bga封装返修工艺常见故障及及解决方法

随着电子产品日益向小型化、便携化、网络化以及高性能化推进，电路组装技术及I/O引线数量面临着更为严格的挑战。在此背景下，芯片的体积不断缩小，引脚数量则持续增加，这不仅增加了生产过程中的难度，也加大了返修的复杂性。 在传统的SMT（表面贴装技术）中，QFP（四边扁平封装）曾广泛被采用。其封装间距的极限值维持在0.3mm，但这样的间距使得引线易于弯曲、变形甚至断裂。这给SMT的组装工艺、设备精度以及焊接材料带来了严格的挑战。即便如此，组装这种小间距细引线的QFP时，缺陷率仍然很高，最高可达到6000ppm，从而限制了其在更大规模应用中的普及。 近年来，BGA（Ball Grid Array，球栅阵列封装器件）技术的出现改变了这一状况。BGA的芯片引脚并非分布在芯片边缘，而是位于封装底面。实际上，它将原本四面分布的引脚转换为面阵式的pb/sn凸点引脚。这种设计能够容纳更多的I/O接口，且允许使用更大间距的引脚，如1.5mm和1.27mm，相比QFP的0.4mm和0.3mm间距，大大提升了灵活性。BGA封装的这种特性使得其能够与SMT和PCB上的布线引脚轻松焊接互连。因此，BGA不仅能够在与QFP相似的封装尺寸内容纳更多的元件，还提供了更大的I/O引脚间距，显著提高了SMT组装的良品率，缺陷率降至0.3～5ppm。这一优势使得BGA封装技术在电子产品生产领域得到了广泛应用。

随着引脚数量的增多，精细引脚在组装阶段可能出现的诸如桥连、漏焊、缺焊等缺陷，单靠手工工具难以有效修复。此时，必须借助专业的返修设备，并依照特定的返修工艺流程进行操作。 根据封装材料的不同，BGA（球栅阵列）元件可以分为以下几类： ·PBGA（塑料基座球栅阵列，采用塑料材料封装的球栅阵列封装技术）。 陶瓷BGA（Ceramic Ball Grid Array，陶瓷球栅阵列封装） ·陶瓷柱状BGA封装（Ceramic Column BGA，简称CCBGA） ·TBGA（Tape Ball Grid Array，载带球栅阵列封装） ·CSP（芯片级封装或微型BGA）。 PBGA是目前广泛应用的BGA封装技术，其采用的焊锡球成分为63Sn/37Pb，熔化温度大约为183℃。在焊接前，焊锡球的直径约为0.75mm，经过回流焊处理后，焊锡球的高度会降至0.46至0.41mm。PBGA的优势在于成本较低且加工简便；然而，由于其塑料封装特性，易于吸潮。因此，对于普通元件，开封后通常应在8小时内使用，以免因焊接过程中温度的快速上升导致芯片内部潮气迅速汽化，造成芯片损坏，这一现象被形象地称为“苞米花”效应。根据JEDEC的建议，PBGA芯片拆封后必须使用的期限应根据芯片的敏感性等级来确定。 CBGA焊球的材料配比为90%锡铅合金与10%锡合金（该配比与PCB连接处的传统焊锡成分63%锡与37%铅保持一致）。相较于PBGA，CBGA的焊锡球高度有所增加，导致其熔化温度也相应提升。这一特性使得CBGA在抗潮性能上优于PBGA，并且封装结构更为稳固。此外，CBGA芯片底部的焊点直径超过了PCB上的焊盘尺寸。在拆卸CBGA芯片时，焊锡不会残留在PCB的焊盘上。 CCBGA焊锡柱的直径规格为0.51毫米，其柱体高度为2.2毫米。这些焊锡柱之间的标准间距为1.27毫米。焊锡柱的化学成分为90%的铅（Pb）与10%的锡（Sn）混合。 