1、BGA元器件及其組裝工藝摘 要：關鍵詞：BGA Component and Assembly ProcessShi Jian-Wei1Sun East Electronic Technology (Shenzhen) Company Lt.d, Shenzhen, 518103 ChinaAbstract:Key words:1.引言80年代隨著電子產品向輕、薄、短、小方向發展，人們對I/O引線數提出了更高的要求，對具有高引線數的精細間距器件的引線間距及引線共平面度也提出了更為嚴格的要求。受到加工精度、可制造性、成本及組裝工藝的制約，一般認為QFP（方型扁平封裝）器件間距的極限為0.3mm，且

2、精細間距器件的局限性在于細引線易彎曲、質脆而易斷，對于引線間的共平面度和貼裝精度的要求很高。SMT技術進入90年代以后，逐漸走向了成熟的階段，但隨著電子產品向輕、薄、短、小、網絡化和多媒體化方向的迅速發展，電子組裝技術面臨新的要求，新的高密度組裝技術不斷涌現，其中BGA就是一項已經進入實用化階段的高密度組裝技術。2.BGA概述BGA（球柵陣列封裝）技術的研究始于60年代，最早被美國IBM公司采用，是一種全新的設計思維方式，它采用將圓型或者柱狀點隱藏在封裝下面的結構，引線間距大、長度短，消除了精細間距器件中由于引線問題而引起的共平面度和翹曲的問題。引腳水平面統一性較QFP容易保證，因為焊球在溶化

3、以后可以自動補償芯片與PCB之間的平面誤差。圖1為BGA器件封裝物理結構及外形。圖1 BGA封裝物理結構及外形BGA技術的出現是IC器件從四邊引線封裝到陣列焊點封裝的一大進步，它具有器件更小、引線更多，以及優良的電性能，另外還有一些超過常規組裝技術的性能優勢。這些性能優勢包括高密度的I/O接口、良好的熱耗散性能、較好的電特性以及能夠使小型元器件具有較高的時鐘頻率（引線短，導線的自感和導線間的互感很低，頻率特性好）。JEDEC（電子器件工程聯合會）的工業部門制定了BGA封裝的物理標準，BGA與QFP相比的最大優點是I/O引線間距大，已注冊的引線間距有0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.27m

4、m和1.5mm，而且目前正在推薦由1.27mm和1.5mm間距的BGA取代0.40.5mm的精細間距器件；焊球直徑有0.5mm、0.65mm、0.76mm、0.89mm。BGA的封裝形式有多種，形成了一個“家族”，它們之間的區別主要在于材料和結構（塑料、陶瓷、引線焊接、載帶等）的不同。無論何種類型，所利用的都是位于其封裝體底部的焊接端子（焊球），在再流焊時的巨大熱能作用下，焊球熔化與基板上的焊盤形成連接。一種特定形式的BGA可以有一定的尺寸范圍，但應采用同樣的物理構造和相同的材料。BGA元器件按封裝材料的不同，主要有以下幾種：l PBGA（Plastic塑料封裝的BGA）l CBGA（Cera

5、mic陶瓷封裝的BGA）l CCGA(Ceramic column陶瓷柱狀封裝的BGA)l TBGA（Tap BGA載帶狀封裝的BGA）l CSP（Chip scale BGA或BGA）2.BGA組裝工藝2.1 BGA保存及使用對于濕度敏感元件MSD，IPC和JEDEC合并和修訂了相關標準，其具體內容見J-STD-033，包括分類、處理、包裝、運輸和使用指導方針。BGA元件是一種高等級的溫度敏感元件，所以必須在恒溫干燥的條件下保存，操作人員應該嚴格遵守操作工藝流程，避免元器件在裝配前受到影響。一般來說，真空包裝未拆封之BGA的較理想的保存環境為2025，濕度小于10%RH（有氮氣保護更佳），使

6、用期限為一年。一般使用時，元器件的包裝未打開前需注意到BGA的防潮處理，同時也應該注意到元器件包裝被打開后用于安裝和焊接的過程中不可以暴露的時間，以防止元器件受到影響而導致焊接質量的下降或元器件的電氣性能的改變。表4為濕度敏感的等級分類，它顯示了在裝配過程中，一旦密封防潮包裝被開，元器件必須被用于安裝、焊接的相應時間。如果在元器件儲藏于氮氣的條件下，那么使用的時間可以相對延長。大約每45小時的干燥氮氣的作用，可以延長1小時的空氣暴露時間。一般BGA屬于5級以上的濕度敏感等級。表4 J-STD-020濕氣敏感等級敏感性等級拆封后必須使用的期限芯片拆封后置放環境條件1無限制30/85%RH2一年3

7、0/60%RH2a四周30/60%RH3168h30/60%RH472h30/60%RH548h30/60%RH5a24h30/60%RH6按標簽時間規定30/60%RH元器件的包裝被打開后無法在相應的時間內使用完畢，而且暴露的時間超過了表3中規定的時間，那么在下一次使用之前為了使元器件具有良好的可焊性，建議對BGA元件進行烘烤。烘烤條件為溫度125，相對相濕度60%RH，烘烤時間參考表5。烘烤的溫度不要超過125，因為過高的溫度會造成錫球與元器件連接處金相組織變化，而當這些元器件進入再流焊的階段時，容易引起錫球與元器件封裝處的脫節，造成SMT裝配質量問題。無法以125烘烤者，則以80/48h

8、rs烘烤（若多次烘烤則總烘烤時數須小于96hrs），但烘烤的溫度過低，則無法起到除濕的作用。BGA器件在烘烤后取出，自然冷卻半小時才能進行裝配作業。l 真空包裝已拆封之BGA須標明拆封時間，未上線之BGA，儲存于防潮柜中，儲存條件25、65%RH，儲存期限為72hrs。表5 BGA烘烤時間封裝厚度濕度敏感等級烘烤時間封裝厚度濕度敏感等級烘烤時間封裝厚度濕度敏感等級烘烤時間1.4MM2a4H2.0MM2a18H4.0MM2a48H37H324H348H49H431H448H510H537H548H5a14H5a44H5a48H3.4 BGA焊前檢測生產中的質量控制非常重要，尤其是在BGA封裝中，

