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2020/9/18 10:05:06
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1. BGA器件的分類和特點(diǎn)
說起BGA的返修，首先我們先了解一下這種器件的特點(diǎn)。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下面，焊點(diǎn)的加熱熔化主要通過封裝體與PCB的熱傳導(dǎo)。
BGA主要有PBGA，CBGA，CCGA和TBGA幾大類，我們目前生產(chǎn)中比較常見的是PBGA和CBGA。
PBGA （plastic BGA）是塑料封裝的BGA，也是目前使用較多的BGA，它使用63/37（有鉛）或者305（無鉛）成分的焊錫球，焊錫的熔化溫度為183℃或者217℃。PBGA的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，容易加工，不過由于塑料封裝，容易吸潮。
CBGA（ceramic BGA）是陶瓷封裝的BGA，也有一定范圍的應(yīng)用，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是在元件和印制板上采用不熔焊球(實(shí)際上是它的熔點(diǎn)大大高于回流焊的溫度)，焊球直徑為0.889mm，高度保持不變。CBGA的焊錫球較PBGA不容易吸潮，且封裝的更牢靠，CBGA芯片底部焊點(diǎn)直徑要比PCB上的焊盤大，拆除CBGA芯片后，焊錫不會在PCB的焊盤上。
BGA與其他類型元件的區(qū)別就是焊點(diǎn)在元件本體的下部，不能夠通過烙鐵等常規(guī)工具進(jìn)行拆卸焊接，而且拆卸焊接過程也不能夠看到焊點(diǎn)的熔化和固化過程。這就決定了BGA維修的特殊性。下面我們就從上述應(yīng)用最廣泛的PBGA說起，說說PBGA的返修。
2. BGA器件的返修流程
BGA返修主要有下述幾個(gè)步驟：準(zhǔn)備、拆卸、植球、焊接和檢測。
3.1準(zhǔn)備：
烘干：這個(gè)是最容易讓人忽視的程序，但恰恰也是十分重要和關(guān)鍵的程序。電路板和芯片烘干的主要目的是將潮氣去除，否則由于焊接時(shí)的迅速升溫，會使芯片內(nèi)和電路板的潮氣馬上氣化導(dǎo)致芯片損壞。而烘干后的板子要在 24小時(shí)內(nèi)完成拆卸焊接，同時(shí)植球前的芯片也要保證是烘干過的，并且24小時(shí)內(nèi)完成植球。注意烘板前，將溫度敏感組件拆下后進(jìn)行烘烤，例如光纖、電池、塑膠類拉手條等；否則容易造成的器件受熱損傷。
產(chǎn)品保護(hù)：這個(gè)環(huán)節(jié)也容易被忽視，但也很重要。返修板正面、背面有光纖、附件區(qū)域的電池需要拆除后才可返修，若返修單板背面距離返修芯片10mm及10mm以外有散熱器、插裝晶振、電解電容、塑膠導(dǎo)光柱、非高溫條形碼、BGA、BGA插座等，須在其表面貼5-6層高溫膠紙進(jìn)行保護(hù)。
噴嘴和支撐的準(zhǔn)備：對于寬度大于100mm的板子，應(yīng)該給工作站加熱臺加支撐，支撐桿位置優(yōu)選位于PCB板中間，使PCB保持平面，不能支撐到器件上。噴嘴選用實(shí)際尺寸比BGA大2～5mm的噴嘴。
