Views: 1 创始人: Site Editor Publish Time: 2024-11-05 Origin: Site
随着电子产品朝着小型化、便携化、网络化和高性能的方向发展,电路组装技术和I/O引线数面临着更高的要求。芯片体积日益缩小,引脚数量却不断增多,这给生产和返修工作带来了诸多困难。
在过去的SMT(表面贴装技术)中广泛应用的QFP(四边扁平封装),其封装间距的极限尺寸为0.3mm。这种间距下的引线容易出现弯曲、变形或者折断的情况,相应地,这对SMT组装工艺、设备精度以及焊接材料都提出了严格的要求。即便如此,在组装小间距细引线的QFP时,缺陷率仍然相当高,最高可达6000ppm,这在很大程度上限制了它的广泛应用。近年来出现的BGA(Ball Grid Array球栅阵列封装器件),其芯片引脚并非分布在芯片周围,而是位于封装的底面。实际上,这是将封装外壳基板原本从四面引出的引脚转变为以面阵布局的pb/sn凸点引脚,这样就能容纳更多的I/O数。而且,它可以用较大的引脚间距,如1.5mm、1.27mm来替代QFP的0.4mm、0.3mm,这使得它很容易通过SMT与PCB(印刷电路板)上的布线引脚进行焊接互连。因此,BGA在与QFP相同的封装尺寸下能够保持更多的封装容量,并且I/O引脚间距更大,从而极大地提高了SMT组装的成品率,缺陷率仅为0.3 - 5ppm,方便了生产和返修,所以BGA封装技术在电子产品生产领域得到了广泛的应用。
随着引脚数量的增加,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,必须使用专门的返修设备并依据一定的返修工艺来完成。
按照封装材料的不同,BGA元件主要分为以下几种:
- 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是目前使用较为广泛的BGA,它采用63Sn/37Pb成分的焊锡膏,焊锡的熔化温度约为183℃。在焊接前,焊锡球的直径为0.75mm,经过回流焊后,焊锡球的高度会减为0.46 - 0.41mm。PBGA的优点是成本低且容易加工;不过需要注意的是,由于它是塑料封装,容易吸潮,所以对于普通元件来说,在开封后一般应在8小时内使用,否则在焊接时由于温度迅速升高,芯片内的潮气会立即汽化,从而导致芯片损坏,这被称为“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的焊锡球高度比PBGA高,所以它的焊锡熔化温度也比PBGA高,而且不容易吸潮,封装更加牢固。CBGA芯片底部焊点的直径比PCB上的焊盘大,在拆除CBGA芯片后,焊锡不会粘在PCB的焊盘上。
CCBGA焊锡柱的直径为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焊锡球的直径为0.76mm,球间距为1.27mm。与CBGA相比,TBGA对环境温度的控制要求更为严格,因为芯片受热时,热张力会集中在4个角,在焊接时容易出现缺陷。
CSP芯片的封装尺寸仅比裸芯片尺寸略大(不超过20%),这是CSP与BGA的主要区别。与BGA相比,CSP除了体积更小之外,还有更短的导电通路、更低的电抗性,更容易达到500 - 600MHz的频率范围。
我们可以通过以下同为304引脚的QFP与BGA芯片的比较来了解BGA的优点:
概括起来,与QFP相比,BGA的特性主要包括:
1. I/O引线间距较大(如1.0、1.27、1.5mm),可容纳的I/O数目较多(例如,间距为1.27mm的BGA在边长为25mm的面积上可容纳350个I/O,而间距为0.5mm的QFP在边长为40mm的面积上仅能容纳304个I/O)。
2. 封装可靠性高(引脚不易损坏),焊点缺陷率低(<1ppm/焊点),焊点牢固。
3. QFP芯片的对中通常需要操作人员用肉眼观察,当引脚间距小于0.4mm时,对中与焊接会非常困难。而BGA芯片的脚间距较大,借助对中放大系统,对中与焊接都比较容易。
4. 便于对大尺寸电路板加工丝网板。
5. 引脚水平面同一性相对于QFP更容易保证,因为焊锡球在熔化后能够自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。
6. 在回流焊时,焊点之间的张力会产生良好的自对中效果,允许有50%的贴片精度误差。