9、任何缺陷都會導致BGA封裝元器件在印制電路板焊接過程中出現差錯，在以后的工藝中引發質量問題。封裝工藝中所要求的主要性能有：封裝組件的可靠性；與PCB的熱匹配性；焊料球的共面性；對熱、濕氣的敏感性；是否能通過封裝體邊緣對準性以及加工的經濟性等。需指出的是，BGA基板上的焊球無論是通過預成型高溫焊球（90Pb/10Sn）轉換而成，還是采用球射工藝形成，焊球都有可能掉下丟失，尺寸過大或過小，出現焊料橋接、缺損等情況。因此對BGA進行表面貼裝之前，需對其中的一些指標進行檢測控制。常用采用三角激光測量法來檢測焊球的缺失與共面性：測量光束下的物體沿X軸和Y軸在Z軸方向移動的距離，并將物體的三維表面信息進行

10、數字化處理，以便分析和檢查。3.5焊膏印刷焊膏的優劣是影響表面組裝生產的一個重要環節。選擇焊膏通常會考慮下幾個方面：良好的印刷性，好的可焊性，低殘留物。使用新鮮的焊膏，要保證焊膏攪拌均勻，焊膏涂覆的位置準確及元件放置的位置準確。工作環境溫度為25左右，濕度為55RH。表6顯示了如何根據元器件的引腳間距選擇相應的焊膏。從表中可以看出元器件的引腳間距越小，焊膏的合金顆粒越小，相對來說印刷效果較好，但不是焊膏合金顆粒越小越好，一般選取45m以下，以保證獲得良好的印刷效果。印刷模板一般采用不銹鋼材料。由于BGA元器件的引腳間距較小，故而模板的厚度較薄，一般為0.12mm0.15mm，BGA和CSP的引

11、腳間距更小，模板厚度更薄。模板的開口視元器件的情況而定，通常情況下模板的開口小于焊盤，為焊盤尺寸的70%80%。表6 焊膏錫粉形狀與顆粒直徑引腳間距（mm）1.2710.80.650.50.4錫粉形狀非球型球型球型球型顆粒直徑（um）22-6322-6322-6322-38刮刀壓力一般為35100N，壓力太大和太小都對印刷不利；角度為60，速度為1025mm/s，元器件的引腳間距愈小，印刷速度愈慢；印刷完畢脫離速度為1mm/s，如果是BGA和CSP，則為0.5mm/s。印刷完畢后，PCB盡量在半小時內進入再流焊，防止焊膏在空氣中暴露過久。焊膏量和模板設計1.27mm間距的CCGA，焊膏量為0.

12、078-0.088立方毫米，模板厚度0.19mm，開口直徑0.81mm或模板厚度0.20mm，開口直徑0.76-0.81mm。1.00mm間距的CCGA，焊膏量為0.06立方毫米，模板厚度0.20mm，開口直徑0.74mm焊膏印刷：1.27mm PBGA和0.5mm間距QFP及1608以上的部件，使用25-45um合金粉，1.0mm BGA或0.75mm以上的CSP、1005以上的部件使用25-38um合金粉。為了防止Ag的沉淀現象，一般采用含Ag的焊料。模板設計間距焊球直徑模板孔徑模板厚度返修用模板厚度1.27mm0.76mm0.61mm0.15mm0.10mm1.00mm0.63mm0.5

13、1mm1.00mm0.50mm0.12mm0.10mm0.80mm0.46mm0.38mm焊膏添加方法方法優點缺點微模板成本低，使用方便要求開發一些技術以獲得良好的結果，表面準備很關鍵，焊膏量和模板配準可能改變涂助焊劑成本最低，使用方便，焊接可靠在所有應用中不能滿足長期可靠性，不能用于陶瓷元件元件上印刷降低了手工加工可變性，返修位置變化對結果影響較小，元件可以離線準備成本高，所需開發量大，元件要求定制模板自動滴涂自動化工藝，不需要模板成本高，工藝參數可能導致沉積的可變性，大元件滴涂時間長3.6器件貼裝BGA的準確貼裝很大程度上取決于貼片機的精確度，以及鏡像識別系統的識別能力。目前市場上各種貼片

14、機，其精確度已達到0.001mm左右，另外由于BGA器件在再流焊接過程中具有自動排列定位的能力，允許有50的貼片精度誤差，所以在貼片精度上不會存在問題。只要BGA器件通過鏡像識別，就可以準確的貼裝在印制線路板上。有時通過鏡像識別的BGA并非100的焊球良好的器件，有可能某個焊球在Z方向上略小于其他焊球。為了保證焊接良好，通常可以將BGA器件厚度減去25.4150.80m，同時使用延時關閉真空系統約400ms，使BGA的器件在貼裝時其焊球能夠與焊膏充分接觸，減少BGA某個引腳虛焊的現象。對于BGA和CSP不可采用上述方法，以防止出現橋接等不良焊接現象。元件貼裝定位外型尺寸較小的CCGA可以通過陶

15、瓷芯片的外框來確定元件的中心位置。PCB上設計外型定位線，線寬一般為0.2-0.25mm，如圖 所示，用來貼片時的定位。另一種對位方式是根據焊柱陣列對位，即根據焊柱陣列的中心位置。3.3 BGA再流焊工藝焊接前設計PCB時，BGA所有焊點的焊盤設計需一樣大。此外，由于阻焊膜不合格會造成的很多焊接失敗，所以在焊接前要先檢查焊盤周圍的阻焊膜是否合格。焊接面焊盤周圍的過孔一定要涂阻焊膜，目的是為了避免在焊接時空氣從下面進來形成空洞，同時可避免在焊接時焊料從通孔中流出。再流焊接是BGA裝配過程中最難控制的步驟，因此獲得較佳的再流曲線是得到BGA良好焊接的關鍵所在。在焊接過程中，要保證焊接曲線平滑，器件

