应用在手机当中，然后康

  柏将BGA应用在电脑上和工作站上，然后英提尔将BGA应用在CPU的芯片组中。由于这些公

  司将BGA广泛使用在自家的产品中，由此助推了BGA的发展，现在BGA封装技术正处于热门

  经过数十年的发展，BGA也延伸了多个分支，基本上BGA的分类都是根据外面的封装材

  料来的，每个封装形式都有其固有的特性，没有最好的封装材料，也没有最差的封装材料，每

  一种都有其自身的作用，最终还是有安装的电子科技类产品来决定使用哪种封装形式。不同的BGA类

  从IC芯片的发展可以看出BGA的优点很多，不然是不会取代其他封装形式的，不同封装

  材料的BGA器件的特点大同小异，即有相同的也有不同的，BGA优点和缺点大致有以下几点：

  b)BGA封装技术是芯片在相同的面积情况下，所存储的数据相比于其他封装形式比更多，而

  BGA返修台就是一种返修BGA的设备，对位原理一般分为光学对位和非光学对位。

  光学对位——通过光学模块采用裂棱镜成像，LED照明方式，调整广场分布，使小芯片成

  非光学对位——则是通过肉眼将BGA根据PCB板丝印线及点对位，以达到对位返修。

  如图4中的机器是SV-550型返修台，此设备呈一体化设计，总机结构由主机和机箱组成，

  是一台综合性的具有较强自动化操控能力的维修设备。右图中可知，此设备的组成部分非常多，

  顺时针看大体包含部分：上部风头、吸嘴、照明灯、光学对位系统、Y向调节旋钮、电路板夹

  板装置、下部喷嘴上下调节旋钮、底部发热管开关、遥控器、电路板夹板装置定位旋钮、X向

  调节旋钮、触摸屏、测温接口、电源开关、底部发热管、底部支撑条、电路板夹板装置、下部

  返修台的遥控器的6键设置的控制功能，可满足放大或缩小调节、近焦距或远焦距调节，

  以保证对返修部件的精确定位和清晰显示。而且还有开关按键和菜单按键的物理按键提供操作

  图中显示的上下调节螺丝、左右调节螺丝、上下锁紧螺丝、固定棱镜螺丝等部位是使返修

  台的光学对位系统能够正常工作，通过调节和锁定，以满足光学对位系统正确反应和清晰显示

  BGA植球机也叫万能植球台，是给BGA芯片种植焊球用的。BGA植球机提高了植球效率

  和质量，给BGA返修与植球工艺添加了另一把利刃，解决了很多植球上的难题。植球机的外

  (9)上部包括焊球储存槽和焊球倒出槽，使得在需要重复使用时，可以储存焊球，不需要重复

  返修与植球工艺分为两大类，分别是BGA的拆除与焊接，拆除就是利用BGA返修机把BGA

  从PCB板上拆解下来；另一个就是利用植球机把焊料球印刷到BGA芯片上。在拆解和焊接时

  都需要制定正确的温度曲线.拆卸BGA：将需要拆除的PCB板放置在BGA返修台上，选择与需返修的BGA的尺寸相对

  应的热风喷嘴将其安装在返修台上，制定合适的拆卸温度曲线，然后选择合适的吸嘴，在

  2.清洗焊盘：在拆掉BGA后，用电烙铁加热将表面印制板上剩余的焊锡清理干净，表面平整，

  上，就可以关闭线.再流焊接：焊接时需要严格控制温度曲线，制定结束后，选择相印刷焊膏

  8.去处BGA底部焊盘上的残留焊锡并清洗：用烙铁清理表面印制图7为BGA器件

  9.在BGA底部焊盘上印刷助焊剂：正常情况下使用粘性比较强的助焊剂，作用是粘接和助

  焊，必须保证印刷后能得到清晰地图像。有时也可以采用焊膏代替，采用焊膏的金属成分

  应与焊球的金属成分一致。印刷时使用BGA专用模板，模板厚度与开口尺寸要根据球径和

  10.选择焊球：选择焊球时得考虑焊球的材料和尺寸，目前情况，焊球的材料一般都是

