BGA焊点质量控制工艺

1、BGA元器件及其组装工艺史建卫作者介绍：史建卫（1979-），男，哈尔滨工业大学硕士研究生，主要从事SMT工艺与设备方面的研究E-mail: sjw1979612004 Tel:112 Fax:日东电子科技（深圳）有限公司，广东，深圳 518103摘 要：关键词：BGA Component and Assembly ProcessShi Jian-Wei1Sun East Electronic Technology (Shenzhen) Company Lt.d, Shenzhen, 518103 ChinaAbstract:Key

2、words:1.引言80年代随着电子产品向轻、薄、短、小方向发展，人们对I/O引线数提出了更高的要求，对具有高引线数的精细间距器件的引线间距及引线共平面度也提出了更为严格的要求。受到加工精度、可制造性、成本及组装工艺的制约，一般认为QFP（方型扁平封装）器件间距的极限为0.3mm，且精细间距器件的局限性在于细引线易弯曲、质脆而易断，对于引线间的共平面度和贴装精度的要求很高。SMT技术进入90年代以后，逐渐走向了成熟的阶段，但随着电子产品向轻、薄、短、小、网络化和多媒体化方向的迅速发展，电子组装技术面临新的要求，新的高密度组装技术不断涌现，其中BGA就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。2

3、.BGA概述BGA（球栅阵列封装）技术的研究始于60年代，最早被美国IBM公司采用，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，引线间距大、长度短，消除了精细间距器件中由于引线问题而引起的共平面度和翘曲的问题。引脚水平面统一性较QFP容易保证，因为焊球在溶化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。图1为BGA器件封装物理结构及外形。图1 BGA封装物理结构及外形BGA技术的出现是IC器件从四边引线封装到阵列焊点封装的一大进步，它具有器件更小、引线更多，以及优良的电性能，另外还有一些超过常规组装技术的性能优势。这些性能优势包括高密度的I/O接口、良好的热耗散性能、较

4、好的电特性以及能够使小型元器件具有较高的时钟频率（引线短，导线的自感和导线间的互感很低，频率特性好）。JEDEC（电子器件工程联合会）的工业部门制定了BGA封装的物理标准，BGA与QFP相比的最大优点是I/O引线间距大，已注册的引线间距有0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.27mm和1.5mm，而且目前正在推荐由1.27mm和1.5mm间距的BGA取代0.40.5mm的精细间距器件；焊球直径有0.5mm、0.65mm、0.76mm、0.89mm。BGA的封装形式有多种，形成了一个“家族”，它们之间的区别主要在于材料和结构（塑料、陶瓷、引线焊接、载带等）的不同。无论何种类型，所利用的都是位于

5、其封装体底部的焊接端子（焊球），在再流焊时的巨大热能作用下，焊球熔化与基板上的焊盘形成连接。一种特定形式的BGA可以有一定的尺寸范围，但应采用同样的物理构造和相同的材料。BGA元器件按封装材料的不同，主要有以下几种：l PBGA（Plastic塑料封装的BGA）l CBGA（Ceramic陶瓷封装的BGA）l CCGA(Ceramic column陶瓷柱状封装的BGA)l TBGA（Tap BGA载带状封装的BGA）l CSP（Chip scale BGA或BGA）2.BGA组装工艺2.1 BGA保存及使用对于湿度敏感元件MSD，IPC和JEDEC合并和修订了相关标准，其具体内容见J-STD-

6、033，包括分类、处理、包装、运输和使用指导方针。BGA元件是一种高等级的温度敏感元件，所以必须在恒温干燥的条件下保存，操作人员应该严格遵守操作工艺流程，避免元器件在装配前受到影响。一般来说，真空包装未拆封之BGA的较理想的保存环境为2025，湿度小于10%RH（有氮气保护更佳），使用期限为一年。一般使用时，元器件的包装未打开前需注意到BGA的防潮处理，同时也应该注意到元器件包装被打开后用于安装和焊接的过程中不可以暴露的时间，以防止元器件受到影响而导致焊接质量的下降或元器件的电气性能的改变。表4为湿度敏感的等级分类，它显示了在装配过程中，一旦密封防潮包装被开，元器件必须被用于安装、焊接的相应时

7、间。如果在元器件储藏于氮气的条件下，那么使用的时间可以相对延长。大约每45小时的干燥氮气的作用，可以延长1小时的空气暴露时间。一般BGA属于5级以上的湿度敏感等级。表4 J-STD-020湿气敏感等级敏感性等级拆封后必须使用的期限芯片拆封后置放环境条件1无限制30/85%RH2一年30/60%RH2a四周30/60%RH3168h30/60%RH472h30/60%RH548h30/60%RH5a24h30/60%RH6按标签时间规定30/60%RH元器件的包装被打开后无法在相应的时间内使用完毕，而且暴露的时间超过了表3中规定的时间，那么在下一次使用之前为了使元器件具有良好的可焊性，建议对BG

