BGA芯片的返修與錫球重整

倪宏俊

（中船重工集團(tuán)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(jìn)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(duì)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(diǎn)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(shì)在于能進(jìn)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(diǎn)是，如果組裝方法正確，其合格率比傳統(tǒng)器件高，這是因?yàn)樗鼪](méi)有引線，簡(jiǎn)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(diǎn)是由于BGA的焊點(diǎn)隱藏在器件的底部，難以修整,即使一個(gè)焊接端連接不良產(chǎn)生故障，整個(gè)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(lái)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(jìn)美國(guó)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(xì)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(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)的；返修系統(tǒng)由主機(jī)、控制器、計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器組成。該設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是芯片受熱均勻，能模擬生產(chǎn)的原始回流曲線，可存儲(chǔ)和監(jiān)控回流曲線，對(duì)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(guò)125 ℃，因?yàn)檫^(guò)高的溫度會(huì)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(jìn)入回流焊的階段時(shí)，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(wèn)題；但如果烘烤的溫度過(guò)低，則無(wú)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(jìn)入回流焊受到的熱沖擊對(duì)器件的影響。烘烤時(shí)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(shí)才能進(jìn)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(gè)回流周期內(nèi)，印制電路板上裝配器件的加熱溫度隨時(shí)間而變化的曲線。溫度曲線提供了一種直觀的方式，來(lái)分析某個(gè)器件在回流焊接過(guò)程中的溫度變化，這對(duì)于獲得最佳的可焊性，避免因超溫對(duì)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(shí)間關(guān)系資料，它應(yīng)用于特定的配方通常可在產(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?yàn)樗ＷC所有焊點(diǎn)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(diǎn)是電路板的實(shí)際溫度，通過(guò)分析實(shí)際的溫度可以調(diào)節(jié)機(jī)器加熱區(qū)參數(shù)，使實(shí)時(shí)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(gè)階段。預(yù)熱階段是使BGA器件各焊點(diǎn)均勻受熱,升溫速率控制在2 ℃/s ～ 5 ℃/s，時(shí)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(shí)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(shí)間60 s ～90 s，其中峰值溫度（215℃±5℃）持續(xù)時(shí)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(shí)間30 s ～ 40 s。好的溫度曲線不易取得，要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)才能獲得最佳的溫度曲線。典型的溫度曲線見(jiàn)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(xì)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(shí)實(shí)現(xiàn)2組溫度數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，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(duì)每個(gè)區(qū)域的合適溫度及回流焊接時(shí)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(tái)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(dòng)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(dòng)真空抽吸器件功能，在拆卸BGA器件時(shí)解焊溫度要高出焊接溫度10 ℃ ～ 15 ℃左右，以確保BGA每個(gè)焊點(diǎn)都熔化，如焊點(diǎn)未完全熔化就提取芯片會(huì)造成電路板焊盤脫落使電路板報(bào)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?yàn)殡娐钒迳弦呀?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(wú)錯(cuò)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(duì)于球距為0.4 mm以下的CSP（Chip Scale Package芯片級(jí)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(lái)， 使用分光（Split-Optics）視覺(jué)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(dòng)，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(shí)施焊接。

2.2.9 檢查

焊好的BGA器件要用X光檢測(cè)設(shè)備檢查焊點(diǎn)質(zhì)量,焊點(diǎn)的要求是焊點(diǎn)光滑、圓潤(rùn)、邊界清晰、空洞面積符合IPC-7095標(biāo)準(zhǔn)（球柵陣列的設(shè)計(jì)和組裝過(guò)程的實(shí)施），所有焊點(diǎn)的直徑、體積、灰度和對(duì)比度均相同，位置準(zhǔn)確，無(wú)偏移或扭轉(zhuǎn)，無(wú)焊錫珠。在沒(méi)有檢查設(shè)備的情況下，可先通過(guò)外觀檢查來(lái)判斷焊點(diǎn)有無(wú)短接、錯(cuò)位、焊膏未完全融化等現(xiàn)象，再通過(guò)功能測(cè)試判斷焊接質(zhì)量。

3 錫球重整工藝

3.1 錫球重整流程

對(duì)于拆卸下來(lái)的BGA器件一般不再使用，這是因?yàn)锽GA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(guò)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(gè)器件特別昂貴或短時(shí)間內(nèi)無(wú)法購(gòu)買才進(jìn)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(shí)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(shí)的角度、力度，完成后輕輕脫開模板，確保每個(gè)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(dòng)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(gè)漏孔中都有焊球，多余的焊球從模板上滾動(dòng)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(jué)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(dòng)，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(jìn)行檢查，如缺少焊球用鑷子補(bǔ)全。

3.2.5 焊接

將植球后的BGA器件放入恒溫烘箱進(jìn)行焊接，實(shí)際焊接溫度要恒定在220 ℃，時(shí)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(guò)反復(fù)的工藝試驗(yàn)和多次實(shí)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(duì)操作人員進(jìn)行相關(guān)的專業(yè)培訓(xùn)，使其了解返修和植球過(guò)程的關(guān)鍵操作步驟和參數(shù)；

（2）定期對(duì)返修工作站進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)（特別是熱電偶的標(biāo)定檢測(cè)），才能保證返修的成功率，進(jìn)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(guò)程中顯得尤為重要，材料和溫度曲線選擇不當(dāng)會(huì)帶來(lái)許多難以預(yù)期的后果。

[1]余瑜. 實(shí)現(xiàn)BGA良好的焊接[M].

[2]胡志勇. BGA器件及焊點(diǎn)的質(zhì)量控制[M].