BGA封裝技術及其返修工藝

隨著電子產品向小型化、便攜化、網絡化和高性能方向發展，對電路組裝技術和I/O引線數提出了更高的要求，芯片體積越來越小，芯片引腳越來越多，給生產和返修帶來困難。原來SMT中廣泛使用的QFP（四邊扁平封裝），封裝間距的極限尺寸停留在0.3mm，這種間距引線容易彎曲、變形或折斷，相應地對SMT組裝工藝、設備精度、焊接材料提出嚴格的要求，即使如此，組裝小間距細引線的QFP，缺陷率仍相當高，最高可達6000ppm，使大范圍應用受到制約。近年出現的BGA（Ball Grid Array 球柵陣列封裝器件），由于芯片引腳不是分布在芯片的周圍而是在封裝的底面，實際是將封裝外殼基板原四面引出的引腳變成以面陣布局的pb/sn凸點引腳，這就可以容納更多的I/O數，且可以較大的引腳間距如1.5、1.27mm代替QFP的0.4、0.3mm，很容易使用SMT與PCB上的布線引腳焊接互連，因此不僅可以使芯片在與QFP相同的封裝尺寸下保持更多的封裝容量，又使I/O引腳間距較大，從而大大提高了SMT組裝的成品率，缺陷率僅為0.3～5ppm，方便了生產和返修，因而BGA封裝技術在電子產品生產領域獲得了廣泛使用。

隨著引腳數增加，對于精細引腳在裝配過程中出現的橋連、漏焊、缺焊等缺陷，利用手工工具很難進行修理，需用專門的返修設備并根據一定的返修工藝來完成。

按封裝材料的不同，BGA元件主要有以下幾種：

·PBGA（plastic BGA,塑料封裝的BGA）；

·CBGA（ceramic BGA,陶瓷封裝的BGA）；

·CCBGA(ceramic column BGA,陶瓷柱狀封裝的BGA)；

·TBGA（tape BGA, 載帶狀封裝的BGA）；

·CSP（Chip Scale Package或mBGA）。

PBGA是目前使用較多的BGA，它使用63Sn/37Pb成分的焊錫球，焊錫的熔化溫度約為183℃。焊錫球在焊接前直徑為0.75mm，回流焊以后，焊錫球高度減為0.46～0.41mm。PBGA的優點是成本較低，容易加工；不過應該注意，由于塑料封裝，容易吸潮，所以對于普通的元件，在開封后一般應該在8小時內使用，否則由于焊接時的迅速升溫，會使芯片內的潮氣馬上汽化導致芯片損壞，有人稱此為“ 苞米花”效應。按照JEDEC的建議，PBGA芯片在拆封后必須使用的期限由芯片的敏感性等級決定(見表1）。

CBGA焊球的成分為90Pb/10Sn(它與PCB連接處的焊錫成分仍為63Sn/37Pb),CBGA的焊錫球高度較PBGA高，因此它的焊錫熔化溫度較PBGA高，較PBGA不容易吸潮，且封裝更牢靠。CBGA芯片底部焊點直徑要比PCB上的焊盤大，拆除CBGA芯片后，焊錫不會粘在PCB的焊盤上，見表2。

CCBGA焊錫柱直徑為0.51mm，柱高度為2.2mm，焊錫柱間距一般為1.27mm，焊錫柱的成分是90Pb/10Sn。

TBGA焊錫球直徑為0.76mm，球間距為1.27mm。與CBGA相比，TBGA對環境溫度要求控制嚴格，因芯片受熱時，熱張力集中在4個角，焊接時容易有缺陷。

CSP芯片的封裝尺寸僅略大于裸芯片尺寸(不超過20％)，這是CSP與BGA的主要區別。CSP較BGA，除了體積小外，還有更短的導電通路、更低的電抗性，更容易達到頻率為500～600MHz的范圍。

我們可以從以下同為304引腳的QFP與BGA芯片的比較看出BGA的優點：

概括起來，和QFP相比，BGA的特性主要有：

1.I / O引線間距大(如1.0，1.27，1.5mm)，可容納的I/O數目大(如1.27mm間距的 BGA在25mm邊長的面積上可容納350個I/O, 而0.5mm間距的QFP在40mm邊長的面積上只容納 304個I/O）。

2.封裝可靠性高(不會損壞引腳)，焊點缺陷率低(<1ppm/焊點)，焊點牢固。

3.QFP芯片的對中通常由操作人員用肉眼來觀察，當引腳間距小于0.4mm時，對中與焊接十分困難。而BGA芯片的腳間距較大，借助對中放大系統，對中與焊接都不困難。

4.容易對大尺寸電路板加工絲網板。

5.引腳水平面同一性較QFP容易保證, 因為焊錫球在熔化以后可以自動補償芯片與PCB之間的平面誤差。

6.回流焊時，焊點之間的張力產生良好的自對中效果, 允許有50％的貼片精度誤差。

7.有較好的電特性，由于引線短，導線的自感和導線間的互感很低，頻率特性好。

8.能與原有的SMT貼裝工藝和設備兼容，原有的絲印機，貼片機和回流焊設備都可使用。

當然，BGA也有缺點，主要是芯片焊接后需X射線檢驗，另外由于引腳呈球狀欄柵狀排列，需多層電路板布線，使電路板制造成本增加。

大多數半導體器件的耐熱溫度為240～2600℃，對于BGA返修系統來說，加熱溫度和均勻性的控制非常重要。美國OK集團的熱風回流焊接及返修系統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的解決了這個問題。