8、A元件进行烘烤。烘烤条件为温度125，相对相湿度60%RH，烘烤时间参考表5。烘烤的温度不要超过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，而当这些元器件进入再流焊的阶段时，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。无法以125烘烤者，则以80/48hrs烘烤（若多次烘烤则总烘烤时数须小于96hrs），但烘烤的温度过低，则无法起到除湿的作用。BGA器件在烘烤后取出，自然冷却半小时才能进行装配作业。l 真空包装已拆封之BGA须标明拆封时间，未上线之BGA，储存于防潮柜中，储存条件25、65%RH，储存期限为72hrs。表5 BGA烘烤时间封装厚度湿度敏感等级烘烤时

9、间封装厚度湿度敏感等级烘烤时间封装厚度湿度敏感等级烘烤时间1.4MM2a4H2.0MM2a18H4.0MM2a48H37H324H348H49H431H448H510H537H548H5a14H5a44H5a48H3.4 BGA焊前检测生产中的质量控制非常重要，尤其是在BGA封装中，任何缺陷都会导致BGA封装元器件在印制电路板焊接过程中出现差错，在以后的工艺中引发质量问题。封装工艺中所要求的主要性能有：封装组件的可靠性；与PCB的热匹配性；焊料球的共面性；对热、湿气的敏感性；是否能通过封装体边缘对准性以及加工的经济性等。需指出的是，BGA基板上的焊球无论是通过预成型高温焊球（90Pb/10Sn

10、）转换而成，还是采用球射工艺形成，焊球都有可能掉下丢失，尺寸过大或过小，出现焊料桥接、缺损等情况。因此对BGA进行表面贴装之前，需对其中的一些指标进行检测控制。常用采用三角激光测量法来检测焊球的缺失与共面性：测量光束下的物体沿X轴和Y轴在Z轴方向移动的距离，并将物体的三维表面信息进行数字化处理，以便分析和检查。3.5焊膏印刷焊膏的优劣是影响表面组装生产的一个重要环节。选择焊膏通常会考虑下几个方面：良好的印刷性，好的可焊性，低残留物。使用新鲜的焊膏，要保证焊膏搅拌均匀，焊膏涂覆的位置准确及元件放置的位置准确。工作环境温度为25左右，湿度为55RH。表6显示了如何根据元器件的引脚间距选择相应的焊膏

11、。从表中可以看出元器件的引脚间距越小，焊膏的合金颗粒越小，相对来说印刷效果较好，但不是焊膏合金颗粒越小越好，一般选取45m以下，以保证获得良好的印刷效果。印刷模板一般采用不锈钢材料。由于BGA元器件的引脚间距较小，故而模板的厚度较薄，一般为0.12mm0.15mm，BGA和CSP的引脚间距更小，模板厚度更薄。模板的开口视元器件的情况而定，通常情况下模板的开口小于焊盘，为焊盘尺寸的70%80%。表6 焊膏锡粉形状与颗粒直径引脚间距（mm）1.2710.80.650.50.4锡粉形状非球型球型球型球型颗粒直径（um）22-6322-6322-6322-38刮刀压力一般为35100N，压力太大和太小

12、都对印刷不利；角度为60，速度为1025mm/s，元器件的引脚间距愈小，印刷速度愈慢；印刷完毕脱离速度为1mm/s，如果是BGA和CSP，则为0.5mm/s。印刷完毕后，PCB尽量在半小时内进入再流焊，防止焊膏在空气中暴露过久。焊膏量和模板设计1.27mm间距的CCGA，焊膏量为0.078-0.088立方毫米，模板厚度0.19mm，开口直径0.81mm或模板厚度0.20mm，开口直径0.76-0.81mm。1.00mm间距的CCGA，焊膏量为0.06立方毫米，模板厚度0.20mm，开口直径0.74mm焊膏印刷：1.27mm PBGA和0.5mm间距QFP及1608以上的部件，使用25-45um

13、合金粉，1.0mm BGA或0.75mm以上的CSP、1005以上的部件使用25-38um合金粉。为了防止Ag的沉淀现象，一般采用含Ag的焊料。模板设计间距焊球直径模板孔径模板厚度返修用模板厚度1.27mm0.76mm0.61mm0.15mm0.10mm1.00mm0.63mm0.51mm1.00mm0.50mm0.12mm0.10mm0.80mm0.46mm0.38mm焊膏添加方法方法优点缺点微模板成本低，使用方便要求开发一些技术以获得良好的结果，表面准备很关键，焊膏量和模板配准可能改变涂助焊剂成本最低，使用方便，焊接可靠在所有应用中不能满足长期可靠性，不能用于陶瓷元件元件上印刷降低了手工加

