倪宏俊

（中船重工集團公司武漢七○九所質(zhì)量處，湖北 武漢 430030）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，電子產(chǎn)品尤其是在電腦與通信類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域，元器件向微小型化、多功能化、高性能化方向發(fā)展，因而對電子組裝技術(shù)提出了更高的要求，各式封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)。BGA（Ball Grid Array球柵陣列）封裝是當(dāng)今封裝技術(shù)的主流，這是一種高密度表面裝配封裝技術(shù)，BGA封裝的I/O端子以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝底部，BGA一出現(xiàn)便成為CPU、南北橋、內(nèi)存芯片等高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇。它的優(yōu)勢在于能進一步提高元器件的集成度，并縮小其封裝尺寸，滿足了高密度貼裝技術(shù)水平的要求，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。BGA組裝的較大優(yōu)點是，如果組裝方法正確，其合格率比傳統(tǒng)器件高，這是因為它沒有引線，簡化了元器件的處理，因此減少了器件遭受損壞的可能性。缺點是由于BGA的焊點隱藏在器件的底部，難以修整,即使一個焊接端連接不良產(chǎn)生故障，整個組件都必須拆卸返修，而且要用專門的返修設(shè)備并根據(jù)一定的返修工藝來完成。本文就是在這種狀況下提出如何確保BGA芯片的返修和重新植球工藝的質(zhì)量。

2 返修工藝

2.1 返修流程

我們于2004年引進美國OK公司BGA-3592返修工作站，專門用于BGA器件的返修。返修系統(tǒng)的工作原理是：用非常細的熱氣流聚集在BGA器件表面和印制電路板的焊盤上，使焊點融化或焊膏回流，以完成拆卸或焊接功能。熱氣流的聚集是利用可更換的、不同尺寸規(guī)格的熱風(fēng)噴嘴來實現(xiàn)的；返修系統(tǒng)由主機、控制器、計算機、監(jiān)視器組成。該設(shè)備的主要優(yōu)點是芯片受熱均勻，能模擬生產(chǎn)的原始回流曲線，可存儲和監(jiān)控回流曲線，對位的精度高且具有真空抽吸等多種功能，但真正要完成BGA返修，滿足焊接流程繁多如：

芯片去潮→編制溫度曲線→拆卸→清理焊盤→涂覆焊膏→貼裝→回流焊接→檢查

2.2 返修工藝

2.2.1 去潮處理

將BGA元件放置在耐熱150 ℃防靜電托盤內(nèi)，放入烘箱烘烤，烘烤的溫度最高不要超過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，當(dāng)這些元器件進入回流焊的階段時，容易引起錫球與元器件封裝處的脫節(jié)，造成SMT裝配質(zhì)量問題；但如果烘烤的溫度過低，則無法起到除濕的作用。烘烤有利于消除BGA的內(nèi)部濕氣，并且提高BGA的耐熱性，減少元器件進入回流焊受到的熱沖擊對器件的影響。烘烤時間要求為12 h ～ 24 h，溫度120 ℃，BGA元器件在烘烤取出后，必須自然冷卻半小時才能進行裝配作業(yè)。

