BGA Ball Grid Array Package 球柵陣列封裝 廣泛應用于集成電路的封裝
如FPGA/CPLD 主板南北橋，手機芯片，它的焊接是否良好，直接關(guān)系到所做產(chǎn)片的可靠性和壽命，我焊接由BGA封裝的芯片不久，想寫(xiě)點(diǎn)感想，希望大家多多指教。
1 工藝技術(shù)原理
BGA焊接采用的回流焊的原理。這里介紹一下錫球在焊接過(guò)程中的回流機理。
當錫球至于一個(gè)加熱的環(huán)境中，錫球回流分為三個(gè)階段：
預熱：
首先，用于達到所需粘度和絲印性能的溶劑開(kāi)始蒸發(fā)，溫度上升必需慢(大約每秒5° C)，以限制沸騰和飛濺，防止形成小錫珠，還有，一些元件對內部應力比較敏感，如果元件外部溫度上升太快，會(huì )造成斷裂。
助焊劑（膏）活躍，化學(xué)清洗行動(dòng)開(kāi)始，水溶性助焊劑（膏）和免洗型助焊劑（膏）都會(huì )發(fā)生同樣的清洗行動(dòng)，只不過(guò)溫度稍微不同。將金屬氧化物和某些污染從即將結合的金屬和焊錫顆粒上清除。好的冶金學(xué)上的錫焊點(diǎn)要求“清潔”的表面。
當溫度繼續上升，焊錫顆粒首先單獨熔化，并開(kāi)始液化和表面吸錫的“燈草”過(guò)程。這樣在所有可能的表面上覆蓋，并開(kāi)始形成錫焊點(diǎn)。
回流：
這個(gè)階段最為重要，當單個(gè)的焊錫顆粒全部熔化后，結合一起形成液態(tài)錫，這時(shí)表面張力作用開(kāi)始形成焊腳表面，如果元件引腳與PCB焊盤(pán)的間隙超過(guò)4mil（1 mil = 千分之一英寸），則極可能由于表面張力使引腳和焊盤(pán)分開(kāi)，即造成錫點(diǎn)開(kāi)路。
冷卻：
冷卻階段，如果冷卻快，錫點(diǎn)強度會(huì )稍微大一點(diǎn)，但不可以太快而引起元件內部的溫度應力。
1.1采用的工藝原理
對于BGA的焊接，我們是采用BGA Rework Station（BGA返修工作站）進(jìn)行焊接的。不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的BGA返修工作站采用的工藝原理略有不同，但大致是相同的。這里先介紹一下溫度曲線(xiàn)的概念。BGA上的錫球，分為無(wú)鉛和有鉛兩種。有鉛的錫球熔點(diǎn)在183℃～220℃，無(wú)鉛的錫球熔點(diǎn)在235℃～245℃.
這里給出有鉛錫球和無(wú)鉛球焊接時(shí)所采用的溫度曲線(xiàn)。
從以上兩個(gè)曲線(xiàn)可以看出，焊接大致分為預熱，保溫，回流，冷卻四個(gè)區間（不同的BGA返修工做站略有不同）無(wú)論有鉛焊接還是無(wú)鉛焊接，錫球融化階段都是在回流區，只是溫度有所不同，回流以前的曲線(xiàn)可以看作一個(gè)緩慢升溫和保溫的過(guò)程。明白了這個(gè)基本原理，任何BGA返修工作站都可以以此類(lèi)推。這里，介紹一下這幾個(gè)溫區：
預熱區：也叫斜坡區,用來(lái)將PCB的溫度從周?chē)h(huán)境溫度提升到所須的活性溫度。在這個(gè)區,電路板和元器件的熱容不同,他們的實(shí)際溫度提升速率不同。電路板和元器件的溫度應不超過(guò)每秒2～5℃速度連續上升,如果過(guò)快,會(huì )產(chǎn)生熱沖擊,電路板和元器件都可能受損,如陶瓷電容的細微裂紋。而溫度上升太慢,焊膏會(huì )感溫過(guò)度,溶劑揮發(fā)不充分,影響焊接質(zhì)量。爐的預熱區一般占整個(gè)加熱區長(cháng)度的15～25 %。