14、工可变性，返修位置变化对结果影响较小，元件可以离线准备成本高，所需开发量大，元件要求定制模板自动滴涂自动化工艺，不需要模板成本高，工艺参数可能导致沉积的可变性，大元件滴涂时间长3.6器件贴装BGA的准确贴装很大程度上取决于贴片机的精确度，以及镜像识别系统的识别能力。目前市场上各种贴片机，其精确度已达到0.001mm左右，另外由于BGA器件在再流焊接过程中具有自动排列定位的能力，允许有50的贴片精度误差，所以在贴片精度上不会存在问题。只要BGA器件通过镜像识别，就可以准确的贴装在印制线路板上。有时通过镜像识别的BGA并非100的焊球良好的器件，有可能某个焊球在Z方向上略小于其他焊球。为了保证焊接

15、良好，通常可以将BGA器件厚度减去25.4150.80m，同时使用延时关闭真空系统约400ms，使BGA的器件在贴装时其焊球能够与焊膏充分接触，减少BGA某个引脚虚焊的现象。对于BGA和CSP不可采用上述方法，以防止出现桥接等不良焊接现象。元件贴装定位外型尺寸较小的CCGA可以通过陶瓷芯片的外框来确定元件的中心位置。PCB上设计外型定位线，线宽一般为0.2-0.25mm，如图 所示，用来贴片时的定位。另一种对位方式是根据焊柱阵列对位，即根据焊柱阵列的中心位置。3.3 BGA再流焊工艺焊接前设计PCB时，BGA所有焊点的焊盘设计需一样大。此外，由于阻焊膜不合格会造成的很多焊接失败，所以在焊接前要

16、先检查焊盘周围的阻焊膜是否合格。焊接面焊盘周围的过孔一定要涂阻焊膜，目的是为了避免在焊接时空气从下面进来形成空洞，同时可避免在焊接时焊料从通孔中流出。再流焊接是BGA装配过程中最难控制的步骤，因此获得较佳的再流曲线是得到BGA良好焊接的关键所在。在焊接过程中，要保证焊接曲线平滑，器件均匀受热，尤其是焊接区，要保证所有焊点充分熔化。在测量再流焊接的温度曲线时，其测量点应在BGA引脚与线路板之间，测温探头尽量不要用高温胶带，而采用高温焊膏焊接，固定热电偶，保证获得较为准确的曲线数据。温度均匀性方面要保证元件表面、焊点和PCB底部两两之间温度差小于10。（1）预热阶段这一段时间内使PCB均匀受热温，

17、并活化助焊剂。一般升温的速度不要过快，控制在3/s以下，防止PCB受热过快而产生较大的变形。较理想的升温速度为2/s，时间控制在6090秒之间。（2）浸润阶段这一阶段助焊剂开始挥发。温度在150180之间应保持60120秒，以便助焊剂能够充分发挥其作用。升温的速度一般在0.30.5/s。（3）再流阶段这一阶段的温度已经超过焊膏的溶点温度，焊膏溶化成液体，元器件引脚上锡。该阶段中温度在熔点以上的时间应控制在6090秒之间。如果时间太少或过长都会造成焊接的质量问题。其中温度在峰值范围内的时间控制相当关键，一般控制在1020秒为最佳。（4）冷却阶段这一阶段焊膏开始凝固，元器件被固定在线路板上。降温的

18、速度不能够过快，一般控制在4/s以下，较理想的降温速度为3/s。由于过快的降温速度会造成线路板产生冷变形，引起BGA焊接的质量问题，特别是BGA外圈引脚的虚焊。3.7 BGA焊后检测BGA技术将原来器件PLCC/QFP封装的“J”形或翼形引线，改变成球形引脚；把从器件本体四周“单线性”顺列引出的引线，改变成本体腹底下“全平面”式的格栅阵排列。这样既可以疏散引脚间距，又能够增加引脚数目。BGA焊接后焊点隐藏在封装之下，要了解和测试影响其长期工作可靠性的物理因素，例如焊料量、导线与焊盘的定位情况以及润湿性等，不可能100目检表面安装的焊接质量。目前BGA器件装配控制装配工艺过程质量和鉴别缺陷的办法

19、主要有光学检测、电检测、边界扫描及X射线检验。在现代PCB设计中，球栅阵列(BGA)和其它面积排列元件(area array device)的使用很快变成为标准。许多电子装配制造商面对一个检查的难题：保证正确的装配和达到过程合格率，而传统的确认方法已经不再足够。今天，越来越多的制造商选择X射线来满足检查要求。通过使用X射线检查，BGA、微型BGA和倒装芯片元件的隐藏焊点的特性可以用可靠的和非破坏性的的方式在生产运行的早期检查出来。还有，大多数人员可以作出通过/失效的决定。在BGA使用到产品设计中之前，多数PCB制造商不在其检查工艺中使用X光系统。传统的方法，如自动光学检查(AOI, autom

