BGA芯片的返修与锡球重整

2011-09-18倪宏俊

印制电路信息 2011年9期

倪宏俊

（中船重工集团公司武汉七○九所质量处，湖北武汉 430030）

1 引言

随着科学技术的不断进步，电子产品尤其是在电脑与通信类电子产品的生产领域，元器件向微小型化、多功能化、高性能化方向发展，因而对电子组装技术提出了更高的要求，各式封装技术不断涌现。BGA（Ball Grid Array球栅阵列）封装是当今封装技术的主流，这是一种高密度表面装配封装技术，BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装底部，BGA一出现便成为CPU、南北桥、内存芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。它的优势在于能进一步提高元器件的集成度，并缩小其封装尺寸，满足了高密度贴装技术水平的要求，十分适合电子产品轻、薄、短、小及功能多样化的发展方向。BGA组装的较大优点是，如果组装方法正确，其合格率比传统器件高，这是因为它没有引线，简化了元器件的处理，因此减少了器件遭受损坏的可能性。缺点是由于BGA的焊点隐藏在器件的底部，难以修整,即使一个焊接端连接不良产生故障，整个组件都必须拆卸返修，而且要用专门的返修设备并根据一定的返修工艺来完成。本文就是在这种状况下提出如何确保BGA芯片的返修和重新植球工艺的质量。

2 返修工艺

2.1 返修流程

我们于2004年引进美国OK公司BGA-3592返修工作站，专门用于BGA器件的返修。返修系统的工作原理是：用非常细的热气流聚集在BGA器件表面和印制电路板的焊盘上，使焊点融化或焊膏回流，以完成拆卸或焊接功能。热气流的聚集是利用可更换的、不同尺寸规格的热风喷嘴来实现的；返修系统由主机、控制器、计算机、监视器组成。该设备的主要优点是芯片受热均匀，能模拟生产的原始回流曲线，可存储和监控回流曲线，对位的精度高且具有真空抽吸等多种功能，但真正要完成BGA返修，满足焊接流程繁多如：

芯片去潮→编制温度曲线→拆卸→清理焊盘→涂覆焊膏→贴装→回流焊接→检查

2.2 返修工艺

2.2.1 去潮处理

将BGA元件放置在耐热150 ℃防静电托盘内，放入烘箱烘烤，烘烤的温度最高不要超过125 ℃，因为过高的温度会造成锡球与元器件连接处金相组织变化，当这些元器件进入回流焊的阶段时，容易引起锡球与元器件封装处的脱节，造成SMT装配质量问题；但如果烘烤的温度过低，则无法起到除湿的作用。烘烤有利于消除BGA的内部湿气，并且提高BGA的耐热性，减少元器件进入回流焊受到的热冲击对器件的影响。烘烤时间要求为12 h ～ 24 h，温度120 ℃，BGA元器件在烘烤取出后，必须自然冷却半小时才能进行装配作业。

2.2.2 编制回流温度曲线

温度曲线是指在整个回流周期内，印制电路板上装配器件的加热温度随时间而变化的曲线。温度曲线提供了一种直观的方式，来分析某个器件在回流焊接过程中的温度变化，这对于获得最佳的可焊性，避免因超温对器件的损害非常有用。它取决于焊膏特性如成分、金属的含量，装配器件的尺寸、基板的导热性。焊膏制造商提供基本的温度/时间关系资料，它应用于特定的配方通常可在产品的数据表中找到。准确的温度曲线是工艺控制的关键，因为它保证所有焊点加热均匀并且得到足够的峰值温度。设定生产参数的出发点是电路板的实际温度，通过分析实际的温度可以调节机器加热区参数，使实时的温度曲线和焊膏温度曲线的升温斜率、峰值温度基本一致。温度曲线（图1）分为预热、恒温、回流焊接、冷却四个阶段。预热阶段是使BGA器件各焊点均匀受热,升温速率控制在2 ℃/s ～ 5 ℃/s，时间60 s ～ 90 s；恒温阶段是使助焊剂充分激活以清除焊盘、焊球的氧化物，温度控制在120℃ ～ 160 ℃，升温速率小于2 ℃/s，时间60 s ～120 s；回流焊接阶段是使锡膏快速融化将器件焊接在印刷电路板上，温度控制在183 ℃ ～ 220 ℃，时间60 s ～90 s，其中峰值温度（215℃±5℃）持续时间至少10 s；冷却阶段是使焊膏开始凝固让器件被固定在印刷电路板上，降温速率3 ℃/s ～ 4 ℃/s，时间30 s ～ 40 s。好的温度曲线不易取得，要经过多次试验才能获得最佳的温度曲线。典型的温度曲线见下图。其中1为预热阶段，2为恒温阶段，3、4为焊接阶段，5为冷却阶段。为防止采集的温度数据失真，要将精细结构的热电偶放置在BGA器件的底部，靠近焊球阵列中心处采集温度数据。BGA-3592返修工作站可同时实现2组温度数据的采集、存储，并在屏幕上显示加热曲线和图表，一旦令人满意的温度曲线被建立，针对每个区域的合适温度及回流焊接时间参数可贮存在返修工作站内便于下次使用。