保溫區：有時(shí)叫做干燥或浸濕區,這個(gè)區一般占加熱區的30 ～ 50 %?；钚詤^的主要目的是使PCB上各元件的溫度趨于穩定,盡量減少溫差。在這個(gè)區域里給予足夠的時(shí)間使熱容大的元器件的溫度趕上較小元件,并保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發(fā)。到活性區結束,焊盤(pán)、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去,整個(gè)電路板的溫度達到平衡。應注意的是PCB上所有元件在這一區結束時(shí)應具有相同的溫度,否則進(jìn)入到回流區將會(huì )因為各部分溫度不均產(chǎn)生各種不良焊接現象。一般普遍的活性溫度范圍是120～150℃,如果活性區的溫度設定太高,助焊劑（膏）沒(méi)有足夠的時(shí)間活性化,溫度曲線(xiàn)的斜率是一個(gè)向上遞增的斜率。雖然有的焊膏制造商允許活性化期間一些溫度的增加,但是理想的溫度曲線(xiàn)應當是平穩的溫度。
回流區：有時(shí)叫做峰值區或最后升溫區,這個(gè)區的作用是將PCB的溫度從活性溫度提高到所推薦的峰值溫度?；钚詼囟瓤偸潜群辖鸬娜埸c(diǎn)溫度低一點(diǎn),而峰值溫度總是在熔點(diǎn)上。典型的峰值溫度范圍是焊膏合金的熔點(diǎn)溫度加40℃左右,回流區工作時(shí)間范圍是20 - 50s。這個(gè)區的溫度設定太高會(huì )使其溫升斜率超過(guò)每秒2～5℃,或使回流峰值溫度比推薦的高,或工作時(shí)間太長(cháng)可能引起PCB的過(guò)分卷曲、脫層或燒損,并損害元件的完整性?；亓鞣逯禍囟缺韧扑]的低,工作時(shí)間太短可能出現冷焊等缺陷。
冷卻區：這個(gè)區中焊膏的錫合金粉末已經(jīng)熔化并充分潤濕被連接表面,應該用盡可能快的速度來(lái)進(jìn)行冷卻,這樣將有助于合金晶體的形成,得到明亮的焊點(diǎn),并有較好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會(huì )導致電路板的雜質(zhì)更多分解而進(jìn)入錫中,從而產(chǎn)生灰暗粗糙的焊點(diǎn)。在極端的情形下,其可能引起沾錫不良和減弱焊點(diǎn)結合力。冷卻段降溫速率一般為3～10 ℃/ S。
1.2工藝方法
在焊接BGA之前，PCB和BGA都要在80℃～90℃，10～20小時(shí)的條件下在恒溫烤箱中烘烤，目的是除潮，更具受潮程度不同適當調節烘烤溫度和時(shí)間。沒(méi)有拆封的PCB和BGA可以直接進(jìn)行焊接。特別指出，在進(jìn)行以下所有操作時(shí)，要佩戴靜電環(huán)或者防靜電手套，避免靜電對芯片可能造成的損害。在焊接BGA之前，要將BGA準確的對準在PCB上的焊盤(pán)上。這里采用兩種方法：光學(xué)對位和手工對位。目前主要采用的手工對位，即將BGA的四周和PCB上焊盤(pán)四周的絲印線(xiàn)對齊。這里有個(gè)具竅：在把BGA和絲印線(xiàn)對齊的過(guò)程中，及時(shí)沒(méi)有完全對齊，即使錫球和焊盤(pán)偏離30%左右，依然可以進(jìn)行焊接。因為錫球在融化過(guò)程中，會(huì )因為它和焊盤(pán)之間的張力而自動(dòng)和焊盤(pán)對齊。在完成對齊的操作以后，將PCB放在BGA返修工作站的支架上，將其固定，使其和BGA返修工作站水平。選擇合適的熱風(fēng)噴嘴（即噴嘴大小比BGA大小略大），然后選擇對應的溫度曲線(xiàn)，啟動(dòng)焊接，待溫度曲線(xiàn)完畢，冷卻，便完成了BGA的焊接。