拆卸/焊接曲線：由于加熱中BGA錫球的實(shí)際溫度與BGA的尺寸、封裝材料、設(shè)備的加熱系統(tǒng)效率、PCB的大小厚度以至于PCB在工作站的位置都有很大的關(guān)系，所以如果電腦中存儲了返修曲線程序，那么每次拆卸/焊接前都要測量一下，如果沒有程序則需要制作溫度曲線。溫度曲線板的制作規(guī)則和SMT的回流溫度曲線板的制作過程是類似，采用一塊與返修的PCB相同的試驗(yàn)板，對于BGA元件，要采取底部打孔，把熱電偶伸進(jìn)接觸到BGA錫球，然后用高溫錫或環(huán)氧樹脂固定。
SMT回流焊接工藝中一般使用兩種常見類型的溫度曲線，它們通常叫做保溫型（平臺型）和帳篷型（三角型）溫度曲線。在保溫型曲線中，裝配在一段時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷相同的溫度。帳篷型溫度曲線是一個(gè)連續(xù)的溫度上升，從裝配進(jìn)入爐子開始，直到裝配達(dá)到所希望的峰值溫度。返修工作站不同于回流爐，溫區(qū)有限，想做成平臺型的曲線比較困難，所以一般都是采用三角型的曲線。注意控制升溫斜率在3度/秒以下；也要注意冷卻斜率，冷卻快，錫點(diǎn)強(qiáng)度會稍微大一點(diǎn)，但不可以太快而引起元件內(nèi)部的溫度應(yīng)力，一般冷卻斜率不大于5度/秒。制作曲線的關(guān)鍵是要對PCB的底部進(jìn)行充分的預(yù)熱，以防止翹曲；回流時(shí)間和最大溫度就參考推薦的參數(shù)即可。
3.2拆卸：
在返修準(zhǔn)備工作做好的情況下，拆卸工作比較容易，只需選擇相應(yīng)的溫度曲線程序。拆卸程序運(yùn)行中，根據(jù)BGA封裝的物理特性，所有的焊點(diǎn)均位于封裝體與PCB之間，焊點(diǎn)的加熱熔化主要通過封裝體與PCB的熱傳導(dǎo)。返修程序運(yùn)行完畢后，由設(shè)備自動(dòng)吸取被拆器件，當(dāng)器件表面粗糙不平情況下允許采用鑷子夾取；采用鑷子夾取時(shí)，先用鑷子輕輕撥動(dòng)器件，確定器件已經(jīng)完全融化后立即夾起。
拆卸后，在BGA芯片植球和貼裝之前，應(yīng)清理返修區(qū)域，包括BGA焊盤和PCB焊盤。清理焊盤一般用扁平烙鐵頭+吸錫編帶。吸錫編帶專門用于從BGA焊盤和元件上去除殘留焊膏，不會損壞阻焊膜或暴露在外的印制線。將吸錫編帶放置在基板與烙鐵頭之間，加熱2至3秒鐘，熱量通過編帶以最佳方式傳遞到焊點(diǎn)，然后向上抬起編帶和烙鐵，抬起而不是拖曳編織帶，可使焊盤遭到損壞的危險(xiǎn)降至最低。編織帶可去除所有的殘留焊錫，從而排除了橋接和短路的可能性。去除殘留焊錫以后，用適當(dāng)?shù)娜軇┣逑春副P區(qū)域。
3.3植球：
經(jīng)過拆卸的BGA器件一般情況下可以重復(fù)使用，但由于拆卸后BGA底部的焊球被不同程度的破壞，因此必須進(jìn)行植球處理后才能使用。
錫球和輔料的選擇：
植球使用的輔料選擇很重要，目前主要使用的焊錫膏和助焊膏，使用助焊膏時(shí)，置完球的芯片加熱過程中，在熱風(fēng)的工作站環(huán)境下錫球往往容易連橋，所以推薦選用錫膏來進(jìn)行植球。
而錫球則根據(jù)芯片的datasheet來進(jìn)行選擇，成份上主要有無鉛305、有鉛63/37和CBGA用到的90Pb/10Sn等幾種，大小主要有0.3、0.4、0.5、0.6和0.7mm幾種。需要注意的是在選擇錫膏工藝時(shí)，錫膏的成份要與錫球的成份一致，而且在錫球大小的選擇上，要比原始芯片的直徑小一些，這樣錫球和錫膏重新融合成錫球后會最接近于原始芯片的大小。