16、均勻受熱，尤其是焊接區，要保證所有焊點充分熔化。在測量再流焊接的溫度曲線時，其測量點應在BGA引腳與線路板之間，測溫探頭盡量不要用高溫膠帶，而采用高溫焊膏焊接，固定熱電偶，保證獲得較為準確的曲線數據。溫度均勻性方面要保證元件表面、焊點和PCB底部兩兩之間溫度差小于10。（1）預熱階段這一段時間內使PCB均勻受熱溫，并活化助焊劑。一般升溫的速度不要過快，控制在3/s以下，防止PCB受熱過快而產生較大的變形。較理想的升溫速度為2/s，時間控制在6090秒之間。（2）浸潤階段這一階段助焊劑開始揮發。溫度在150180之間應保持60120秒，以便助焊劑能夠充分發揮其作用。升溫的速度一般在0.30.5/

17、s。（3）再流階段這一階段的溫度已經超過焊膏的溶點溫度，焊膏溶化成液體，元器件引腳上錫。該階段中溫度在熔點以上的時間應控制在6090秒之間。如果時間太少或過長都會造成焊接的質量問題。其中溫度在峰值范圍內的時間控制相當關鍵，一般控制在1020秒為最佳。（4）冷卻階段這一階段焊膏開始凝固，元器件被固定在線路板上。降溫的速度不能夠過快，一般控制在4/s以下，較理想的降溫速度為3/s。由于過快的降溫速度會造成線路板產生冷變形，引起BGA焊接的質量問題，特別是BGA外圈引腳的虛焊。3.7 BGA焊后檢測BGA技術將原來器件PLCC/QFP封裝的“J”形或翼形引線，改變成球形引腳；把從器件本體四周“單線性

18、”順列引出的引線，改變成本體腹底下“全平面”式的格柵陣排列。這樣既可以疏散引腳間距，又能夠增加引腳數目。BGA焊接后焊點隱藏在封裝之下，要了解和測試影響其長期工作可靠性的物理因素，例如焊料量、導線與焊盤的定位情況以及潤濕性等，不可能100目檢表面安裝的焊接質量。目前BGA器件裝配控制裝配工藝過程質量和鑒別缺陷的辦法主要有光學檢測、電檢測、邊界掃描及X射線檢驗。在現代PCB設計中，球柵陣列(BGA)和其它面積排列元件(area array device)的使用很快變成為標準。許多電子裝配制造商面對一個檢查的難題：保證正確的裝配和達到過程合格率，而傳統的確認方法已經不再足夠。今天，越來越多的制造商

19、選擇X射線來滿足檢查要求。通過使用X射線檢查，BGA、微型BGA和倒裝芯片元件的隱藏焊點的特性可以用可靠的和非破壞性的的方式在生產運行的早期檢查出來。還有，大多數人員可以作出通過/失效的決定。在BGA使用到產品設計中之前，多數PCB制造商不在其檢查工藝中使用X光系統。傳統的方法，如自動光學檢查(AOI, automated optical inspection)、人工視覺檢查、包括制造缺陷分析(MDA, manufacturing defect analysis)的電氣測試、和在線與功能測試，用來測試PCB元件。可是，這些方法不提供隱藏焊接問題(如空洞、冷焊和焊粘接差)的準確檢查。X射線檢查可

20、有效地發現這類問題，監測質量保證和提供過程控制的即時反饋。（1）目視對于BGA等封裝陣列來說，在沒有檢查設備的情況下，先目視觀察最外面一圈焊點的塌陷是否一致，再將芯片對著光看，如果每一排每一列都能透過光，那么可以斷定沒有連焊，有時尺寸大一點的焊球也可以看見。但是不能檢測到內部缺陷（如空洞）。（2）外觀可視化光學檢測系統該系統的核心是一個雙組件的頭，如圖5所示，由一個光纖光源和一個安裝在非常精確的X/Y平板之上的光學儀器頭組成，受檢測的PCB板就放在下面。當檢測時，把頭降低到部件，放大鏡在部件的一邊，而光源在另一邊從背后照亮。通過沿部件逐行進行檢測焊點。通過調整視野可以看見內部互連并可進行評價。

21、所用這一切都通過一個組合在顯微鏡中的高分辨率CCD彩色攝像機投射到一個平面監視器上。內窺鏡檢測（3）電測試與邊界掃描檢測傳統的電測試是查找開路與短路缺陷的主要方法。其唯一目的是在板的預置點進行實際的電連接，這樣便可以提供使信號流入測試板、數據流入ATE的接口。如果印制電路板有足夠的空間設定測試點，系統也可檢查器件的功能。測試儀器一般由微機控制，檢測每塊PCB時，需要相應的針床和軟件。對于不同的測試功能，該儀器可提供相應工作單元來進行檢測，例如測試二極管、三極管時用直流電平單元；測試電容、電感時用交流單元；測試低數值電容、電感及高阻值電阻時用高頻信號單元。邊界掃描技術解決了一些與復雜器件及封裝密

22、度有關的問題。采用邊界掃描技術，每一個IC器件設計有一系列寄存器，將功能線路與檢測線路分離開，并記錄通過器件的檢測數據。測試通路檢查IC器件上每一個焊接點的開路、短路情況。基于邊界掃描設計的檢測端口，通過邊緣連接器給每個焊點提供一條通路，從而免除全節點查找的需要。盡管邊界掃描提供了比電測試更廣的不可見焊點檢測范圍，但也必須為掃描檢測專門設計印制電路板與IC器件。電測試與邊界掃描檢測主要用以測試電性能，判斷導電電流是通還是斷，卻不能較好地檢測焊接質量。如果輔助于非物理焊接點測試，將有助于組裝工藝過程的改善和SPC（統計過程控制）。（4）X射線測試可以用于對整個BGA器件組裝工藝過程進行精確測量和