20、ated optical inspection)、人工视觉检查、包括制造缺陷分析(MDA, manufacturing defect analysis)的电气测试、和在线与功能测试，用来测试PCB元件。可是，这些方法不提供隐藏焊接问题(如空洞、冷焊和焊粘接差)的准确检查。X射线检查可有效地发现这类问题，监测质量保证和提供过程控制的即时反馈。（1）目视对于BGA等封装阵列来说，在没有检查设备的情况下，先目视观察最外面一圈焊点的塌陷是否一致，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球也可以看见。但是不能检测到内部缺陷（如空洞）。（2）外观可视化光学检测

21、系统该系统的核心是一个双组件的头，如图5所示，由一个光纤光源和一个安装在非常精确的X/Y平板之上的光学仪器头组成，受检测的PCB板就放在下面。当检测时，把头降低到部件，放大镜在部件的一边，而光源在另一边从背后照亮。通过沿部件逐行进行检测焊点。通过调整视野可以看见内部互连并可进行评价。所用这一切都通过一个组合在显微镜中的高分辨率CCD彩色摄像机投射到一个平面监视器上。内窥镜检测（3）电测试与边界扫描检测传统的电测试是查找开路与短路缺陷的主要方法。其唯一目的是在板的预置点进行实际的电连接，这样便可以提供使信号流入测试板、数据流入ATE的接口。如果印制电路板有足够的空间设定测试点，系统也可检查器件的

22、功能。测试仪器一般由微机控制，检测每块PCB时，需要相应的针床和软件。对于不同的测试功能，该仪器可提供相应工作单元来进行检测，例如测试二极管、三极管时用直流电平单元；测试电容、电感时用交流单元；测试低数值电容、电感及高阻值电阻时用高频信号单元。边界扫描技术解决了一些与复杂器件及封装密度有关的问题。采用边界扫描技术，每一个IC器件设计有一系列寄存器，将功能线路与检测线路分离开，并记录通过器件的检测数据。测试通路检查IC器件上每一个焊接点的开路、短路情况。基于边界扫描设计的检测端口，通过边缘连接器给每个焊点提供一条通路，从而免除全节点查找的需要。尽管边界扫描提供了比电测试更广的不可见焊点检测范围，

23、但也必须为扫描检测专门设计印制电路板与IC器件。电测试与边界扫描检测主要用以测试电性能，判断导电电流是通还是断，却不能较好地检测焊接质量。如果辅助于非物理焊接点测试，将有助于组装工艺过程的改善和SPC（统计过程控制）。（4）X射线测试可以用于对整个BGA器件组装工艺过程进行精确测量和质量检测的检验设备非常少，自动化激光检测设备能够在元器件贴装前测试焊膏的沉积情况，但是它们的速度缓慢，且不能用来检验BGA器件焊点缺陷。声学显微镜用来检查聚酰亚胺和陶瓷封装的BGA焊点，但不能检测BT树脂材料封装的BGA焊点。X射线透视图可显示焊接厚度、形状及质量密度分布。厚度与形状不仅是反映长期结构质量的指标，在

24、测定开路、短路缺陷及焊接不足方面，也是很好的指标。此技术有助于收集量化的过程参数并检测缺陷。X射线图像检测原理：X射线由一个微焦点X射线管产生，穿过管内的一个铍窗，并投射到实验样品上。样品对X射线的吸收率或透射率取决于样品所包含材料的成分与比率。穿过样品的X射线轰击到有磷涂层的图像探测器并激发出光子，这些光子随后被摄像机探测到，然后对该信号进行处理放大，由计算机进一步分析。不同的样品材料对X射线具有不同的吸收率（见表7），处理后的灰度图像显示随检查的物体密度或材料厚度的差异。表7 不同材料对X射线的不透明度系数材料用途吸收率塑料包装极小金芯片引线键合非常高铅焊料高铝芯片引线键合，散热片极小锡焊

25、料高铜PCB印制线中等环氧树脂PCB基板极小硅半导体芯片极小l 人工X射线检测使用人工X射线检测设备，需要逐个检查焊点并确定其是否合格。该设备配有手动或电脑辅助装置，以便更好地进行检测和摄像。详细定义的标准或目视检测图表可指导评估检测结果。通常的目视检测要求培训操作人员，并且容易出错，且人工设备并不适合对全部焊点进行检测，只适合工艺鉴定和工艺故障分析。l 自动X射线检测自动检测系统能对全部焊点进行检测，通常用于产量高且品种少的生产设备上，具有高价值或要求可靠性的产品也需要进行自动检测。检测结果与需要返修的电路板一起送给返修人员，并提供相关的统计资料，用于改进生产工艺。自动检测系统需要设置正确的