  63Sn/37Pb，再流焊使用的焊膏也是这种材料，所以两种工艺使用的焊球材料是相同的，这

  很重要。不仅是材料，焊球尺寸相匹配也是很重要的。如果使用焊膏，应选择比BGA器件

  11.植球：如果有植球器，选择一块与BGA焊盘匹配的模板，模板的开口尺寸应比焊球直径大

  0.05--0.1mm，将焊球均匀地撒在模板上，摇晃植球器，把多余的焊球从模板上滚到植球器

  的焊球收集槽中，使模板表面恰好每个漏孔中保留一个焊球。把植球器放置在工作台上，

  把印好助焊剂或焊膏的BGA器件吸在吸嘴上，按照贴装BGA的方法进行对准，将吸嘴向

  下移动，把BGA器件贴装到植球器模板表面的焊球上，然后将BGA器件吸起来，借助助

  焊剂或焊膏的黏性将焊球粘在BGA器件相应的焊盘上。用镊子夹住BGA器件的外边框，

  关闭真空泵，将BGA器件的焊球面向上放置在工作台上，检查有无缺少焊球的地方，若有，

  12.再流焊接：这个阶段是焊接过程中最重要的一环，所以需要制定适当的温度曲线），

  13.焊接后：焊接之后，应将BGA元器件清洁干净，并尽快贴装和焊接防止器件吸收水汽受潮。

  拆除前需要把BGA器件上过多的焊锡残留物去掉，才能为后续的植球工作做好准备，可

  通过加热的烙铁压住吸锡带以一个相应的角度在BGA上滑行通过来完成。以微量的焊锡凸液

  面的形式留在BGA焊盘上的焊锡残留物，不会过多增加焊锡球的体积，更不会影响BGA的球

  栅阵列的共面性。当多余的焊锡去掉时，在BGA的中心区域对BGA进行加热，将热源以螺旋

  的形式在零件表面上移动，均匀地加热。然后，BGA装入一个基座，在该基座上放一个底朝上

  的、适当定好尺寸的模板。在模板调好与元件的水平后，用一把刮刀将锡膏印刷到模板的开孔

  内，多余的锡膏可用刮刀去掉。之后选择合适的高度将BGA放在返修工作站下方，选择设定

  使用红外返修工作站对BGA器件进行拆除，应该首先把PCB安装夹好，用锡箔纸把其他

  不用拆除的芯片盖住防止热量对其他芯片产生影响，引起焊点脱落。使用红外对PCB和BGA

  均匀加热，达到熔点温度时把有缺陷的BGA撬开并迅速的把BGA移走，时间越长对旁边的芯

  这是公认的最好最标准的植球方法，这种方法有很多优点，植球的质量好，焊接性好，焊

  球有光泽，不会出现跑球现象。就是把焊膏印刷到BGA的焊盘上，再放一些尺寸适合的焊球，

  焊球与PCB之间有一层焊膏，此时焊膏就充当粘合剂，焊球与PCB板的接触面积更大，使最

  (1)先准备好各种工具，植球器要用乙醇擦拭干净并晾干，防止焊球滑动不畅；

  (4)套上定位框开始印刷，尽量控制刮刀的角度，一般保持在45度，控制刮动的力度和速度，

  (5)在确认BGA焊盘上都有均匀的焊膏后，再套上锡膏框，再放入锡球，摇动植球器是焊球滚

  “助焊膏”+“锡球”方法，根据字面意思就是助焊膏和锡球组合进行焊接，实际上和上

  面的方法就是把锡膏换成了助焊膏，总体而言，助焊膏的焊接性能比焊膏的焊接性能要差一点，

  (1)先准备好各种工具，植球器要用乙醇擦拭干净并晾干，防止焊球滑动不畅；

  (4)在确认BGA焊盘上都有均匀的焊膏后，再套上锡膏框，再放入锡球，摇动植球器是焊球滚

  拆除BGA后，应当对PCB进行清洁，首先是由于BGA拆卸残留的焊锡和助焊剂，先使用

  热风枪加热焊盘，对残留的焊锡进行清洁，并保证BGA焊盘以及PCB焊盘的整洁性，加热可

  保证BGA和PCB表面的洁净度和平整度。正常情况下，拆除BGA的时候，焊球是不可能完美

  的粘在芯片上或者粘在PCB板上，这种情况下，可能性对半分，也可能是芯片上，也可能是