植球的幾種常用方法：根據(jù)植球工具和材料的不同，植球的方法也不相同，但工藝流程是相同的。即印刷焊膏--置球—加熱。植球方法的區(qū)別在于第二步的置球。目前比較通用的置球方式有三種。
a.多用途植球器
此種植球器使用時(shí)，需要根據(jù)芯片的球徑和球間距選擇相應(yīng)的模板，模板的開口尺寸一般比錫球直徑大0.05-0.1mm,將模板固定在底座上，錫球均勻的撒在模板上，搖晃植球器，多余的錫球從模板上滾到錫球收集槽中，使模板表面恰好每個(gè)漏孔中保留一個(gè)錫球。然后把植球器放置在返修工作站上，把印刷好錫膏的BGA器件吸在工作站的吸嘴上（印好錫膏的焊盤面向下），按照焊接BGA的方法進(jìn)行對中，使BGA器件底部圖像與植球器模板表面每個(gè)錫球圖像完全重合。然后將吸嘴向下移動(dòng)，把BGA器件貼裝到植球器模板的表面的錫球上，將BGA器件吸起來，錫球?qū)⒄吃贐GA器件相應(yīng)的焊盤上（，小心用鑷子取下器件，進(jìn)行后續(xù)的加熱。此種植球的優(yōu)點(diǎn)是模板利用率高，只需準(zhǔn)備4片不同規(guī)格的模板即可滿足絕大多數(shù)類型BGA的植球。缺點(diǎn)是操作稍顯復(fù)雜，需要借助工作站的視覺對中系統(tǒng)，而且大批量植球時(shí)效率不高。
b.專用植球器
專用植球器需要根據(jù)芯片的DATASHEET進(jìn)行制作，一個(gè)裝載BGA器件的底座，加上鑲嵌印刷網(wǎng)板的蓋板和鑲嵌漏球模板的蓋板各一個(gè)。使用時(shí)，首先印刷網(wǎng)板的蓋板裝載到裝載有BGA的底座上，印刷錫膏后，取下蓋板，然后把漏球模板的蓋板裝載到底座上，將錫球均勻的撒在模板上，搖晃植球器，多余的錫球從模板上滾到錫球收集槽中，使模板表面恰好每個(gè)漏孔中保留一個(gè)錫球。垂直取下蓋板，觀察BGA器件上有無缺少錫球的現(xiàn)象，用鑷子補(bǔ)齊錫球。此種植球的優(yōu)點(diǎn)是植球操作簡單，成功率高，缺點(diǎn)是植球工裝成本比較高，需要對每種不同封裝的BGA器件制作一套。
c.萬能植球器
此種萬能植球器原理和專用植球器類似，區(qū)別就是此種植球器底座可以通過三個(gè)絲桿控制X和Y方向的寬度以及Z方向的高度，從而適合絕大多數(shù)BGA芯片。固定好芯片后，后續(xù)的流程和專用植球器完全相同。如果維修不同封裝的BGA，只需要制作相應(yīng)的印刷網(wǎng)板和漏球網(wǎng)板，然后把網(wǎng)板放入蓋板適配器上，進(jìn)行對位調(diào)整到合適位置鎖緊即可。
上述三種植球方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)。不管采用哪種植球方法，后續(xù)的工作都要放到一個(gè)托板上，進(jìn)行回流焊接。焊接時(shí)BGA器件的錫球面向上，需要注意的是熱風(fēng)量調(diào)到最小，以免把錫球吹移位，溫度設(shè)定也比實(shí)際焊接溫度要低一些，同時(shí)適時(shí)觀察錫球熔化的狀態(tài)，融融狀態(tài)下持續(xù)十幾秒就要停止加熱，減少對芯片的熱沖擊。
3.4焊接：