26、检测参数。大多数新系统的软件中都定义了检测指标，但必须重新制订，定义所要检查焊点的面积和高度或把焊点剖成不同的截面，以适应生产工艺中所特有的因素，否则可能得到错误的信息且降低系统可靠性。自动检测系统有两种工作模式：直射式X射线测试系统和断面X射线自动测试系统。直射式X射线系统源于X射线束沿通路复合吸收的特性，对SMT的某些焊接，如单面PCB上的J型引线与细间距QFP等，是测定焊接质量最好的方法，且设备比较便宜，但它却不能区分垂直重叠的特征。当PCB两面的同一位置都有元件的情况下，这些焊料形成的阴影会重叠起来，分不清是那一层的问题；另外当BGA器件的焊缝被其内部引线遮掩时，也存在上述这个问题。断

27、面X射线测试系统克服了这些问题，它设计了一个聚焦断面，并通过使目标区域上下平面散焦的方法，将PCB的水平区域分开。该系统的成功在于只需较短的测试时间，就能准确检测出焊接缺陷。对于小体积的复杂产品，最好使用断面X射线测试系统。虽然所有方法都可检查焊接点，但断面X射线测试系统提供了一种非破坏性的测试方法，可检测所有类型的焊接质量，并获得有价值的调整组装工艺的信息。l 断面X射线自动测试断层剖面测量了每个“切片”的4个基本物理参数：焊点的中心位置，焊点的直径，与焊点中心同轴的5个圆环的各自焊料厚度，焊点相对于已知圆度的圆形的形状误差。焊点中心位置在不同切片影像中的相对位置则表明BGA器件在PCB焊盘

28、上的移位情况；焊点直径测量表示焊点中焊料量与标准焊料量相比的相对量；在焊盘位置的直径测量则表示因焊膏印刷或焊盘污染引起的开路情况，而在焊球处的直径测量则表示焊点共面性情况，各个同轴圆环的焊料厚度测量以及它的变化率则判断焊点中焊料的分布情况，对确定润湿不良和气孔缺陷更为有效。焊点的圆度表示与标准圆相比，焊点周围焊料分布的均匀性，为判定器件移位和焊点润湿情况提供数据。焊料的数量以及它在连接点的分布情况，通过在BGA焊点上的二个或更多个不同的高度（如印制电路板焊盘接触面，元器件接触面，或元器件和印刷电路板之间的一半高度）所产生的横截面图像或“水平切片”予以直接测量，再结合同类BGA连接点的多次切片测

29、量，能够有效地提供三维测试。根据BGA连接点的常规结构，在每个横截面X射线图像“切片”内，具体连接点的特征被进行分离并予于以测量，从而提供定量的统计工艺控制（SPC）测量，SPC测量能够用于追踪过程偏移，以及将其特征归入对应的缺陷范畴。l 选择合适X射线检测系统选择适合实际生产应用的、有较高性能价格比的X射线检测系统以满足质量控制需要是一项十分重要的工作。最近较新的超高分辩率X射线系统在检测及分析缺陷方面已达微米水平，为生产线上发现较隐蔽的质量问题（包括焊接缺陷）提供了较全面、省时的解决方案。在决定购买检测X射线系统之前，一定要了解系统所需的最小分辩率（见表8），与此同时也就决定了所要购置的系

30、统的大致价格。（空洞检测分辨率一般为球径的1/10）表8 不同分辩能力的X射线系统的应用系统应用的几个方面系统所需最小分辩率整体缺陷检查50um一般PCB检测与质量控制BGA检测10um细间距引线与焊点检测5umuBGA检测倒装片检测PCB缺陷分析与工艺控制键合裂纹检测1um微电路缺陷检测4.BGA焊点缺陷及相关接收标准BGA典型缺陷为桥连、开路、焊球丢失、焊料不足、大空洞、移位、大焊球和焊点边缘模糊。IPC-A-610C的12.2.12专门对BGA焊点接收标准进行了定义：焊点光滑、边界清晰，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一致，位置对准，无偏移或扭转，无焊球和无空洞等。实际中标准可以适当