23、質量檢測的檢驗設備非常少，自動化激光檢測設備能夠在元器件貼裝前測試焊膏的沉積情況，但是它們的速度緩慢，且不能用來檢驗BGA器件焊點缺陷。聲學顯微鏡用來檢查聚酰亞胺和陶瓷封裝的BGA焊點，但不能檢測BT樹脂材料封裝的BGA焊點。X射線透視圖可顯示焊接厚度、形狀及質量密度分布。厚度與形狀不僅是反映長期結構質量的指標，在測定開路、短路缺陷及焊接不足方面，也是很好的指標。此技術有助于收集量化的過程參數并檢測缺陷。X射線圖像檢測原理：X射線由一個微焦點X射線管產生，穿過管內的一個鈹窗，并投射到實驗樣品上。樣品對X射線的吸收率或透射率取決于樣品所包含材料的成分與比率。穿過樣品的X射線轟擊到有磷涂層的圖像探

24、測器并激發出光子，這些光子隨后被攝像機探測到，然后對該信號進行處理放大，由計算機進一步分析。不同的樣品材料對X射線具有不同的吸收率（見表7），處理后的灰度圖像顯示隨檢查的物體密度或材料厚度的差異。表7 不同材料對X射線的不透明度系數材料用途吸收率塑料包裝極小金芯片引線鍵合非常高鉛焊料高鋁芯片引線鍵合，散熱片極小錫焊料高銅PCB印制線中等環氧樹脂PCB基板極小硅半導體芯片極小l 人工X射線檢測使用人工X射線檢測設備，需要逐個檢查焊點并確定其是否合格。該設備配有手動或電腦輔助裝置，以便更好地進行檢測和攝像。詳細定義的標準或目視檢測圖表可指導評估檢測結果。通常的目視檢測要求培訓操作人員，并且容易出錯

25、，且人工設備并不適合對全部焊點進行檢測，只適合工藝鑒定和工藝故障分析。l 自動X射線檢測自動檢測系統能對全部焊點進行檢測，通常用于產量高且品種少的生產設備上，具有高價值或要求可靠性的產品也需要進行自動檢測。檢測結果與需要返修的電路板一起送給返修人員，并提供相關的統計資料，用于改進生產工藝。自動檢測系統需要設置正確的檢測參數。大多數新系統的軟件中都定義了檢測指標，但必須重新制訂，定義所要檢查焊點的面積和高度或把焊點剖成不同的截面，以適應生產工藝中所特有的因素，否則可能得到錯誤的信息且降低系統可靠性。自動檢測系統有兩種工作模式：直射式X射線測試系統和斷面X射線自動測試系統。直射式X射線系統源于X射

26、線束沿通路復合吸收的特性，對SMT的某些焊接，如單面PCB上的J型引線與細間距QFP等，是測定焊接質量最好的方法，且設備比較便宜，但它卻不能區分垂直重疊的特征。當PCB兩面的同一位置都有元件的情況下，這些焊料形成的陰影會重疊起來，分不清是那一層的問題；另外當BGA器件的焊縫被其內部引線遮掩時，也存在上述這個問題。斷面X射線測試系統克服了這些問題，它設計了一個聚焦斷面，并通過使目標區域上下平面散焦的方法，將PCB的水平區域分開。該系統的成功在于只需較短的測試時間，就能準確檢測出焊接缺陷。對于小體積的復雜產品，最好使用斷面X射線測試系統。雖然所有方法都可檢查焊接點，但斷面X射線測試系統提供了一種非

27、破壞性的測試方法，可檢測所有類型的焊接質量，并獲得有價值的調整組裝工藝的信息。l 斷面X射線自動測試斷層剖面測量了每個“切片”的4個基本物理參數：焊點的中心位置，焊點的直徑，與焊點中心同軸的5個圓環的各自焊料厚度，焊點相對于已知圓度的圓形的形狀誤差。焊點中心位置在不同切片影像中的相對位置則表明BGA器件在PCB焊盤上的移位情況；焊點直徑測量表示焊點中焊料量與標準焊料量相比的相對量；在焊盤位置的直徑測量則表示因焊膏印刷或焊盤污染引起的開路情況，而在焊球處的直徑測量則表示焊點共面性情況，各個同軸圓環的焊料厚度測量以及它的變化率則判斷焊點中焊料的分布情況，對確定潤濕不良和氣孔缺陷更為有效。焊點的圓度

28、表示與標準圓相比，焊點周圍焊料分布的均勻性，為判定器件移位和焊點潤濕情況提供數據。焊料的數量以及它在連接點的分布情況，通過在BGA焊點上的二個或更多個不同的高度（如印制電路板焊盤接觸面，元器件接觸面，或元器件和印刷電路板之間的一半高度）所產生的橫截面圖像或“水平切片”予以直接測量，再結合同類BGA連接點的多次切片測量，能夠有效地提供三維測試。根據BGA連接點的常規結構，在每個橫截面X射線圖像“切片”內，具體連接點的特征被進行分離并予于以測量，從而提供定量的統計工藝控制（SPC）測量，SPC測量能夠用于追蹤過程偏移，以及將其特征歸入對應的缺陷范疇。l 選擇合適X射線檢測系統選擇適合實際生產應用的

29、、有較高性能價格比的X射線檢測系統以滿足質量控制需要是一項十分重要的工作。最近較新的超高分辯率X射線系統在檢測及分析缺陷方面已達微米水平，為生產線上發現較隱蔽的質量問題（包括焊接缺陷）提供了較全面、省時的解決方案。在決定購買檢測X射線系統之前，一定要了解系統所需的最小分辯率（見表8），與此同時也就決定了所要購置的系統的大致價格。（空洞檢測分辨率一般為球徑的1/10）表8 不同分辯能力的X射線系統的應用系統應用的幾個方面系統所需最小分辯率整體缺陷檢查50um一般PCB檢測與質量控制BGA檢測10um細間距引線與焊點檢測5umuBGA檢測倒裝片檢測PCB缺陷分析與工藝控制鍵合裂紋檢測1um微電路缺