TBGA焊锡球的直径为0.76毫米，球间距离为1.27毫米。相较于CBGA，TBGA对环境温度的管控要求更为严格。这是因为当芯片受到加热时，热应力会集中在四个角部，导致在焊接过程中更容易出现缺陷。 CSP芯片的封装尺寸仅比裸芯片尺寸略微增大（增幅不超过20%），这是CSP与BGA封装的主要差异之一。相较于BGA封装，CSP不仅体积更小，还具备更短的导电通路和更低的电抗性，从而使得其能够轻松实现500至600MHz频率范围的工作需求。 通过对比以下同样采用304引脚设计的QFP和BGA芯片，我们可以明显看出BGA芯片的诸多优势： 概括而言，与QFP封装相比，BGA封装的特性主要包括： 1. 输入/输出引脚间距较大（例如1.0mm、1.27mm、1.5mm），这有助于容纳更多的I/O引脚（例如，1.27mm间距的BGA在25mm边长的芯片面积上可容纳高达350个I/O，而0.5mm间距的QFP在40mm边长的芯片面积上仅能容纳304个I/O）。 2. 高可靠性封装（确保引脚无损），焊点缺陷率极低（低于1ppm/焊点），焊点连接牢固可靠。 3. 对于QFP芯片的对中，传统上依赖于操作人员通过肉眼进行观察。然而，当引脚间距小于0.4毫米时，这种对中过程变得尤为困难，焊接操作同样面临挑战。相比之下，BGA芯片具有更大的脚间距，通过使用对中放大系统，其对中和焊接过程均变得相对简单和可行。 4. 便于加工大型电路板的丝网印刷。 5. 相较于QFP封装，引脚水平面的同一性在BGA封装中更容易得到保证。这是因为焊锡球在熔化过程中能够自动调整，有效补偿芯片与PCB之间可能存在的平面误差。 6. 在回流焊过程中，焊点间的张力能够有效实现自对中，即便在贴片精度上存在50%的误差，仍能保证良好的焊接效果。 7. 具有优异的电性能，得益于引线长度较短，导线的自感与导线间的互感均较低，从而展现出良好的频率响应特性。 8. 本产品与现有SMT贴装工艺及设备完美兼容，现有丝印机、贴片机和回流焊设备无需更换，即可继续使用。 当然，BGA技术并非完美无瑕，其缺点主要体现在两个方面：首先，焊接完成后必须进行X射线检测以确保焊接质量；其次，由于芯片引脚以球状栅格形式排列，这要求多层电路板进行布线，从而提高了电路板的制造成本。 大多数半导体器件的耐热范围通常在240至2600℃之间，而针对BGA返修系统，精确控制加热温度及其均匀性显得尤为关键。美国OK集团推出的热风回流焊接及返修系统BGA-3592-G/CSP-3502-G，以及苏州诺菲尔电子科技有限公司的MS系列返修工作站，均出色地解决了这一技术难题。 本文以美国OK集团推出的热风回流焊接及返修系统BGA-3592-G为案例，对BGA返修工艺进行简要阐述。 电路板及芯片预热的关键作用在于排除内部潮气。若电路板与芯片中的潮气含量极低（例如，芯片系新拆封状态），则此预热步骤可予以省略。 若拆除的芯片无需再次利用，且印制电路板（PCB）具备承受高温的能力，则可采取较高温度进行芯片拆除，并缩短加热周期。 清洁焊盘的关键步骤是彻底清除拆除芯片后残留在PCB表面的助焊剂和焊锡膏，这要求使用适宜的清洗剂。为确保BGA焊接的可靠性，通常应避免利用焊盘上残留的旧焊锡膏，而应将其彻底清除，除非芯片上能够重新形成BGA焊锡球。鉴于BGA芯片，尤其是CSP或mBGA等小型芯片，其体积更小，焊盘清洁变得更加复杂。