31、放松，如允许BGA焊点相对于焊盘有不超过25的偏移量，焊料球不能大于相邻最近的两个焊球间距的25。BGA焊点空洞是常见的一种缺陷，它的存在容易产生应力集中，对焊点可靠性产生影响。但是空洞的存在由于减少了焊料球所占空间，也就减少了焊球上的机械应力。空洞一般出现在三个层：元件层、焊盘层，焊料层。空洞有可能在焊接前就存在BGA焊球中，也可能在焊接后出现。由于焊膏材料或焊盘表面或电路板设计时焊盘附近存在过孔，都会产生气孔。焊球内部允许有小尺寸的空洞存在，IPC-7095中规定：焊盘层的空洞面积不能大于焊球面积的10，即空洞直径不能超过焊球直径30；焊料层（空洞位于焊球中间）的空洞面积不能大于焊球面积的

32、25，即空洞直径不能超过焊球直径的50。空洞面积占焊球面积的比例可以按如下方法计算：如果空洞直径是焊球直径的50，那么空洞面积是焊球面积的25。由于来自正常环境使用的应力所造成的PCA的挠曲可造成一个有空洞朝焊盘/锡球连接外边或大空洞的焊锡点裂开。X射线检查发现的大于BGA直径35%的或在焊点外的空洞应该看作不可接受。 如果空洞完全被包住，锡点裂开是不可能的，因为应力一般会均匀地作用于焊盘/锡球焊点。不管怎么样，大于35%的锡球直径的空洞表示一个工艺过程有关的问题，不应该接受。空洞焊接空洞是由加热期间焊锡中夹住的化合物的膨胀所引起的。虽然有空洞的BGA焊接点可能表示会引起将来失效的工艺问题。焊

33、接点中可接受的标准不应该超过锡球直径的20%，并且没有单个空洞出现在焊接点外表。多个空洞可能出现在焊点中，假设空洞的总和不超过锡球直径的20%。脱焊焊点不允许脱焊焊点。锡桥和短路当过多焊锡在接触点或者当焊锡放置不当时，经常发生桥接和短路。在接收标准中，不能存在短路或桥接的焊点，除非它们专门设计成底层电路或BGA。不对准X光图象将清楚地显示是否BGA球没有适当地对准PCB上的焊盘。不对准是不允许的。开路和冷焊点当焊锡和相应的焊盘不接触或者焊锡不正确流动时，发生开路和冷焊点。这种情况不允许。不接触一旦元件已经贴装在PCB上，丢失或误放的焊锡和锡球是不允许的。X光评估含有BGA的PCA必须使用能够分

34、辨至少小于100微米直径孔的X光系统来评估。X光系统必须能够允许在测单元(UUT, unit under test)从上往下和倾斜两个方向观察。使用实时X光检查来评估焊接点和保证一个高的过程合格率已经成为成功的BGA装配的一个必要元素。对于这些无引脚装配，X光为成功的焊接运行和可靠的焊点取得实际的认可。如果生产运行协调良好，使用现代回流炉，BGA的自我对中特性使得X光检查也将找不出太多的缺陷。如果是这样，应该马上检查工艺过程，以决定是否和在哪里已经超过参数极限。缺陷分析蝶性焊球贴片后自动校正焊球高度降低近50，焊球直径增加约17，导致焊球总面积增大37焊球丢失桥连焊点变大 焊点开路4.1不可拆

35、BGA焊接点的断路不可拆BGA焊接点处所发生的断路现象，通常是由于焊盘污染所引起的，由于焊料不能润湿印刷电路板上的焊盘，它向上“爬”到焊料球一直到元器件界面上。如前面所叙，电子测试能够确定断路现象的存在，但是不能区别这是由于焊盘污染所引起的呢？还是由于焊料漏印工艺过程控制不住所引起的？利用X射线设备进行测试，也不能揭示断路现象，这是因为受到前置焊科球“阴影”的影响。利用横截面X射线检测技术，能够通过在焊盘层和元器件层中间获取的图像切片，辩别出这种由于污染所引起的断路现象。由于污染所引起的断路现象，会产生细小的焊盘半径和较大的元器件半径尺寸，所以可以利用元器件半径和焊盘半径的差异来区分断路现象是

36、否是由于污染引起的。由于焊料不足所引起的断路现象其半径之间的差异是非常小的，只有利用横截面x射线检测设备才能够辩别出这一差异。4.2可拆卸BGA焊接中空隙可拆卸BGA焊接中的空隙是由于流动的蒸汽被截留在低共熔点焊料焊接处所产生的。在可拆卸BGA焊接点处出现空隙是一种主要的缺陷现象。在再流焊接期间，由于空隙所产生的浮力影响集中作用在元器件的界面上，因此所涉及到的绝大数焊接点失效现象，也都发生在那里。所出现的空隙现象可以通过在实施再流焊接工艺过程期间进行预加热，以及通过增加短暂的预热时间和较低的预热温度予以消除。当空隙超过一定的尺寸大小、数量或者密度时可靠性将明显降低，不过现在也有一种说法认为，不