30、陷檢測4.BGA焊點缺陷及相關接收標準BGA典型缺陷為橋連、開路、焊球丟失、焊料不足、大空洞、移位、大焊球和焊點邊緣模糊。IPC-A-610C的12.2.12專門對BGA焊點接收標準進行了定義：焊點光滑、邊界清晰，所有焊點的直徑、體積、灰度和對比度均一致，位置對準，無偏移或扭轉，無焊球和無空洞等。實際中標準可以適當放松，如允許BGA焊點相對于焊盤有不超過25的偏移量，焊料球不能大于相鄰最近的兩個焊球間距的25。BGA焊點空洞是常見的一種缺陷，它的存在容易產生應力集中，對焊點可靠性產生影響。但是空洞的存在由于減少了焊料球所占空間，也就減少了焊球上的機械應力。空洞一般出現在三個層：元件層、焊盤層，

31、焊料層。空洞有可能在焊接前就存在BGA焊球中，也可能在焊接后出現。由于焊膏材料或焊盤表面或電路板設計時焊盤附近存在過孔，都會產生氣孔。焊球內部允許有小尺寸的空洞存在，IPC-7095中規定：焊盤層的空洞面積不能大于焊球面積的10，即空洞直徑不能超過焊球直徑30；焊料層（空洞位于焊球中間）的空洞面積不能大于焊球面積的25，即空洞直徑不能超過焊球直徑的50。空洞面積占焊球面積的比例可以按如下方法計算：如果空洞直徑是焊球直徑的50，那么空洞面積是焊球面積的25。由于來自正常環境使用的應力所造成的PCA的撓曲可造成一個有空洞朝焊盤/錫球連接外邊或大空洞的焊錫點裂開。X射線檢查發現的大于BGA直徑35%

32、的或在焊點外的空洞應該看作不可接受。 如果空洞完全被包住，錫點裂開是不可能的，因為應力一般會均勻地作用于焊盤/錫球焊點。不管怎么樣，大于35%的錫球直徑的空洞表示一個工藝過程有關的問題，不應該接受。空洞焊接空洞是由加熱期間焊錫中夾住的化合物的膨脹所引起的。雖然有空洞的BGA焊接點可能表示會引起將來失效的工藝問題。焊接點中可接受的標準不應該超過錫球直徑的20%，并且沒有單個空洞出現在焊接點外表。多個空洞可能出現在焊點中，假設空洞的總和不超過錫球直徑的20%。脫焊焊點不允許脫焊焊點。錫橋和短路當過多焊錫在接觸點或者當焊錫放置不當時，經常發生橋接和短路。在接收標準中，不能存在短路或橋接的焊點，除非它

33、們專門設計成底層電路或BGA。不對準X光圖象將清楚地顯示是否BGA球沒有適當地對準PCB上的焊盤。不對準是不允許的。開路和冷焊點當焊錫和相應的焊盤不接觸或者焊錫不正確流動時，發生開路和冷焊點。這種情況不允許。不接觸一旦元件已經貼裝在PCB上，丟失或誤放的焊錫和錫球是不允許的。X光評估含有BGA的PCA必須使用能夠分辨至少小于100微米直徑孔的X光系統來評估。X光系統必須能夠允許在測單元(UUT, unit under test)從上往下和傾斜兩個方向觀察。使用實時X光檢查來評估焊接點和保證一個高的過程合格率已經成為成功的BGA裝配的一個必要元素。對于這些無引腳裝配，X光為成功的焊接運行和可靠的

34、焊點取得實際的認可。如果生產運行協調良好，使用現代回流爐，BGA的自我對中特性使得X光檢查也將找不出太多的缺陷。如果是這樣，應該馬上檢查工藝過程，以決定是否和在哪里已經超過參數極限。缺陷分析蝶性焊球貼片后自動校正焊球高度降低近50，焊球直徑增加約17，導致焊球總面積增大37焊球丟失橋連焊點變大 焊點開路4.1不可拆BGA焊接點的斷路不可拆BGA焊接點處所發生的斷路現象，通常是由于焊盤污染所引起的，由于焊料不能潤濕印刷電路板上的焊盤，它向上“爬”到焊料球一直到元器件界面上。如前面所敘，電子測試能夠確定斷路現象的存在，但是不能區別這是由于焊盤污染所引起的呢？還是由于焊料漏印工藝過程控制不住所引起的

35、？利用X射線設備進行測試，也不能揭示斷路現象，這是因為受到前置焊科球“陰影”的影響。利用橫截面X射線檢測技術，能夠通過在焊盤層和元器件層中間獲取的圖像切片，辯別出這種由于污染所引起的斷路現象。由于污染所引起的斷路現象，會產生細小的焊盤半徑和較大的元器件半徑尺寸，所以可以利用元器件半徑和焊盤半徑的差異來區分斷路現象是否是由于污染引起的。由于焊料不足所引起的斷路現象其半徑之間的差異是非常小的，只有利用橫截面x射線檢測設備才能夠辯別出這一差異。4.2可拆卸BGA焊接中空隙可拆卸BGA焊接中的空隙是由于流動的蒸汽被截留在低共熔點焊料焊接處所產生的。在可拆卸BGA焊接點處出現空隙是一種主要的缺陷現象。在

36、再流焊接期間，由于空隙所產生的浮力影響集中作用在元器件的界面上，因此所涉及到的絕大數焊接點失效現象，也都發生在那里。所出現的空隙現象可以通過在實施再流焊接工藝過程期間進行預加熱，以及通過增加短暫的預熱時間和較低的預熱溫度予以消除。當空隙超過一定的尺寸大小、數量或者密度時可靠性將明顯降低，不過現在也有一種說法認為，不要對空隙予以限制，而是要加速其破裂擴散，使其早日失效并予以剔除。可拆卸BGA焊接中的空隙，可以通過在元器件層獲取的橫截面x射線圖像切片中清晰地農現出來。有些空隙在這些圖像內能夠被確定和測量，或者通過左DGA焊接點半徑處所產生的顯著增加現象而被間接地表現出來。5.可靠性影響由于焊劑直接