因此，在返修CSP芯片时，若CSP周围的可用空间有限，应考虑使用无需清洗的焊剂。 在PCB板上均匀涂抹焊锡膏对于BGA芯片的返修效果至关重要。正确选择与芯片匹配的模板，能够极大地简化在电路板上的焊锡膏涂抹工作。借助OK集团生产的BGA-3592-G设备，其配备的微型光学对中系统，可以轻松地检测焊锡膏的涂抹是否均匀。针对CSP芯片的焊接处理，我们有三种焊锡膏可供选择：RMA焊锡膏、非清洗焊锡膏和水剂焊锡膏。使用RMA焊锡膏时，可以适当延长回流时间；而采用非清洗焊锡膏时，应选择较低的温度进行回流。 贴片作业的核心目标是确保BGA芯片上的每一颗焊锡球与PCB板上的相应焊点完美对位。鉴于BGA芯片的焊点往往隐藏在无法直接目视的区域，因此，必须借助专业设备进行精准对位操作。BGA-3592-G型号设备能够实现这一精确对位功能。 热风回流焊在返修工艺中占据核心地位，其中涉及的一些关键问题不容忽视： 1、芯片返修回流焊的工艺曲线应尽量与芯片的原始焊接曲线保持一致。热风回流焊的曲线可分为预热区、加热区、回流区、冷却区四个阶段，每个阶段的温度和时间参数均可独立设置。通过连接计算机，可实现对这些程序的存储和便捷调用。 2、在回流焊操作中，关键在于精准设定各区段的加热温度及时间，并严格控制升温速率。通常情况下，在100℃以下，升温速率不应超过6℃/s；超过100℃后，升温速率则不宜超过3℃/s；在冷却阶段，冷却速率应控制在6℃/s以内。过快的升温或冷却速度可能导致PCB板和芯片的损坏，而这种损坏可能难以通过肉眼察觉。不同类型的芯片和焊锡膏，其所需的加热温度和时间也应有所区别。例如，CBGA芯片的回流温度通常应高于PBGA芯片；在选用焊锡膏时，90Pb/10Sn焊锡膏相较于63Sn/37Pb焊锡膏，其回流温度可能需要更高。对于无清洗焊膏，由于其活性低于传统焊膏，因此焊接温度不宜过高，焊接时间也不宜过长，以避免焊锡颗粒氧化。 3、在热风回流焊过程中，确保PCB板底部有效加热至关重要。底部加热的目的主要包括两点：一是防止PCB板因单面加热而导致的翘曲和变形；二是缩短焊锡膏的熔化时间。特别是对于大尺寸PCB板的BGA返修，底部加热显得尤为重要。BGA-3592-G返修设备底部加热主要分为两种方式：热风加热和红外加热。热风加热的优势在于能够实现均匀加热，因此在返修工艺中通常推荐使用热风加热。而红外加热则存在PCB板加热不均的问题。 4、挑选优质的热风回流喷嘴至关重要。热风回流喷嘴作为一种非接触式加热设备，在加热过程中，通过高温空气流的作用，使BGA芯片上的各个焊点同时熔化。美国OK集团是这种喷嘴的发明者，该喷嘴能够将BGA元件进行密封处理，确保回流过程中温度环境的稳定性，并有效保护相邻元件不受对流热空气的损害（如图1所示）。 在电子产品的制造领域，特别是电脑和通信设备，半导体元件正朝着微型化、多功能化和环保化的方向发展。随着新型封装技术的层出不穷，BGA/CSP技术已成为当前封装技术的领军者。这种技术的优势在于显著减小半导体元件的封装尺寸，从而推动了高密度贴装技术的进步，完美契合了电子产品轻薄短小、功能多样化的市场需求。 为适应日益增长的对BGA封装技术电路板组装的需求，以及生产者对丝网印刷、精准对中贴片及焊接过程控制精度的追求，我们有必要提升BGA组装焊接和返修的质量。为此，必须选用更安全、更高效、更便捷的组装与返修设备与工艺。