37、要对空隙予以限制，而是要加速其破裂扩散，使其早日失效并予以剔除。可拆卸BGA焊接中的空隙，可以通过在元器件层获取的横截面x射线图像切片中清晰地农现出来。有些空隙在这些图像内能够被确定和测量，或者通过左DGA焊接点半径处所产生的显著增加现象而被间接地表现出来。5.可靠性影响由于焊剂直接影响到电迁移和表面绝缘电阻，所以焊后一般要求清洗，但BGA底部焊剂清洗是非常棘手的工作，所以推荐使用免清洗助焊剂，就可以不必清洗了。BGA的底层填充密封剂可以承受机械冲击，提高可靠性和热循环性能，目前采用全部填充和四点填充两种方式。填充有硅的底层填充密封剂由于CTE较低，热循环性能更佳。无填料的底部填充密封剂粘性和

38、密度较低，更容易喷涂，且在器件的底部快速流动，从而使用低成本的设备。（1）芯片/封装的比率高，可靠性好（2）焊盘较大时，可靠性好（QFN）（3）薄板可靠性好于厚板可靠性（4）散热焊盘焊到PCB上可靠性好于不焊（QFN）（5）温度循环条件的影响：相同高温温差引起的损坏程度比低温要大，高温变率条件下失效循环次数比低温变率条件下失效循环次数要低（6）塑封材料满足两个要求：必须满足最小封装级别即潮湿敏感级别的可靠性要求；必须保证封装元件安装到板上可靠性达到可接受要求。提高可靠性方法（1）提高元件离板高度（2）形成焊料带（QFN）6.BGA返修6.1BGA返修工艺BGA返修工序一般包括元件检查、元件拆除

39、、返修位置清洗之后阻焊膜检查、微模板印刷后印刷质量检查、放置元件之后开始再流焊前的拾取和防止对中。对球栅陈列芯片（如BGA，CSP）进行返修时，应该意识到制程控制对成功的进行芯片返修的重要性，标准的方法是对于单芯片的起拔和贴装尽可能的模拟生产过程中的工艺和再流参数设置，这就意味着我们对一芯片进行返修时，就必须在电路板的特定区域进行加热。对不定区域进行加热有时会发生钎焊失败，尽管所有参数设定看起来都是正确的。返修BGA是迫不得已的办法，修复一片BGA要费很长时间，而且还须有合适的焊料球和能够精确定位的返修工具。目前植球的方法很多，但实际操作时植球的成功率很低。即使修复好了再焊接上去，这个芯片已经

40、承受了至少4次再流周期，肯定会影响焊接的可靠性。尽量减少或消除缺陷，不返修，这才是所追求的目标。大多数半导体器件的耐热温度为240260，对于BGA返修系统来说，加热温度和均匀性的控制显得非常重要。芯片供应商要求芯片表面最高温度为265，芯片表面温度、焊点温度和电路板底部的最大温差由传统的10变为无铅化后的5。芯片焊接常用温度为240250，接近焊接温度225235，再流时间缩短，这要求返修系统需要快速升温降温功能。BGA返修步骤主要包括电路板、芯片预热；拆除芯片；清洁焊盘；涂焊膏及助焊剂；贴片；再流焊。（1）电路板、芯片预热的主要目的是将潮气去除，如果电路板和芯片内的潮气很小（如芯片刚拆封）

41、，这一步可以免除。（2）拆除的芯片如果不打算重新使用，而且PCB可承受高温，拆除芯片可采用较高的温度（较短的加热周期）。（3）清洁焊盘主要是将拆除芯片后留在PCB表面的助焊剂、焊膏清理掉，必须使用符合要求的清洗剂。为了保证BGA的焊接可靠性，一般不能使用焊盘上旧的残留焊膏，必须将旧的焊膏清除掉，除非芯片上重新形成BGA焊球。由于BGA芯片体积小，特别是CSP（BGA），芯片体积更小，清洁焊盘比较困难，所以在返修CSP芯片时，如果CSP的周围空间很小，就需使用免清洗焊剂。（4）在PCB上涂焊膏/助焊剂对于BGA的返修结果有重要影响。一种较新的焊膏沉积方法是使用模板直接把焊膏印刷在CSP或LGA上

42、，这种方法易于掌握，焊膏释放性和一致性好。通过选用与芯片相符的模板，可以很方便地将焊膏涂在电路板上。处理CSP芯片，有3种焊膏可以选择：RMA焊膏，免清洗焊膏，水基焊膏。使用RMA焊膏，再流时间可略长些，使用免清洗焊膏，再流温度应低些。（5）贴片的主要目的是使BGA芯片上的每一个焊球与PCB上每一个对应的焊点对正。由于BGA芯片的焊点位于肉眼不能观测到的部位，所以必须使用专门的设备来对中。（6）要保证焊点不会产生脆化的现象就要对润湿和温度进行良好的控制，这就要对加热、升温和降温速率进行更好的控制，特别是底部加热。在加热方式的选择上热风加热（对流方式）要优于红外加热（辐射方式），不能采用烙铁（传