7. 具有较好的电特性,由于引线短,导线的自感和导线间的互感很低,频率特性良好。
8. 能够与原有的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以使用。
当然,BGA也存在缺点,主要是芯片焊接后需要进行X射线检验,另外由于引脚呈球状栏栅状排列,需要多层电路板布线,这会增加电路板的制造成本。
大多数半导体器件的耐热温度为240 - 2600℃,对于BGA返修系统而言,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地解决了这个问题。
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,简要介绍BGA的返修工艺:
电路板和芯片预热的主要目的是去除潮气,如果电路板和芯片内的潮气很少(例如芯片刚拆封),这一步骤可以省略。
如果拆除的芯片不打算重新使用,并且PCB能够承受高温,那么拆除芯片时可以采用较高的温度(较短的加热周期)。
清洁焊盘主要是清理拆除芯片后留在PCB表面的助焊剂、焊锡膏,必须使用符合要求的清洗剂。为了确保BGA的焊接可靠性,一般不能使用焊盘上旧的残留焊锡膏,必须将其清除,除非芯片上重新形成BGA焊锡球。由于BGA芯片体积较小,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,就需要使用免清洗焊剂。
在PCB上涂焊锡膏对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。使用OK集团的BGA - 3592 - G设备微型光学对中系统可以方便地检查焊锡膏是否涂匀。在处理CSP芯片时,有3种焊锡膏可供选择:RMA焊锡膏、非清洗焊锡膏、水剂焊锡膏。使用RMA焊锡膏时,回流时间可以略长一些;使用非清洗焊锡膏时,回流温度应选择较低一些。
贴片的主要目的是使BGA芯片上的每个焊锡球与PCB上对应的每个焊点对准。由于BGA芯片的焊点位于肉眼无法观测到的部位,所以必须使用专门设备进行对中。BGA - 3592 - G能够进行精确的对中。
热风回流焊是整个返修工艺的关键环节。其中有几个比较重要的问题:
1. 芯片返修回流焊的曲线应当接近芯片的原始焊接曲线,热风回流焊曲线可分为四个区间:预热区、加热区、回流区、冷却区,这四个区间的温度和时间参数可以分别设定,通过与计算机连接,可以存储和随时调用这些程序。
2. 在回流焊过程中,要正确选择各个区间的加热温度和时间,同时要注意升温速度。一般在100℃之前,最大升温速度不超过6℃/s,100℃之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可能会损坏PCB和芯片,这种损坏有时是肉眼无法观察到的。不同的芯片和不同的焊锡膏,应选择不同的加热温度和时间。例如,CBGA芯片的回流温度应高于PBGA的回流温度,90Pb/10Sn应比63Sn/37Pb焊锡膏选用更高的回流温度。对于免洗焊膏,由于其活性低于非免洗焊膏,所以焊接温度不宜过高,焊接时间不宜过长,以防止焊锡颗粒的氧化。
3. 在热风回流焊中,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;缩短焊锡膏的溶化时间。对于大尺寸板返修BGA,底部加热尤为重要。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方式。红外加热的缺点是PCB受热不均匀。
4. 要选择合适的热风回流喷嘴。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芯片上各个焊点的焊锡同时溶化。美国OK集团首先发明了这种喷嘴,它能够将BGA元件密封,确保在整个回流过程中有稳定的温度环境,同时可以保护相邻元件不被对流热空气加热损坏。
在电子产品尤其是电脑与通信类电子产品的生产领域,半导体器件朝着微小型化、多功能化、绿色化的方向发展,各种封装技术不断涌现,BGA/CSP是当今封装技术的主流。其优势在于能够进一步缩小半导体器件的封装尺寸,从而提高高密度贴装技术水平,非常适合电子产品轻、薄、短、小以及功能多样化的发展方向。