2.2.2 編制回流溫度曲線

溫度曲線是指在整個回流周期內(nèi)，印制電路板上裝配器件的加熱溫度隨時間而變化的曲線。溫度曲線提供了一種直觀的方式，來分析某個器件在回流焊接過程中的溫度變化，這對于獲得最佳的可焊性，避免因超溫對器件的損害非常有用。它取決于焊膏特性如成分、金屬的含量，裝配器件的尺寸、基板的導(dǎo)熱性。焊膏制造商提供基本的溫度/時間關(guān)系資料，它應(yīng)用于特定的配方通?？稍诋a(chǎn)品的數(shù)據(jù)表中找到。準(zhǔn)確的溫度曲線是工藝控制的關(guān)鍵，因為它保證所有焊點加熱均勻并且得到足夠的峰值溫度。設(shè)定生產(chǎn)參數(shù)的出發(fā)點是電路板的實際溫度，通過分析實際的溫度可以調(diào)節(jié)機器加熱區(qū)參數(shù)，使實時的溫度曲線和焊膏溫度曲線的升溫斜率、峰值溫度基本一致。溫度曲線（圖1）分為預(yù)熱、恒溫、回流焊接、冷卻四個階段。預(yù)熱階段是使BGA器件各焊點均勻受熱,升溫速率控制在2 ℃/s ～ 5 ℃/s，時間60 s ～ 90 s；恒溫階段是使助焊劑充分激活以清除焊盤、焊球的氧化物，溫度控制在120℃ ～ 160 ℃，升溫速率小于2 ℃/s，時間60 s ～120 s；回流焊接階段是使錫膏快速融化將器件焊接在印刷電路板上，溫度控制在183 ℃ ～ 220 ℃，時間60 s ～90 s，其中峰值溫度（215℃±5℃）持續(xù)時間至少10 s；冷卻階段是使焊膏開始凝固讓器件被固定在印刷電路板上，降溫速率3 ℃/s ～ 4 ℃/s，時間30 s ～ 40 s。好的溫度曲線不易取得，要經(jīng)過多次試驗才能獲得最佳的溫度曲線。典型的溫度曲線見下圖。其中1為預(yù)熱階段，2為恒溫階段，3、4為焊接階段，5為冷卻階段。為防止采集的溫度數(shù)據(jù)失真，要將精細結(jié)構(gòu)的熱電偶放置在BGA器件的底部，靠近焊球陣列中心處采集溫度數(shù)據(jù)。BGA-3592返修工作站可同時實現(xiàn)2組溫度數(shù)據(jù)的采集、存儲，并在屏幕上顯示加熱曲線和圖表，一旦令人滿意的溫度曲線被建立，針對每個區(qū)域的合適溫度及回流焊接時間參數(shù)可貯存在返修工作站內(nèi)便于下次使用。

圖1 回流溫度曲線圖

2.2.3 拆卸

將印制電路板放置在返修工作臺上，安裝好所選取的合適熱風(fēng)噴嘴，并將待拆卸的BGA器件罩住，設(shè)置拆除溫度曲線后，啟動加熱開關(guān)開始拆除BGA器件。需要注意的是BGA-3952返修工作站具有自動真空抽吸器件功能，在拆卸BGA器件時解焊溫度要高出焊接溫度10 ℃ ～ 15 ℃左右，以確保BGA每個焊點都熔化，如焊點未完全熔化就提取芯片會造成電路板焊盤脫落使電路板報廢。

2.2.4 清理焊盤

焊盤用扁平頭烙鐵和吸錫編帶清理，殘留的焊錫必須清除干凈，清理后的焊盤應(yīng)光滑、平整、阻焊膜完整，并用清洗劑清洗。

2.2.5 涂覆焊膏

因為電路板上已經(jīng)裝有其他元器件，因此必須采用BGA專用小模板，模板厚度與開口尺寸要根據(jù)球徑和球距確定，一般情況下模板厚度0.15 mm、開口尺寸為焊盤面積的80%。印刷完畢后必須檢查印刷質(zhì)量，無錯位、橋接、漏印等現(xiàn)象，如不合格，必須將印刷電路板清洗干凈并晾干后重新印刷。對于球距為0.4 mm以下的CSP（Chip Scale Package芯片級封裝），可以不印焊膏，直接在印刷電路板的焊盤上涂刷助焊膏即可。

2.2.7 貼裝BGA

安裝好所選擇的適當(dāng)吸嘴，打開真空泵。用貼裝頭將BGA器件吸起來， 使用分光（Split-Optics）視覺系統(tǒng)校準(zhǔn)BGA器件底部錫球與印刷電路板焊盤使之完全重合后將吸嘴向下移動，把BGA器件貼裝到電路板上，然后關(guān)閉真空泵。

2.2.8 熱風(fēng)回流焊接

把貼裝好的電路板移至焊接工位，選擇合適尺寸的熱風(fēng)噴嘴安裝在加熱器連接桿上，注意要安裝平穩(wěn)，用熱風(fēng)噴嘴將待焊器件罩住，利用已編制的溫度曲線實施焊接。