本文以美國OK集團的熱風回流焊接及返修系統BGA-3592-G 為例，簡要說明BGA的返修工藝：

電路板、芯片預熱的主要目的是將潮氣去除，如果電路板和芯片內的潮氣很小（如芯片剛拆封），這一步可以免除。

拆除的芯片如果不打算重新使用，而且PCB可承受高溫，拆除芯片可采用較高的溫度（較短的加熱周期）。

清潔焊盤主要是將拆除芯片后留在PCB表面的助焊劑、焊錫膏清理掉，必須使用符合要求的清洗劑。為了保證BGA的焊接可靠性，一般不能使用焊盤上舊的殘留焊錫膏，必須除掉，除非芯片上重新形成BGA焊錫球。由于BGA芯片體積小，特別是CSP或mBGA，芯片體積更小，清潔焊盤比較困難，所以在返修CSP芯片時，如果CSP周圍空間很小，就需使用免清洗焊劑。

在PCB上涂焊錫膏對于BGA的返修結果有重要影響。通過選用與芯片相符的模板，可以很方便地將焊錫膏涂在電路板上。用OK集團的BGA-3592-G設備微型光學對中系統可以方便地檢驗焊錫膏是否涂勻。處理CSP芯片，有3種焊錫膏可以選擇：RMA焊錫膏，非清洗焊錫膏，水劑焊錫膏。使用RMA焊錫膏，回流時間可略長些，使用非清洗焊錫膏，回流溫度應選的低些。

貼片的主要目的是使BGA芯片上的每一個焊錫球與PCB上每一個對應的焊點對正。由于BGA芯片的焊點位于肉眼不能觀測到的部位，所以必須使用專門設備來對中。BGA-3592-G可進行精確的對中。

熱風回流焊是整個返修工藝的關鍵。其中有幾個問題比較重要：

1、芯片返修回流焊的曲線應當與芯片的原始焊接曲線接近，熱風回流焊曲線可分成四個區間：預熱區，加熱區，回流區，冷卻區，四個區間的溫度、時間參數可以分別設定，通過與計算機連接，可以將這些程序存儲和隨時調用。

2、在回流焊過程中要正確選擇各區的加熱溫度和時間，同時應注意升溫速度。一般在100℃以前，最大升溫速度不超過6 ℃/s，100℃以后最大升溫速度不超過3℃ /s，在冷卻區，最大冷卻速度不超過6℃/s。因為過高的升溫速度和降溫速度都可能損壞PCB和芯片，這種損壞有時是肉眼不能觀察到的。不同的芯片，不同的焊錫膏，應選擇不同的加熱溫度和時間。如CBGA芯片的回流溫度應高于PBGA的回流溫度，90Pb/10Sn應較63Sn/37Pb焊錫膏選用更高的回流溫度。對免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接溫度不宜過高，焊接時間不宜過長，以防止焊錫顆粒的氧化。

3、熱風回流焊中，PCB板的底部必須能夠加熱。加熱有兩個目的：避免由于PCB板單面受熱而產生翹曲和變形；使焊錫膏溶化時間縮短。對大尺寸板返修BGA，底部加熱尤其重要。BGA-3592-G返修設備的底部加熱方式有兩種，一種是熱風加熱，一種是紅外加熱。熱風加熱的優點是加熱均勻，一般返修工藝建議采用這種加熱。紅外加熱的缺點是PCB受熱不均勻。

4、要選擇好的熱風回流噴嘴。熱風回流噴嘴屬于非接觸式加熱，加熱時依靠高溫空氣流使BGA芯片上各焊點的焊錫同時溶化。美國OK集團首先發明這種噴嘴，它將BGA元件密封，保證在整個回流過程中有穩定的溫度環境，同時可保護相鄰元件不被對流熱空氣加熱損壞(如圖1所示）。

在電子產品尤其是電腦與通信類電子產品的生產領域，半導體器件向微小型化、多功能化、綠色化發展，各種封裝技術不斷涌現，BGA/CSP是當今封裝技術的主流。其優勢在于進一步縮小半導體器件的封裝尺寸，因而提高了高密度貼裝技術水平，十分適合電子產品輕、薄、短、小及功能多樣化的發展方向。

為滿足迅速增長的對BGA封裝技術電路板組裝需求和生產者對絲網印刷、對中貼片和焊接過程控制精度的要求，提高BGA的組裝焊接及返修質量，需選擇更安全、更快、更便捷的組裝與返修設備及工藝。■

參考文獻

1 岑玉華，球柵陣列封裝，電子元器件應用，第2卷第9期，2000年9月。

2 宣大榮，BGA/CSP組裝技術，江蘇表面組裝技術，1999年第二期（總二期）。