为了满足对BGA封装技术电路板组装需求的快速增长以及生产者对丝网印刷、对中贴片和焊接过程控制精度的要求,提高BGA的组装焊接和返修质量,需要选择更安全、更快、更便捷的组装与返修设备及工艺。随着电子产品技术的持续发展,BGA封装技术的重要性愈发凸显。正如文中所述,BGA封装技术在解决传统QFP封装所面临的问题方面表现卓越,如I/O引线间距小、引脚易损坏、焊点缺陷率高等(引用文章中的对比分析)。然而,在实际应用中,BGA封装技术仍面临着一些挑战需要克服。
从设备和工艺的角度来看,为了确保BGA封装技术的高效应用,对于设备制造商来说,研发更精确、更智能的返修设备是至关重要的。例如,在对中贴片环节,尽管目前已有像BGA - 3592 - G这样能够进行精确对中的设备,但随着BGA芯片的不断微小型化,对设备的精度要求会更高。这就需要设备制造商深入研究芯片的微观结构和物理特性,开发出可以适应更小尺寸BGA芯片的对中系统。同时,在焊接过程中,热风回流焊的各项参数设置也需要更加精细化。如不同成分的焊锡膏在不同类型BGA芯片上的应用,需要更准确地把握温度和时间的设定(参考文章中关于CBGA、PBGA芯片与不同焊锡膏在回流焊时的参数要求)。
从成本控制方面考虑,BGA封装技术虽然具有诸多优点,但由于其引脚呈球状栏栅状排列,需要多层电路板布线,这无疑增加了电路板的制造成本。对于电子产品制造商而言,如何在确保产品质量的前提下,降低因采用BGA封装技术带来的成本增加,是一个亟待解决的问题。一方面,可以探索新的电路板设计方案,在满足功能需求的同时,优化多层电路板的布线结构,减少不必要的布线层数;另一方面,通过与材料供应商合作,研发成本更低、性能更优的替代材料,来降低BGA封装的成本。
在质量检测环节,芯片焊接后需要进行X射线检验是BGA封装技术的一个短板。X射线检验设备成本较高,且检验过程相对复杂。未来可以探索更高效、低成本的检测方法。例如,可以借鉴其他领域的无损检测技术,如超声波检测技术,研究其在BGA封装焊点检测中的可行性。如果能够将超声波检测技术应用于BGA封装的质量检测,不仅可以降低检测成本,还可能提高检测效率和准确性。
综上所述,BGA封装技术在电子产品生产领域有着广阔的应用前景,但要实现其更大规模的应用和发展,还需要从设备、工艺、成本控制和质量检测等多个方面进行深入研究和改进。
随着电子产品技术的持续发展,BGA封装技术的重要性愈发凸显。正如文中所述,BGA封装技术在解决传统QFP封装所面临的问题方面表现卓越,如I/O引线间距小、引脚易损坏、焊点缺陷率高等(引用文章中的对比分析)。然而,在实际应用中,BGA封装技术仍面临着一些挑战需要克服。
从设备和工艺的角度来看,为了确保BGA封装技术的高效应用,对于设备制造商来说,研发更精确、更智能的返修设备是至关重要的。例如,在对中贴片环节,尽管目前已有像BGA - 3592 - G这样能够进行精确对中的设备,但随着BGA芯片的不断微小型化,对设备的精度要求会更高。这就需要设备制造商深入研究芯片的微观结构和物理特性,开发出可以适应更小尺寸BGA芯片的对中系统。同时,在焊接过程中,热风回流焊的各项参数设置也需要更加精细化。如不同成分的焊锡膏在不同类型BGA芯片上的应用,需要更准确地把握温度和时间的设定(参考文章中关于CBGA、PBGA芯片与不同焊锡膏在回流焊时的参数要求)。
从成本控制方面考虑,BGA封装技术虽然具有诸多优点,但由于其引脚呈球状栏栅状排列,需要多层电路板布线,这无疑增加了电路板的制造成本。对于电子产品制造商而言,如何在确保产品质量的前提下,降低因采用BGA封装技术带来的成本增加,是一个亟待解决的问题。一方面,可以探索新的电路板设计方案,在满足功能需求的同时,优化多层电路板的布线结构,减少不必要的布线层数;另一方面,通过与材料供应商合作,研发成本更低、性能更优的替代材料,来降低BGA封装的成本。
在质量检测环节,芯片焊接后需要进行X射线检验是BGA封装技术的一个短板。X射线检验设备成本较高,且检验过程相对复杂。未来可以探索更高效、低成本的检测方法。例如,可以借鉴其他领域的无损检测技术,如超声波检测技术,研究其在BGA封装焊点检测中的可行性。如果能够将超声波检测技术应用于BGA封装的质量检测,不仅可以降低检测成本,还可能提高检测效率和准确性。
综上所述,BGA封装技术在电子产品生产领域有着广阔的应用前景,但要实现其更大规模的应用和发展,还需要从设备、工艺、成本控制和质量检测等多个方面进行深入研究和改进。