2.2.9 檢查

焊好的BGA器件要用X光檢測設(shè)備檢查焊點質(zhì)量,焊點的要求是焊點光滑、圓潤、邊界清晰、空洞面積符合IPC-7095標(biāo)準(zhǔn)（球柵陣列的設(shè)計和組裝過程的實施），所有焊點的直徑、體積、灰度和對比度均相同，位置準(zhǔn)確，無偏移或扭轉(zhuǎn)，無焊錫珠。在沒有檢查設(shè)備的情況下，可先通過外觀檢查來判斷焊點有無短接、錯位、焊膏未完全融化等現(xiàn)象，再通過功能測試判斷焊接質(zhì)量。

3 錫球重整工藝

3.1 錫球重整流程

對于拆卸下來的BGA器件一般不再使用，這是因為BGA器件雖能承受240 ℃ ～ 260℃的高溫，從焊接、拆卸到植球后重新焊接至少要經(jīng)過4次同樣的高溫，再焊后難以保證BGA器件的正常使用，除非這個器件特別昂貴或短時間內(nèi)無法購買才進行植球返修。錫球重整工藝流程如下：

清理焊盤→選擇焊錫球→涂覆焊膏→植球→焊接

3.2 錫球重整

3.2.1 清理BGA器件焊盤

要采用防靜電烙鐵和吸錫編帶清除殘留焊錫，操作時要輕、快，避免損傷焊盤，并用清洗劑清洗干凈。

3.2.2 選擇焊錫球

所選擇焊球的材質(zhì)要和器件的材質(zhì)一致，目前焊球一般由37Pb/63Sn組成，焊球尺寸要與器件的焊球直徑相同或略小。

3.2.3 涂覆焊膏

把處理好的BGA器件放在植球器上定位，然后套上專用印刷模板手工印刷焊膏，要盡量控制手刮焊膏時的角度、力度，完成后輕輕脫開模板，確保每個焊盤上都均勻的印有焊膏。將印好的器件取出，打開返修工作站的真空泵，用貼裝頭吸嘴吸牢。

3.2.4 植球

為防止錫球滾動不順，要用酒精清洗植球器和相應(yīng)BGA模板并烘干；在植球器內(nèi)安裝BGA模板，模板的開口尺寸要比焊球的直徑大0.05 mm ～ 0.1 mm。將焊球撒在模板上并搖晃植球器，使模板每個漏孔中都有焊球，多余的焊球從模板上滾動到植球器的焊球收集槽中，然后將植球器放在返修工作站上，使用分光（Split-Optics）視覺系統(tǒng)校準(zhǔn)BGA器件焊盤與焊球位置，使之完全重合后將吸嘴向下移動，利用焊膏的黏性將焊球粘在器件相應(yīng)位置，向上提起器件并用鑷子夾住邊緣，關(guān)閉真空泵，將器件焊球面朝上進行檢查，如缺少焊球用鑷子補全。

3.2.5 焊接

將植球后的BGA器件放入恒溫烘箱進行焊接，實際焊接溫度要恒定在220 ℃，時間約3 min左右。焊后BGA器件要用清洗劑清洗干凈。

4 小結(jié)

通過反復(fù)的工藝試驗和多次實踐，要想獲得優(yōu)良和穩(wěn)定可靠的BGA芯片的返修和植球品質(zhì)：

（1）應(yīng)對操作人員進行相關(guān)的專業(yè)培訓(xùn)，使其了解返修和植球過程的關(guān)鍵操作步驟和參數(shù)；

（2）定期對返修工作站進行維護保養(yǎng)（特別是熱電偶的標(biāo)定檢測），才能保證返修的成功率，進而降低返修成本；

（3）焊膏的材料選擇和編制溫度曲線在返修過程中顯得尤為重要，材料和溫度曲線選擇不當(dāng)會帶來許多難以預(yù)期的后果。

[1]余瑜. 實現(xiàn)BGA良好的焊接[M].

[2]胡志勇. BGA器件及焊點的質(zhì)量控制[M].