在生產(chǎn)和調試過(guò)程中，難免會(huì )因為BGA損壞或者其他原因更換BGA。BGA返修工作站同樣可以完成拆卸BGA的工作。拆卸BGA可以看作是焊接BGA的逆向過(guò)程。所不同的是，待溫度曲線(xiàn)完畢后，要用真空吸筆將BGA吸走，之所以不用其他工具，比如鑷子，是因為要避免因為用力過(guò)大損壞焊盤(pán)。將取下BGA的PCB趁熱進(jìn)行除錫操作（將焊盤(pán)上的錫除去），為什么要趁熱進(jìn)行操作呢？因為熱的PCB相當與預熱的功能，可以保證除錫的工作更加容易。這里要用到吸錫線(xiàn)，操作過(guò)程中不要用力過(guò)大，以免損壞焊盤(pán)，保證PCB上焊盤(pán)平整后，便可以進(jìn)行焊接BGA的操作了。
取下的BGA可否再次進(jìn)行焊接呢？答案是肯定的。但在這之前有個(gè)關(guān)鍵步驟，那就是植球。植球的目的就是將錫球重新植在BGA的焊盤(pán)上，可以達到和新BGA同樣的排列效果。這里詳細介紹下植球。這里要用到兩個(gè)工具鋼網(wǎng)和吸錫線(xiàn)
首先我們要把BGA上多余的錫渣除去，要求是要使BGA表面光滑，無(wú)任何毛刺（錫形成的）。
第一步——涂抹助焊膏（劑）
把BGA放在導電墊上，在BGA表面涂抹少量的助焊膏（劑）。
第二步——除去錫球
用吸錫線(xiàn)和烙鐵從BGA上移除錫球。在助焊膏上放置吸錫線(xiàn)把烙鐵放在吸錫線(xiàn)上面
在你在BGA表面劃動(dòng)洗錫線(xiàn)之前，讓烙鐵加熱吸錫線(xiàn)并且熔化錫球。
注意:不要讓烙鐵壓在表面上。過(guò)多的壓力會(huì )讓表面上產(chǎn)生裂縫者刮掉焊盤(pán)。為了達到最好的效果，最好用吸錫線(xiàn)一次就通過(guò)BGA表面。少量的助焊膏留在焊盤(pán)上會(huì )使植球更容易。
第三步——清洗
立即用工業(yè)酒精（洗板水）清理BGA表面，在這個(gè)時(shí)候及時(shí)清理能使殘留助焊膏更容易除去。
利用摩擦運動(dòng)除去在BGA表面的助焊膏。保持移動(dòng)清洗。清洗的時(shí)候總是從邊緣開(kāi)始，不要忘了角落。
清洗每一個(gè)BGA時(shí)要用干凈的溶劑
第四步——檢查
推薦在顯微鏡下進(jìn)行檢查。觀(guān)察干凈的焊盤(pán)，損壞的焊盤(pán)及沒(méi)有移除的錫球。
注意:由于助焊劑的腐蝕性，推薦如果沒(méi)有立即進(jìn)行植球要進(jìn)行額外清洗。
第5步——過(guò)量清洗
用去離子水和毛刷在BGA表面用力擦洗。
注意:為了達到最好的清洗效果，用毛刷從封裝表面的一個(gè)方向朝一個(gè)角落進(jìn)行來(lái)回洗。循環(huán)擦洗。
第6步——沖洗
用去離子水和毛刷在BGA表面進(jìn)行沖洗。這有助于殘留的焊膏從BGA表面移除去。
接下來(lái)讓BGA在空氣中風(fēng)干。用第4步反復檢查BGA表面。
如果在植球前BGA被放置了一段時(shí)間，可以基本上確保它們是非常干凈的了。不推薦把BGA放在水里浸泡太長(cháng)的時(shí)間。
