BGA的缺陷分析及返修工艺技术

BGA焊点的焊接质量是直接影响产品品质乃至整机质量的关键因素。它受许多参数的影响，如焊膏、PCB板的焊盘设计、BGA的可焊性、焊膏的印刷、贴装精度以及回流焊接工艺等。我们在进行SMT工艺研究和生产中，深知合理的表面组装工艺技术在控制和提高SMT生产质量中起到至关重要的作用。BGA器件的应用越来越广泛，球数也越来越多，引脚的间距也越来越小，生产的难度不断地在增大。

1.BGA简介

BGA技术的研究始于60年代，一直被美国IBM公司采用，但一直到90年代初，BGA 才真正进入实用化的阶段。在80年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了更高的要求。虽然SMT使电路组装具有轻、薄、短、小的特点，对于具有高引线数的精细间距器件的引线间距以及引线共平面度也提出了更为严格的要求，但是由于受到加工精度、可生产性、成本和组装工艺的制约，一般认为 QFP(Quad Flat Pack 方型扁平封装)器件间距的极限为0.3 mm，这对于表面贴装技术来讲，无论从可制造性或器件焊接的可靠性都已经达到了极限，不良机率越来越高。这就大大限制了高密度表面贴装技术的发展需求。另外，由于精细间距QFP器件对组装工艺要求严格，使其应用受到了限制，为此美国一些公司就把注意力放在开发和应用比QFP器件更优越的BGA器件上。精细间距器件的局限性在于细引脚易弯曲、质脆而易断，对平面度和于引线间的共贴装精度的要求很高。 BGA技术采用的是一种全新的设计思维方式，它采用将圆型或者柱状点隐藏在封装下面的结构，焊球间距大、焊球长度短。相对于同样尺寸的QFP器件，BGA能够提供多至几倍的引脚数（BGA芯片的焊球就相当于引脚）这对于表面贴装来讲是件好事，可以大幅度地提高焊接合格率和一次成功率。

BGA主要结构分为三部分；主体基板、芯片和封装。基板一面焊接面，另一面为芯片封装面。焊接面上球形焊矩阵状排列。基板为特别精细的印制线路板，有双面板与多层板几种形式。对于引出端数较多的基板一般为多层板，内部为走线层与电源、接地层。对于引出数端较少的基板用双面板即可。在芯片封装面上IC芯片以COB方式与基板连接。

2.BGA焊接质量的检查

由于BGA焊球在芯片的下面，焊接完成之后很难用肉眼去判断其焊接质量。在没有检查设备的情况下，可先目视观察外面一圈焊点的塌陷是一致，再将芯片对着光看，如果每一排每一列都能透过光，那么可以断定没有连焊，有时尺寸大一点的焊锡也能看见。但用这种方法就无法判断里面的焊点是否存在其它缺陷或焊点里面是否有空洞。要想更清楚地判断焊点的质量，还必须使用Ｘ光检测设备来检查。

X光检测设备是用Ｘ射线断层照相，通过它可以把焊接球分层，产生断层照相的效果。Ｘ射线断层照相的图片能够根据CAD原始设计数据和用户设置的参数进行自动分析焊点，它实时地进行断层扫描，能够在几十秒（视电路板焊点的数量及复杂程度不同）对PCB的两面的所有元件的所有焊点进行准确的对比分析，得出焊接合格与否的结论。想要检查某一层的焊接情况，只要将这一层调整到聚集平面的位置，就会很清楚地将扫描结果展现出来。同时也可以把图片用设备下面的Ｘ光照相机拍下来。

3.BGA焊点的接收标准

不管用哪种检查设备进行检查，判断焊点的质量是否合格都必须有依据。IPC-A-610C专门对BGA焊点的接收标准进行了定义。优选的BGA焊点的要求是焊点光滑、圆、边界清晰、无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一样，位置对准，无偏移或扭转，无焊锡球。焊接完成后，优选的标准是追求的目标，但作为合格焊点的判据，还可以比上述标准要求稍微放松。如位置对准，允许BGA焊点相对于焊盘有不超过25%的偏移量，焊锡球也不是肯定不允许存在，但焊锡球不能大于相邻的两个焊球间距的25%。

BGA中的缺陷空洞IPC标准规定的接收标准为：焊盘层的空洞不能大于焊球面积的25%，当焊盘层空洞的面积超过焊球面积的25%时，就视为一种缺陷，这时空洞的存在会对焊点的机械或电性能的可靠性造成隐患。

4.BGA空洞的形成原因

BGA焊球在焊接前本身就可能带有空洞，这可能是由于焊球制作工艺中就引入了空洞，或是PCB表面印刷的焊膏材料的问题导致的，电路板的设计也是形成空洞的一个主要原因。例如，把过孔设计在焊盘的下面，在焊接的过程中，外界的空气通过过孔进入熔溶状态的焊球，焊接完成冷却后焊球中就会留下空洞。焊盘层中发生的空洞可能是由于焊盘上面印刷的焊膏中的助焊剂在再流焊接过程中挥发，气体从熔化的焊料中逸出，冷却后就形成了空洞。焊盘的镀层不好或焊盘表面有污染都可能是在焊盘层出现空洞的原因。