焊接輔料的選擇：無論是焊接新BGA還是植球后的BGA，對輔料的選擇都是很嚴(yán)格的。焊接輔料主要有助焊膏和焊錫膏兩種。兩種輔料各有特點(diǎn)，助焊膏方式不需要制作鋼網(wǎng)，涂覆簡單快捷，維修速度快，但穩(wěn)定性差，尤其對于大尺寸BGA容易產(chǎn)生開路等缺陷；而焊錫膏方式需要制作鋼網(wǎng)，對印刷要求一定的技巧，但可以有效地補(bǔ)償加熱過程中由于PCB變形產(chǎn)生的翹曲，有效防止開路的產(chǎn)生，改善焊接效果，得到比用助焊膏焊接更好的效果。
對于CBGA，由于錫球是高溫的90Pb/10Sn，熔點(diǎn)為302℃，焊接過程不熔化，故返修過程必須涂覆焊錫膏。
通過對實(shí)際焊接過程的分析及對焊接結(jié)果的觀察統(tǒng)計(jì)，在PCB上涂覆焊錫膏具有穩(wěn)定性高，減少焊接缺陷，補(bǔ)償PCB熱變形等助焊膏不具備的優(yōu)點(diǎn)，所以在實(shí)際焊接過程中，給出如下建議。在BGA尺寸大于15mm*15mm時(shí)和BGA是CBGA封裝條件下，必須使用焊錫膏作為焊接輔料；在BGA尺寸小于15mm*15mm,且PCB厚度大于等于1.6mm時(shí)，如果對維修速度要求較高，可以考慮使用助焊膏。
BGA焊接的流程：印刷錫膏（助焊膏）-視覺對中-回流
a. 印刷錫膏（助焊膏）
涂覆助焊膏：用畫筆蘸少許助焊膏，在焊盤上來回輕輕涂抹，檢查焊盤上助焊膏的涂抹情況，要求助焊膏涂布均勻。不可有助焊膏堆積現(xiàn)象，焊盤上不可有纖維、毛發(fā)等殘留。
印刷錫膏：印刷錫膏使用的鋼網(wǎng)有兩種類型，簸箕型和鋼片型，兩種類型應(yīng)用都很普遍，網(wǎng)板的厚度和開孔的選擇與SMT生產(chǎn)鋼網(wǎng)的規(guī)范一致，依據(jù)錫球直徑和間距的大小。下面以鋼片型鋼網(wǎng)為例，說說印刷錫膏的流程。選擇對應(yīng)的印錫鋼網(wǎng)，將印錫的小鋼網(wǎng)定位并用膠帶粘貼在PCB上（用來固定鋼網(wǎng)，并防止錫膏外溢）；需要使鋼網(wǎng)開口和焊盤完全重合，不錯(cuò)位。用刮刀取適量錫膏，然后在小鋼網(wǎng)上刮過。刮錫膏時(shí)盡量使錫膏能在鋼網(wǎng)和刮刀之間滾動(dòng)。然后向上慢慢的提起鋼網(wǎng)，提取的過程中，要減少手的抖動(dòng)。
b.視覺對中
將涂抹好錫膏的單板平穩(wěn)放置在工作臺上，將器件放在機(jī)器噴口中的吸嘴上，注意方向，然后進(jìn)行視覺對中，使器件和焊盤的影像重合，運(yùn)行機(jī)器，完成貼放動(dòng)作。（采用印錫返修時(shí)，必須使用設(shè)備將BGA貼放在PCB上，不得使用手工放置。采用刷助焊膏返修時(shí)，可以用手工放置器件，以絲印框?yàn)闇?zhǔn)進(jìn)行對位）。器件貼放后，需要檢查返修器件的高度是否一致，是否有高度不平、器件傾斜等異常。
c.回流
貼裝檢查完畢后，選擇與芯片對應(yīng)的溫度曲線程序?qū)GA進(jìn)行加熱，程序運(yùn)行完畢，完成器件焊接過程。待板子冷卻后取走PCB。
3.5 檢測：
由于BGA焊點(diǎn)是不可見焊點(diǎn)，所以除了電性能測試外，主要應(yīng)用X射線檢測。X射線透視圖可顯示焊接厚度、形狀及質(zhì)量的密度分布。厚度與形狀不僅是反映長期結(jié)構(gòu)質(zhì)量的指標(biāo)，在測定開路、冷焊、短路缺陷及焊接不足方面，也是很好的指標(biāo)。
4. BGA返修常見問題分析
芯片翹曲：