在進(jìn)行完以上操作后，就可以植球了。這里要用到鋼網(wǎng)和植臺。
鋼網(wǎng)的作用就是可以很容易的將錫球放到BGA對應的焊盤(pán)上。植球臺的作用就是將BGA上錫球熔化，使其固定在焊盤(pán)上。植球的時(shí)候，首先在BGA表面（有焊盤(pán)的那面）均勻的涂抹一層助焊膏（劑），涂抹量要做到不多不少。涂抹量多了或者少了都有可能造成植球失敗。將鋼網(wǎng)（這里采用的是萬(wàn)能鋼網(wǎng)）上每一個(gè)孔與BGA上每一個(gè)焊盤(pán)對齊。然后將錫球均與的倒在鋼網(wǎng)上，用毛刷或其他工具將錫球撥進(jìn)鋼網(wǎng)的每一個(gè)孔里，錫球就會(huì )順著(zhù)孔到達BGA的焊盤(pán)上。進(jìn)行完這一步后，仔細檢查有沒(méi)有和焊盤(pán)沒(méi)對齊的錫球，如果有，用針頭將其撥正。小心的將鋼網(wǎng)取下，將BGA放在高溫紙上，放到植球臺上。植球臺的溫度設定是依據有鉛錫球220℃，無(wú)鉛錫球235℃來(lái)設定的。植球的時(shí)間不是固定的。實(shí)際上是根據當BGA上錫球都熔化并表面發(fā)亮，成完整的球形的時(shí)候來(lái)判定的，這些通過(guò)肉眼來(lái)觀(guān)察?？梢杂涗涍_到這樣的狀態(tài)所用時(shí)間，下次植球按照這個(gè)時(shí)間進(jìn)行即可。
BGA植球是一個(gè)需要耐心和細心的工作，進(jìn)行操作的時(shí)候要仔
細認真。
1.3國內外水平現狀
BGA（Ball Grid Array Package）是這幾年最流行的封裝形式
它的出現可以大大提高芯片的集成度和可制造性。由于我國在
BGA焊接技術(shù)方面起步較晚，國內能制造BGA返修工作站的廠(chǎng)
家也不多，因此，BGA返修工作站在國內比較少，尤其是在西部。
有著(zhù)光學(xué)對位，X-RAY功能的BGA返修站就更為少見(jiàn)。
1.4 解決的技術(shù)難點(diǎn)
在實(shí)際的工作當中，會(huì )遇到不同大小，不同厚度的PC不同大
小的BGA，有采用無(wú)鉛焊接的也有采用有鉛焊接的。它們采用的溫度曲線(xiàn)也不同。因此，不可能用一種溫度曲線(xiàn)來(lái)焊接所有的BGA。如何根據條件的不同來(lái)設定不同的溫度曲線(xiàn)，這就是在BGA焊接過(guò)程中的關(guān)鍵。這里給出幾組圖片加以說(shuō)明。
造成溫度不對的原因有很多，還有一個(gè)原因就是在測試溫度曲線(xiàn)的時(shí)候，都是在空調環(huán)境下進(jìn)行的，也就是說(shuō)不是常溫。夏天和冬天空調造成溫度和常溫不符合，因此在設定BGA溫度曲線(xiàn)的時(shí)候會(huì )偏高或偏低。所以在每次進(jìn)行焊接的時(shí)候，都要測試實(shí)際溫度是否符合所設定的溫度值。溫度設定的原理就是首先根據是有鉛焊接或者無(wú)鉛焊接設定相應溫度，然后用溫度計（或者熱電偶）測試實(shí)際溫度，然后根據實(shí)際溫度調節設定的溫度，使之達到最理想的溫度進(jìn)行焊接。在焊接的過(guò)程中，一定要保證BGA返修工作站，PCB，BGA在同一水平線(xiàn)上，焊接過(guò)程中不能發(fā)生震動(dòng)，不然會(huì )使錫球融化的時(shí)候發(fā)生橋接，造成短路。