37、影響到電遷移和表面絕緣電阻，所以焊后一般要求清洗，但BGA底部焊劑清洗是非常棘手的工作，所以推薦使用免清洗助焊劑，就可以不必清洗了。BGA的底層填充密封劑可以承受機械沖擊，提高可靠性和熱循環性能，目前采用全部填充和四點填充兩種方式。填充有硅的底層填充密封劑由于CTE較低，熱循環性能更佳。無填料的底部填充密封劑粘性和密度較低，更容易噴涂，且在器件的底部快速流動，從而使用低成本的設備。（1）芯片/封裝的比率高，可靠性好（2）焊盤較大時，可靠性好（QFN）（3）薄板可靠性好于厚板可靠性（4）散熱焊盤焊到PCB上可靠性好于不焊（QFN）（5）溫度循環條件的影響：相同高溫溫差引起的損壞程度比低溫要大，高

38、溫變率條件下失效循環次數比低溫變率條件下失效循環次數要低（6）塑封材料滿足兩個要求：必須滿足最小封裝級別即潮濕敏感級別的可靠性要求；必須保證封裝元件安裝到板上可靠性達到可接受要求。提高可靠性方法（1）提高元件離板高度（2）形成焊料帶（QFN）6.BGA返修6.1BGA返修工藝BGA返修工序一般包括元件檢查、元件拆除、返修位置清洗之后阻焊膜檢查、微模板印刷后印刷質量檢查、放置元件之后開始再流焊前的拾取和防止對中。對球柵陳列芯片（如BGA，CSP）進行返修時，應該意識到制程控制對成功的進行芯片返修的重要性，標準的方法是對于單芯片的起拔和貼裝盡可能的模擬生產過程中的工藝和再流參數設置，這就意味著我們

39、對一芯片進行返修時，就必須在電路板的特定區域進行加熱。對不定區域進行加熱有時會發生釬焊失敗，盡管所有參數設定看起來都是正確的。返修BGA是迫不得已的辦法，修復一片BGA要費很長時間，而且還須有合適的焊料球和能夠精確定位的返修工具。目前植球的方法很多，但實際操作時植球的成功率很低。即使修復好了再焊接上去，這個芯片已經承受了至少4次再流周期，肯定會影響焊接的可靠性。盡量減少或消除缺陷，不返修，這才是所追求的目標。大多數半導體器件的耐熱溫度為240260，對于BGA返修系統來說，加熱溫度和均勻性的控制顯得非常重要。芯片供應商要求芯片表面最高溫度為265，芯片表面溫度、焊點溫度和電路板底部的最大溫差由

40、傳統的10變為無鉛化后的5。芯片焊接常用溫度為240250，接近焊接溫度225235，再流時間縮短，這要求返修系統需要快速升溫降溫功能。BGA返修步驟主要包括電路板、芯片預熱；拆除芯片；清潔焊盤；涂焊膏及助焊劑；貼片；再流焊。（1）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小（如芯片剛拆封），這一步可以免除。（2）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）。（3）清潔焊盤主要是將拆除芯片后留在PCB表面的助焊劑、焊膏清理掉，必須使用符合要求的清洗劑。為了保證BGA的焊接可靠性，一般不能使用焊盤上舊的殘留焊膏，必須將舊的

41、焊膏清除掉，除非芯片上重新形成BGA焊球。由于BGA芯片體積小，特別是CSP（BGA），芯片體積更小，清潔焊盤比較困難，所以在返修CSP芯片時，如果CSP的周圍空間很小，就需使用免清洗焊劑。（4）在PCB上涂焊膏/助焊劑對于BGA的返修結果有重要影響。一種較新的焊膏沉積方法是使用模板直接把焊膏印刷在CSP或LGA上，這種方法易于掌握，焊膏釋放性和一致性好。通過選用與芯片相符的模板，可以很方便地將焊膏涂在電路板上。處理CSP芯片，有3種焊膏可以選擇：RMA焊膏，免清洗焊膏，水基焊膏。使用RMA焊膏，再流時間可略長些，使用免清洗焊膏，再流溫度應低些。（5）貼片的主要目的是使BGA芯片上的每一個焊球

42、與PCB上每一個對應的焊點對正。由于BGA芯片的焊點位于肉眼不能觀測到的部位，所以必須使用專門的設備來對中。（6）要保證焊點不會產生脆化的現象就要對潤濕和溫度進行良好的控制，這就要對加熱、升溫和降溫速率進行更好的控制，特別是底部加熱。在加熱方式的選擇上熱風加熱（對流方式）要優于紅外加熱（輻射方式），不能采用烙鐵（傳導方式）進行加熱。6.2 BGA返修工具返修的核心問題是如何實現最佳再流焊曲線。一旦電路板結構和板上元器件分布確定，對于焊接而言此電路板就只有一條最佳的再流焊接曲線實現最佳期的焊接。如何取得最佳焊接條件，這對工藝人員構成了直接的挑戰。在返修過程中由于使用的設備、輔料等變量的局限性，工

43、藝人員有時不得不作出各種折衷的選擇。不論設備采用何種加熱方式反饋控制電路，單芯片返修設備是在全封閉狀態下進行焊接過程控制。由于被返修芯片周圍已經有了其它元器件，目前世界上的單芯片返修（無過程控制系統）和單芯片返修系統（全過程控制）均采用開放式加熱系統。因此無論是紅外、熱板、紅外+熱板，還是熱風加熱系統都面臨著同樣的技術要求，即如何控制再流焊曲線接近或重復批量生產中SMT再流焊接曲線。（1）紅外加熱設備無鉛焊接溫度高且工藝窗口窄，執行無鉛焊接的設備必須具有良好的降溫性能。由于紅外熱源通常為高密度的陶瓷加熱體，盡管系統采用了溫度反饋控制，但由于熱源惰性大且紅外加熱是輻射式加熱，即使切斷電源，熱能輻