图1 回流温度曲线图

2.2.3 拆卸

将印制电路板放置在返修工作台上，安装好所选取的合适热风喷嘴，并将待拆卸的BGA器件罩住，设置拆除温度曲线后，启动加热开关开始拆除BGA器件。需要注意的是BGA-3952返修工作站具有自动真空抽吸器件功能，在拆卸BGA器件时解焊温度要高出焊接温度10 ℃ ～ 15 ℃左右，以确保BGA每个焊点都熔化，如焊点未完全熔化就提取芯片会造成电路板焊盘脱落使电路板报废。

2.2.4 清理焊盘

焊盘用扁平头烙铁和吸锡编带清理，残留的焊锡必须清除干净，清理后的焊盘应光滑、平整、阻焊膜完整，并用清洗剂清洗。

2.2.5 涂覆焊膏

因为电路板上已经装有其他元器件，因此必须采用BGA专用小模板，模板厚度与开口尺寸要根据球径和球距确定，一般情况下模板厚度0.15 mm、开口尺寸为焊盘面积的80%。印刷完毕后必须检查印刷质量，无错位、桥接、漏印等现象，如不合格，必须将印刷电路板清洗干净并晾干后重新印刷。对于球距为0.4 mm以下的CSP（Chip Scale Package芯片级封装），可以不印焊膏，直接在印刷电路板的焊盘上涂刷助焊膏即可。

2.2.7 贴装BGA

安装好所选择的适当吸嘴，打开真空泵。用贴装头将BGA器件吸起来，使用分光（Split-Optics）视觉系统校准BGA器件底部锡球与印刷电路板焊盘使之完全重合后将吸嘴向下移动，把BGA器件贴装到电路板上，然后关闭真空泵。

2.2.8 热风回流焊接

把贴装好的电路板移至焊接工位，选择合适尺寸的热风喷嘴安装在加热器连接杆上，注意要安装平稳，用热风喷嘴将待焊器件罩住，利用已编制的温度曲线实施焊接。

2.2.9 检查

焊好的BGA器件要用X光检测设备检查焊点质量,焊点的要求是焊点光滑、圆润、边界清晰、空洞面积符合IPC-7095标准（球栅阵列的设计和组装过程的实施），所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均相同，位置准确，无偏移或扭转，无焊锡珠。在没有检查设备的情况下，可先通过外观检查来判断焊点有无短接、错位、焊膏未完全融化等现象，再通过功能测试判断焊接质量。

3 锡球重整工艺

3.1 锡球重整流程

对于拆卸下来的BGA器件一般不再使用，这是因为BGA器件虽能承受240 ℃ ～ 260℃的高温，从焊接、拆卸到植球后重新焊接至少要经过4次同样的高温，再焊后难以保证BGA器件的正常使用，除非这个器件特别昂贵或短时间内无法购买才进行植球返修。锡球重整工艺流程如下：

清理焊盘→选择焊锡球→涂覆焊膏→植球→焊接

3.2 锡球重整

3.2.1 清理BGA器件焊盘

要采用防静电烙铁和吸锡编带清除残留焊锡，操作时要轻、快，避免损伤焊盘，并用清洗剂清洗干净。

3.2.2 选择焊锡球

所选择焊球的材质要和器件的材质一致，目前焊球一般由37Pb/63Sn组成，焊球尺寸要与器件的焊球直径相同或略小。

3.2.3 涂覆焊膏

把处理好的BGA器件放在植球器上定位，然后套上专用印刷模板手工印刷焊膏，要尽量控制手刮焊膏时的角度、力度，完成后轻轻脱开模板，确保每个焊盘上都均匀的印有焊膏。将印好的器件取出，打开返修工作站的真空泵，用贴装头吸嘴吸牢。

3.2.4 植球

为防止锡球滚动不顺，要用酒精清洗植球器和相应BGA模板并烘干；在植球器内安装BGA模板，模板的开口尺寸要比焊球的直径大0.05 mm ～ 0.1 mm。将焊球撒在模板上并摇晃植球器，使模板每个漏孔中都有焊球，多余的焊球从模板上滚动到植球器的焊球收集槽中，然后将植球器放在返修工作站上，使用分光（Split-Optics）视觉系统校准BGA器件焊盘与焊球位置，使之完全重合后将吸嘴向下移动，利用焊膏的黏性将焊球粘在器件相应位置，向上提起器件并用镊子夹住边缘，关闭真空泵，将器件焊球面朝上进行检查，如缺少焊球用镊子补全。

3.2.5 焊接

将植球后的BGA器件放入恒温烘箱进行焊接，实际焊接温度要恒定在220 ℃，时间约3 min左右。焊后BGA器件要用清洗剂清洗干净。