产生空洞机率**多的位置是在元件层，也就是焊球的中央到BGA基板之间的部分。这有可能是因为PCB上面BGA的焊盘在再流焊接的过程中，存在有空气气泡和挥发的助焊剂气体，当BGA的共晶焊球与所施加的焊膏在再流焊过程中熔为一体时形成空洞。如果再流温度曲线在再流区时间不够长，空气气泡和助焊剂中挥发的气体来不及逸出，熔溶的焊膏已经进入冷却区变为固态，便形成了空洞。所以，再流温度曲线也是形成空洞的一种原因。

PCB在制作时也要在焊接面焊盘周围的过孔涂覆阻碍焊膜，加阻焊膜的目的是为避免在焊接时空气从底部流进来增大形成空洞的机率，同时也可以避免焊锡从通孔中流出，造成虚焊或锡少等不良。

5.生产中遇到的一些实例

我们在生产中曾遇到过一些这样的实例，采用同样的生产工艺，只是印刷后的PCB板所停留在室内时间不同，首件板从印刷→贴装→首件确认→回流共花费两小时，批量生产从印刷→贴装→中检→回流共花费10分钟，使用X光机检测同一位号BGA的空洞却有明显的变化，首件板的空洞比率少及小，批量生产的板空洞比率多且比较大，为了验证这一现象，我们以同样的工艺生产印刷贴装10PCS并作流水编号1～10，全部贴装完毕后先回流编号1～5的PCB板，并用X光机对BGA位号作检测，发现BGA空洞的分布比率在30%～50%之间，空洞面积大小在5%～20%之间，6～10号的PCB在室内停留150 min后回流，并对同一位号BGA作检测， BGA的空洞分布率及空洞明显下降，分布空洞比率在5%～20%之间，空洞面积大小在1%～10%之间，后来在多次生产得出的结果也一样，由此可见，由于印后PCB板上锡膏较量少且停留在室内时间较长，使焊膏中水份明显降低，所以首件板BGA的空洞少而小。

6.BGA的返修

BGA的返修技术难点在于如何将BGA器件无损伤从PCB上拆卸下来，再将新的器件高精度地贴装上去并保证质量地去焊接。BGA的返修成本明显地高于QFP，因为BGA组装的任何不合格缺陷都需要进行拆焊返修，就算是单一的短路或开路返修都是不可能像QFP器件一样直接用铬铁进行返修的，返修一个BGA比QFP更困难，同时需要附加的工具投资。

BGA器件的拆卸可采用热传导，对流等几种方式，通常要求加热的温度及时间是可控制调整的，可通过设置高低不同的温度和长短不一的加热计时器来保证可重复性。如果采用传导方式来拆卸BGA器件，需用专用的传导工具，将该工具的加热头加热到300多度后放在器件上，利用器件上传热量，使器件引出端的焊料熔化，达到拆卸的目的；如果采用热流方式，热风嘴要处于返修的BGA表面上，且BGA表面和热风嘴要有3～5MM的距离，并从顶部加热，热风嘴尺寸应大于器件外形5MM左右。为了避免元件爆裂及PCB板起泡，在拆焊器件之前先要在120 ℃温度下烘烤4 h～12 h，并且器件焊点下面加一些液体助焊剂，可使加热更均匀，同时也要小心地控制其加热温度、加热时间。

器件拆卸后，必须为重新焊接做好准备，如何能平整地清理干净遗留在PCB板上的焊料，目前比较理想比较方便的方法就是用吸锡带把它们吸走，同时为了保证焊盘阵列的共面性和清洁度，有必要对返修区进行热风整平。

当重贴BGA器件时，必须使器件底面上的焊球与PCB板上的焊膏相连接，但大部分返修的PCB板四周已焊接了密集元件，再使用初始的模板印刷膏是不可能的，这时可把BGA器件固定在一夹具上，然后用焊膏模板来对准BGA的焊球，再用一小刮刀印刷焊膏，使每一个BGA焊盘阵列都有焊膏。

选用印刷焊膏后再贴装仅是一选择方案，也可直接使用BGA专用助焊剂涂在焊盘上后贴装它也可保证实现高质量的焊点，因为BGA本身的焊球就是一种焊料。

7.结论

BGA的焊接技术难点在于返修工艺上，所以我们必需注重过程控制及预防，而产生不良的原因有很多，只顾调整某一项参数是远远不够的。我们需要在生产过程中研究如何能控制各项因素，从而使焊接达到可观的效果。

BGA的焊接只要我们控制好以下几个关键点，问题可发生的机率就会降低。

（1）PCB板上要将所有BGA焊点的焊盘设计成一样大，且要焊盘焊点表面平滑。

（2）焊膏的使用必需保证焊膏回温时间足够、搅拌均匀、印刷焊膏涂覆的位置准确，元件贴装的位置准确。

（3）印刷的锡量要适中及印后锡料成形无拉尖或塌落现象。

（4）BGA器件要在焊接前进120 ℃烘烤12h。

（5）回流温度曲线是一个非常重要的因素。在焊接过程中，要保证焊接曲线过渡自然，使器件均匀受热，尤其在焊接区，要保证所有焊点充分熔化。否则将会由于温度不够形成冷焊点，焊点表面粗糙，或第二次塌落阶段没有充分熔化，PCB表面的焊膏与元件本身的焊锡中间出现裂纹，造成虚焊或开焊。