44、射并不能瞬間消失，仍然會產生對芯片的溫度過沖。因此采用紅外加熱的返修系統不能控制降溫曲線，也就是說不能很好地控制再流焊區的形成。紅外加熱技術的致命缺陷是點熱源，其加熱原理是直接對物體加熱會造成熱能量穿透芯片再到達焊球。由于器件是由不同顏色和材質的材料構成，因此各處所吸收的紅外線波長不同，從而造成器件各部位的溫度不同，很容易造成過熱損傷。有人對BGA采用紅外頂部加熱，實驗結果顯示BGA芯片處的溫度可達246.5，而此時焊球的溫度為189，因此很容易造成過熱損傷。表 為不同顏色對紅外的吸收率。最新紅外輻射選擇波長在28m的暗紅輻射器，使色敏感問題大大減小，改善了溫度不均勻性。為降低紅外加熱的不均勻

45、性，通常在紅外加熱源的上面附加一個金屬散熱板來克服加熱不均勻的缺陷（全金屬板狀或帶孔金屬網狀），但由于加熱靠紅外輻射，難以從根本上解決不均勻加熱的問題。采用金屬、陶瓷等高密度散熱材料可以一定程度地改善加熱的均勻性，但同時又會加大其熱惰性。表 各種顏色對紅外的吸收率顏色紅外吸收率白色35淺綠色55紅色65黑色90由于芯片焊腳的溫度永遠高于整體電路板的溫度，底部加熱采用紅外加熱的不均勻性會造成電路板變形，造成電路板上的其它元器件的焊點受到很大的變形應力，結果整個電路板在單芯片返修后的可靠性不可預測，對大尺寸電路板、多層板和帶有大面積接地布線的電路板，采用紅外加熱技術的設備進行可靠焊接幾乎是不可能的

46、。另外由于紅外加熱不采用噴嘴，其加熱面積幾乎為正方形，如所要加熱器件為長方形，則相鄰器件將遭受二次熔錫。由此可見，采用紅外加熱技術的設備由于存在不可克服的缺點，如升、降溫慢，均勻性差，加熱體熱惰性大等，并不能滿足無鉛焊接的基本要求。（2）熱風加熱設備熱風再流焊是整個返修工藝的關鍵，有幾個問題比較重要。第一，芯片返修再流焊的曲線應當與芯片的原始焊接曲線接近，熱風再流焊曲線可分成四個區間：預熱區，加熱區，再流區，冷卻區，四個區間的溫度，時間參數可以分別設定。第二，再流焊過程中要正確選擇各區的加熱溫度和時間，同時應注意升溫的速度。一般在100以前，最大的升溫速度不超過6/秒，100以后最大的升溫速度

47、不超過3/秒，在冷卻區最大的速度不超過6/秒。過高的升溫速度和降溫速度都可能損壞PCB和芯片，這種損壞有時是肉眼不能觀察到的。不同的芯片、焊膏，應選擇不同的加熱溫度和時間，如CBGA芯片的再流溫度應高于PBGA的再流溫度。對免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此焊接溫度不宜過高，焊接時間不宜過長，以防止焊膏顆粒的氧化。第三，熱風再流焊中，PCB板的底部必須能夠加熱。這種加熱的目的有二個：避免由于PCB板的單面受熱而產生翹曲和變形；使焊膏溶化的時間縮短。對大尺寸板返修BGA，這種底部加熱尤其重要，一種采用熱風加熱和紅外加熱。熱風加熱的優點是加熱均勻，一般返修工藝建議采用這種加熱。紅外加熱的缺點是P

48、CB受熱不均勻。第四，要選擇好的熱風再流噴嘴。熱風再流噴嘴屬于非接觸式加熱，加熱時依靠高溫空氣流使BGA芯片上的各焊點的焊膏同時溶化。這種噴嘴將BGA元件密封，保證在整個再流過程中有穩定的溫度環境，同時可保護相鄰元件不被對流熱風加熱損壞（如圖 所示）。熱風再流焊由于噴嘴結構復雜，價格昂貴，用戶在選購時很難配齊。圖 BGA返修熱風噴嘴（3）全過程控制熱風加熱與紅外加熱比較表 為全過程控制熱風加熱與紅外加熱比較，可以看出全過程控制熱風加熱比紅外技術更可靠。不推薦采用熱板和紅外預熱裝置，原因是因為熱感應時間、能量轉換率及效率完全不一致，且沒有升溫和保溫的能力用來支持復雜溫度曲線的建立和運行。不過其可

49、以加熱物體表面，可用于大塊金屬和接地印制板的有限使用中。表 紅外與全過程控制熱風加熱技術比較紅外加熱全過程控制熱風加熱熱惰性大，因此熱量控制難度大熱量控制容易熱惰性大，降溫過程幾乎不可控降溫控制容易隨芯片材質的不同，熱量吸收差異很大不受芯片材質的影響點熱源加熱，電路板易變形電路板受熱均勻，不易變形6.3 BGA焊盤修復由于多次返修或其它原因，BGA焊盤翹起或脫落，必須進行修復。修復步驟如下：（1）清潔要修理區域，去掉失效的焊盤和一小段連線，用刀刮掉殘留膠、污點賀燒傷材料，刮掉需要連線處的阻焊或涂層，清潔區域。（2）在需要連接處蘸少量助焊劑，上錫后清潔，保證連接處搭接長度不小于兩倍線寬。（3）將

50、新的BGA焊盤的連線插入原來通路孔中，去掉阻焊，適當處理保持平滑，如有纖維層暴露或表面刮傷，都應先處理。此工序最重要就是保證高度，必要時要微磨板面以保證高度不會干涉更換的元件。注意要去掉BGA焊盤和連線或通孔之間的阻焊層，保證一個較低的輪廓。（4）選擇一個BGA的替換焊盤，這些新焊盤是用銅箔制作，頂面鍍錫，底面由膠粘劑。修整時用刀小心刮掉膠粘劑，剪掉過多的連線，頂面放置高溫膠帶，將新焊盤放置在PCB指定位置，用膠帶幫助定位。然后選用合適粘結焊嘴的粘結壓力機施壓進行修復。（5）完畢，蘸少量助焊劑到焊接連線搭接部位，把新焊盤的連線焊接到PCB表面線路上，涂混合樹枝在焊接連線搭接出，然后固化。（6）