BGA出現(xiàn)焊接缺陷后，如果進(jìn)行拆卸植球焊接，總共經(jīng)歷了SMT回流，拆卸，焊盤清理，植球，焊接等至少5次的熱沖擊，接近了極限的壽命，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)最終有5% 的BGA芯片會有翹曲分層，所以在這幾個(gè)環(huán)節(jié)中一定要注意控制芯片的受熱，拆卸和焊盤清理和植球環(huán)節(jié)中盡量降低溫度和減少加熱時(shí)間。
PCB翹曲：
熱風(fēng)工作站采用上下部同時(shí)局部加熱來完成BGA的焊接，由于PCB材質(zhì)的熱脹冷縮性質(zhì)和PCB本身的重力作用，因而對PCB中BGA區(qū)域產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力，會使得PCB在返修過程中產(chǎn)生一定程度上的翹曲變形，支撐雖然起了一定的作用，但PCB變形仍然存在。嚴(yán)重時(shí)這種變形會導(dǎo)致外部連接點(diǎn)與焊盤的接觸減至最小，進(jìn)而產(chǎn)生BGA四角焊點(diǎn)橋接，中間焊接空焊等焊接缺陷。因此要盡量控制溫度，由于工作站底部加熱面積較大，在保證曲線最大溫度和回流時(shí)間條件下，增加預(yù)熱時(shí)間，提高底部加熱溫度，而降低頂部加熱溫度，會大大的減少PCB的熱變形；另外就是注意底部支撐放置的位置和高度。
焊接開路：
造成焊接開路的原因比較復(fù)雜，上面論述的PCB翹曲是一個(gè)原因。另外還有幾個(gè)因素可能導(dǎo)致開路，重點(diǎn)查看焊接曲線是否正確，不正確的曲線會導(dǎo)致回流時(shí)間過短或溫度過低，而錫球和錫膏沒有充分回流造成開路；是否因?yàn)椴捎昧酥父喽皇呛稿a膏作為焊接輔料，使用焊錫膏回流制程，發(fā)生開路的可能性會減少，這是因?yàn)楹稿a膏對共面性的要求較低；是否PCB和芯片焊接前沒有進(jìn)行烘干等等。
焊接短路：
PCB翹曲是導(dǎo)致焊接短路的原因之一，其他原因還有，網(wǎng)板開孔的厚度和印刷的錫膏量是否合適，錫膏過厚且不均勻，極容易產(chǎn)生短路；PCB和芯片是否烘干，如果沒有烘干，爆米花現(xiàn)象將可能引起短路；清理焊盤時(shí)是否破壞了阻焊膜，如果阻焊被破壞，很容易導(dǎo)致短路；另外就是溫度曲線是否正確。
5. 綜述
不管BGA返修技術(shù)怎么發(fā)展，返修效果如何的好，芯片在多次受到熱沖擊條件下，仍然存在著壽命縮短，穩(wěn)定性變差的隱患，所以在提高返修能力的基礎(chǔ)上，還要從前端SMT環(huán)節(jié)，通過制程優(yōu)化、設(shè)備和人員物料等管理環(huán)節(jié)，減少BGA的返修，從而達(dá)到高合格率，使BGA更具成本效益。
目前BGA的生產(chǎn)制程也很穩(wěn)定，每家公司也都在提高工藝水平加強(qiáng)管理，BGA缺陷率也在逐步降低，但百密也有一疏，不可能完全杜絕BGA返修。所以每家公司適當(dāng)?shù)嘏嘤?xùn)返修技術(shù)人員，采用恰當(dāng)?shù)姆敌拊O(shè)備，了解BGA返修的關(guān)鍵工序，并且不斷總結(jié)返修的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化返修的制程，改進(jìn)返修工藝，這些都有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、有效的返修。
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