  BGA返修前必须保证芯片的质量，所以必须对BGA器件进行检测，因为BGA封装技术只

  正确的焊接温度曲线决定着焊接的成功与否。返修时候的温度曲线，与第一次安装时候的

  焊接温度曲线大体不差，差不多的工艺，差不多的器件，只是设备不同而已。制定BGA焊接

  温度曲线时，应考虑多种因素，比如：PCB板的尺寸、材料、耐热性，芯片的尺寸、封装材料，

  耐热性、引脚间距，焊膏的成分、熔点，润湿性，等等。BGA焊接曲线共分为四个部分：预热

  区、保温区、焊接区和冷却区。四个区间的作用不同，温度不同，升温、降温速率不同，需要

  预热阶段是为了把溶剂挥发掉从而不会影响焊膏，所以预热阶段的温度应高过助焊剂的温

  度且小于焊膏的温度，一般为120℃～150℃。因为预热区是焊接的入口，所以需要对升温速率

  做相应的调整，速率不宜太快，否则会对元件产生强大的热应力冲击，损伤元器件较少元件使

  用寿命，并且太快的升温速率也容易导致助焊剂挥发过快，使焊膏溶解过快产生坍塌，并溅出

  金属成分，出现锡珠。所以在预热阶段，升温速率一般设定为2℃／s～3℃／s。如图9、图10

  在保温阶段，保温阶段的目的是根据参考焊膏供应商的建议和PCB热容的大小进行制定温

  度曲线。保温阶段的作用主要有三个：1、PCB板的面积相对于BGA器件来讲面积很大，必须使

  PCB板能够平稳均匀地升温。如果升温太快PCB板内部的热应力冲击会增加非常大，因热胀冷

  缩导致热的一边膨胀快，相对冷的一边膨胀慢，就会出现变形。保温阶段也是促使助焊剂发生

  活性反应增加焊锡的润湿性，减小焊锡的表面张力，进一步挥发助焊剂中的溶剂。一般情况下，

  BGA底部温度控制在150℃～200℃，且PCB底部的温度设定在160℃左右，保持60s～180s。

  经过保温阶段后，PCB焊盘和BGA焊球表面比较洁净，无铅焊料一般回流区的峰值温度为

  230℃～240℃，超过225℃以上的时间控制在15s～30s，熔点温度以上保持60s～120s，以达

  到良好焊接。为避免PCB变形，此阶段应保证PCB底部温度约在200℃。合理的峰值温度时获

  冷却过程温度曲线对焊接结果也是非常重要的，甚至起着关键作用，适当快的冷却速度可

  以提高焊后焊点的机械性能，但是太快的冷却速度会对元器件造成破坏，应力变大使元器件内

  部部件变形甚至断裂，从而导致元器件直接失效或者过早失效。因BGA和PCB的材料不同，降

  温的速率本质上就是不用的，所以冷却阶段也是需要仔细揣摩两者的温度变化曲线，适当的温

  在BGA返修的过程中难免会出现无法控制的缺陷和问题，这就导致了BGA返修失败。为

  了探究BGA焊接失败的原因，必须得使用一定的检测工艺来对BGA器件进行检测，找出焊接

  非破坏性检测是一种外部观察法，是一种简单的检测方法，由于能力有限，非破坏性检测

  用来给选择破坏性检测方法时提供指导帮助的作用，非破坏性检测包含：目视检查法和X射线

  破坏性检测可以检测出大部分的BGA焊点问题，还可以对这些问题进行分析并给出与PCB

  加工和材料缺陷的相关性给出指导。检测方法包含：染色实验、剖面评价、扫描电镜和能谱仪。

  BGA目视检查通常用于失效分析的第一步，需要一个立体显微镜。检查时应提供PCB文档

  和PCB相关问题以及所有部件的标记。PCB将帮助分析师再进一步的分析阶段跟踪序列和元件

  数量，基板和原件被检测后，应该用立体显微镜查看边缘的焊点，查找任何可以看到的一切异

  常焊接缺陷。由于检查通常仅限于外排的焊点，有一些焊点有可能看不到。因为有些PCB的尺

