BGA特性及返修工艺介绍

随着电子产品向小型化、便携化、网络化和高性能方向发展，对电路组装技术和I/O引线数提出了更高的要求，芯片体积越来越小，芯片引脚越来越多，给生产和返修带来困难。

　　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，组装小间距细引线的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)，由于芯片引脚不是分布在芯片的周围而是在封装的底面，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封装技术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。

　　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);

　　·CCBGA(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mBGA)。

　　PBGA是目前使用较多的BGA，它使用63Sn/37Pb成分的焊锡球，焊锡的熔化温度约为183℃。焊锡球在焊接前直径为0.75mm，回流焊以后，焊锡球高度减为0.46～0.41mm。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汽化导致芯片损坏，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。

　　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，因此它的焊锡熔化温度较PBGA高，较PBGA不容易吸潮，且封装更牢靠。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。

　　CCBGA焊锡柱直径为0.51mm，柱高度为2.2mm，焊锡柱间距一般为1.27mm，焊锡柱的成分是90Pb/10Sn。

　　TBGA焊锡球直径为0.76mm，球间距为1.27mm。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，除了体积小外，还有更短的导电通路、更低的电抗性，更容易达到频率为500～600MHz的范围。

　　我们可以从以下同为304引脚的QFP与BGA芯片的比较看出BGA的优点：

　　概括起来，和QFP相比，BGA的特性主要有：

　　1.I / O引线间距大(如1.0，1.27，1.5mm)，可容纳的I/O数目大(如1.27mm间距的 BGA在25mm边长的面积上可容纳350个I/O, 而0.5mm间距的QFP在40mm边长的面积上只容纳304个I/O)。

　　2.封装可靠性高(不会损坏引脚)，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，当引脚间距小于0.4mm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.引脚水平面同一性较QFP容易保证, 因为焊锡球在熔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，另外由于引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。

　　大多数半导体器件的耐热温度为240～2600℃，对于BGA返修系统来说，加热温度和均匀性的控制非常重要。美国OK集团的热风回流焊接及返修系统BGA-3592-G/CSP-3502-G和日本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：

　　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。

　　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)。

　　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或mBGA，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周围空间很小，就需使用免清洗焊剂。

　　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。

　　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，所以必须使用专门设备来对中。BGA-3592-G可进行精确的对中。

　　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，同时应注意升温速度。一般在100℃以前，最大升温速度不超过6 ℃/s，100℃以后最大升温速度不超过3℃ /s，在冷却区，最大冷却速度不超过6℃/s。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。加热有两个目的：避免由于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，底部加热尤其重要。BGA-3592-G返修设备的底部加热方式有两种，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)。

　　在电子产品尤其是电脑与通信类电子产品的生产领域，半导体器件向微小型化、多功能化、绿色化发展，各种封装技术不断涌现，BGA/CSP是当今封装技术的主流。其优势在于进一步缩小半导体器件的封装尺寸，因而提高了高密度贴装技术水平，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封装技术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。