51、按照要求涂表面涂層，進行檢測。6.4 BGA熱風返修工藝及焊接缺陷（1）返修工具使用無力移動技術來從板上移去元件。返修開始時，真空吸取管降低來感應元件高度，然后升到特定的高度。熱風噴嘴加熱元件到焊膏再流溫度，真空吸嘴降低到預定高度，打開真空，移去元件而不破壞共晶焊點。取下元件后，返修工具的偏置底板溫度要設定到150°C左右的溫度，均勻地加熱基板，減小返修位置的溫度斜率，防止大的溫度斜率引起局部板的翹曲。（2）移去焊盤上的焊膏，直到焊盤表面平坦。涂覆助焊劑在所需位置，預熱到適當位置后，使用焊膏真空工具把焊膏吸上到真空管，然后用異丙醇清潔焊盤，檢查是否損壞。使用無麻刷擦過板面來涂覆助焊劑

52、，貼裝新元件，進行再流焊。溫度曲線必須符合焊膏制造商推薦的再流焊曲線要求。由于不同板面吸熱不同，內層和相鄰元件不同，返修的每個元件應單獨制定曲線，將過熱、加熱不足或焊盤起脫的危險減到最小。（3）元件貼裝和再流是最困難的。在給座子上助焊劑后，貼裝元件和再流座子，通常元件會偏斜。在不同情況下，元件錫球在板上焊盤內熔濕不均勻。人們相信，元件太輕，在熱風噴嘴內移來移去。這種現象甚至發生在返修工具所允許的低氣流量情況。為了防止元件移動，返修工具設定程序，在貼裝之后把真空吸取管留在元件頂上，直到通過溫度曲線的預熱部分。當再流周期開始時，真空管回輕輕縮回，允許元件熔濕焊盤而不損壞焊接點。這個方法使用很好，但

53、有一些缺點。再流期間，元件上的吸取管的高度和重量有時會造成錫橋。真空吸取管似乎也會降低BGA的自對中能力。印刷電路板和芯片在返修中，由于PCB上下溫差過大引起的翹曲是造成焊接問題，如虛焊和橋接的主要原因，見圖 所示，需使用特殊的支持塊來防止翹曲，通過預熱以減少可能引起翹曲的溫度差。薄板會在高度讀數的壓力下向下弓，隨后在加熱過程中向上翹曲。這意味著不得不在每一步中增加額外的高度。板即使是微小的變形都會導致問題的出現，芯片翹曲也同樣產生同樣的問題。PBGA與PCB板的間隙一般為0.020英寸，在芯片范圍即使0.005英寸的變形都足以引起虛焊現象的發生；器件越大就越容易產生這些問題，并且越向芯片中間

54、問題越嚴重。橋連通常發生在芯片外圍焊點，特別是在四角上。即使電路板和芯片在焊接沒有出現明顯的問題，電路板回復到正常位置也會對焊點產生持續的拉力，導致長期可靠性問題。圖 虛焊圖 橋連器件分層也是返修中容易出現的問題。塑料封裝通常是吸濕的，也就是說芯片會吸收空氣中的潮汽。如果芯片被快速加熱，潮氣擴散會在芯片內部形成空穴，這就是我所說的“爆米花”現象。一般在返修之前對芯片和電路板慢速烘干，慢慢的驅走潮氣。一些公司已將此做為在進行任何返修前必須做的標準工序。在芯片范圍的溫差T較大致使返修和生產出現不同時熔錫的問題，促使著生產商力圖得到同時熔錫的原因。為了避免噴嘴內的濕差對釬焊帶來的影響，在設定再流曲線

55、參數時要使焊點盡快通過焊錫熔點。助焊劑使用是很主觀的，一個技術員與另一個技術員差別很大。太多的助焊劑產生一層液體，再流期間可產生像CSP元件等漂移；太少助焊劑意味著當熱風開動流動時，沒有足夠的粘性來保持元件在位置上。較近的研究指出：對BGA本身，而非板焊接點上的助焊劑改進，提高了返修效率。為了解決焊接問題，無鉛BGA返修焊接曲線需要進行優化：提高預熱溫度，加快溶劑揮發，減少空洞；加長浸潤階段時間，保證焊點潤濕性，便于BGA受熱均勻；加快冷速，利于IMC快速形成，提高焊點可靠性；縮小上下熱風溫差，避免PCB基板變形；降低峰值溫度，延長再流時間，避免BGA因溫度過高產生翹曲。對噴嘴/加熱器要求可進

56、行PCB預熱，可進行自動化/可編程的頂部/噴嘴高度調整，頂部帶有元件放置力傳感器，熱風流可通過編程改變大小，具有不同尺寸的噴嘴系列，噴嘴防止熱風流偏離向相鄰元件，噴嘴帶有實時真空傳感器，提高噴嘴熱容量和控制，開發交互式底部加熱器控制，開發通用的PCB支撐系統，具有自動化校準順序。 返修系統通過控制噴嘴邊緣底部到PCB板面的高度來調整氣流和傳熱效果。CCGA封裝有很大熱容量，即使在CCGA封裝內，不同類型的CCGA也都有很強的熱傳輸能力。在制作工藝時，要保證焊點再流工藝進行的情況下，使得噴嘴和底部加熱器的設置溫度最低，加熱時間最短。主要參數包括：底部加熱溫度，噴嘴溫度，噴嘴位置和氣流流速等。距離返修元件1英寸的其它元件不會被再流當噴嘴距離板面間隙G為0時，加熱效率最高噴嘴距離板面間隙G存在臨界值Gopt，當G<Gopt時，邊緣焊點溫度TC4高于中心焊點溫度TC3，當G=Gopt時，邊緣焊點溫度TC4等于中心焊點溫度TC3；當G>Gopt時，邊緣焊點溫度TC4低于中心焊點溫度TC3。對CCGA元件，最佳間隙G是0.52mm。噴嘴溫度選擇為310最好，