  寸很大或者焊点的尺寸太小和PCB形成鲜明的对比，这些焊点都难以被检测出来。由此我们

  可以使用一个外加工具——内窥镜，由于这种工具也有其局限性，只用于浅层观察，这种方法

  实时X射线检测是一种非常有价值的非破坏性检测，可以提供对BGA焊点的重要信息，

  是应用最广泛的一种检测设备。而X射线检测设备必须要有一个该设备自己独有的软件，对于

  没有这方面的理论知识和相关培训是无法操作这类设备的，而且一个经验丰富的人员和一个无

  通过影像可观察到BGA焊点中最常见的焊接缺陷之一是空洞，空洞面积在35%—50%是过

  程控制的阈值。焊料桥接是可以通过X射线检查的另一种缺陷。当两个焊点由焊料连接时，焊

  料和周围大部分材料之间存在着显著地密度差看，所以很容易识别。X射线也可以检测出焊点

  染色测试是一种成本效益的破坏性检测技术，提供焊点的所有信息，染色测试所需要的设

  首先使用水润滑切片锯或旋转工具取下含有所需部分，留下少量的板材以便用作撬拨边缘。

  将BGA泡在去除助焊剂的溶剂中3个小时，使染料可以渗透到任何裂纹或分离处。随后用乙

  醇清洗并风干，以确保所有的去除剂被去除。然后BGA在线分钟，用气罐吹走多

  余的染料，在100℃烤箱中至少干燥3小时。样品也可以在室温下干燥，但需要至少48小时，

  确保染料干燥，一般不推荐这样做。这一步是至关重要的，因为在撬拨过程中任何潮湿的染料

  可能会导致错误的迹象。一个丁形螺母被环氧粘到BGA上，一夜之间就可以被固化，然后使

  前面我们说了BGA的相关知识，BGA返修与植球工具设备相关知识，BGA返修与植球的

  相关知识。BGA的返修台也叫BGA返修工作站，它与BGA植球机的种类繁多，但是功能有异

  我们为什么用BGA呢？我们怎么用BGA呢？我们如何把BGA用好呢？这是文章前言的一

  句话。可我还是要说，BGA在电子科技类产品行业优点很多使得电子产品本身就带来了极大的优点，

  使人们在享受中使用着这些产品，给人们的生活带来了极大的便利，这么好的东西我们为什么

  虽然BGA封装技术的优点数不胜数，但是再好的工艺肯定有其产生的不好的结果，如：

  空洞现象。焊点空洞中的气体会随温度发生热胀冷缩，焊点空洞存在的地方便会使应力集中在

  这一处，反复的应力变化会造成该处焊点出现微裂纹并最终在电路性能测试中表现出来。因此，

  焊点空洞的存在是电子学产品的潜在隐患，特别是当焊点空洞较大和位置靠近焊盘的时候潜在

  从焊点空洞的成因分析中能够准确的看出，适当地延长焊接时间，调整焊接温度，通过大量的实

  验以及积累的经验，寻找合适的焊接温度曲线才是解决BGA焊接问题的治根的灵丹妙药，而

  通过有铅焊无铅工艺及合理的回流曲线，在混装时结合混装BGA焊点空洞问题的处理办

  中国的封装技术相对于发达国家来说，总体是处于相对落后的，由于国外的起步早，设备

  好，制造的BGA在机械性能上和电气性能上，要优于国内生产的BGA器件，导致了，国内的

  BGA器件在功能、性能，功耗、体积上都是出于劣势的。不过国家对于高尖端的封装技术是非

  近年来，高功能，高密度，高集成化的BGA封装技术成为主流的封装形式，而且由于铅对

  环境和人类的危害，国内外对铅材料及其制品作了严格的限制，无铅BGA焊接工艺研究变得

  现在，BGA发展得正风生水起，因为还有很对难题没解决，所以未来BGA的路还有很

  远。所以封装技术的脚步不能停止，作为一名学生更是应该坚持不懈的走下去，因为BGA的

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