43、导方式）进行加热。6.2 BGA返修工具返修的核心问题是如何实现最佳再流焊曲线。一旦电路板结构和板上元器件分布确定，对于焊接而言此电路板就只有一条最佳的再流焊接曲线实现最佳期的焊接。如何取得最佳焊接条件，这对工艺人员构成了直接的挑战。在返修过程中由于使用的设备、辅料等变量的局限性，工艺人员有时不得不作出各种折衷的选择。不论设备采用何种加热方式反馈控制电路，单芯片返修设备是在全封闭状态下进行焊接过程控制。由于被返修芯片周围已经有了其它元器件，目前世界上的单芯片返修（无过程控制系统）和单芯片返修系统（全过程控制）均采用开放式加热系统。因此无论是红外、热板、红外+热板，还是热风加热系统都面临着同样的

44、技术要求，即如何控制再流焊曲线接近或重复批量生产中SMT再流焊接曲线。（1）红外加热设备无铅焊接温度高且工艺窗口窄，执行无铅焊接的设备必须具有良好的降温性能。由于红外热源通常为高密度的陶瓷加热体，尽管系统采用了温度反馈控制，但由于热源惰性大且红外加热是辐射式加热，即使切断电源，热能辐射并不能瞬间消失，仍然会产生对芯片的温度过冲。因此采用红外加热的返修系统不能控制降温曲线，也就是说不能很好地控制再流焊区的形成。红外加热技术的致命缺陷是点热源，其加热原理是直接对物体加热会造成热能量穿透芯片再到达焊球。由于器件是由不同颜色和材质的材料构成，因此各处所吸收的红外线波长不同，从而造成器件各部位的温度不同

45、，很容易造成过热损伤。有人对BGA采用红外顶部加热，实验结果显示BGA芯片处的温度可达246.5，而此时焊球的温度为189，因此很容易造成过热损伤。表 为不同颜色对红外的吸收率。最新红外辐射选择波长在28m的暗红辐射器，使色敏感问题大大减小，改善了温度不均匀性。为降低红外加热的不均匀性，通常在红外加热源的上面附加一个金属散热板来克服加热不均匀的缺陷（全金属板状或带孔金属网状），但由于加热靠红外辐射，难以从根本上解决不均匀加热的问题。采用金属、陶瓷等高密度散热材料可以一定程度地改善加热的均匀性，但同时又会加大其热惰性。表 各种颜色对红外的吸收率颜色红外吸收率白色35浅绿色55红色65黑色90由于

46、芯片焊脚的温度永远高于整体电路板的温度，底部加热采用红外加热的不均匀性会造成电路板变形，造成电路板上的其它元器件的焊点受到很大的变形应力，结果整个电路板在单芯片返修后的可靠性不可预测，对大尺寸电路板、多层板和带有大面积接地布线的电路板，采用红外加热技术的设备进行可靠焊接几乎是不可能的。另外由于红外加热不采用喷嘴，其加热面积几乎为正方形，如所要加热器件为长方形，则相邻器件将遭受二次熔锡。由此可见，采用红外加热技术的设备由于存在不可克服的缺点，如升、降温慢，均匀性差，加热体热惰性大等，并不能满足无铅焊接的基本要求。（2）热风加热设备热风再流焊是整个返修工艺的关键，有几个问题比较重要。第一，芯片返修

47、再流焊的曲线应当与芯片的原始焊接曲线接近，热风再流焊曲线可分成四个区间：预热区，加热区，再流区，冷却区，四个区间的温度，时间参数可以分别设定。第二，再流焊过程中要正确选择各区的加热温度和时间，同时应注意升温的速度。一般在100以前，最大的升温速度不超过6/秒，100以后最大的升温速度不超过3/秒，在冷却区最大的速度不超过6/秒。过高的升温速度和降温速度都可能损坏PCB和芯片，这种损坏有时是肉眼不能观察到的。不同的芯片、焊膏，应选择不同的加热温度和时间，如CBGA芯片的再流温度应高于PBGA的再流温度。对免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此焊接温度不宜过高，焊接时间不宜过长，以防止焊膏颗粒的氧化

48、。第三，热风再流焊中，PCB板的底部必须能够加热。这种加热的目的有二个：避免由于PCB板的单面受热而产生翘曲和变形；使焊膏溶化的时间缩短。对大尺寸板返修BGA，这种底部加热尤其重要，一种采用热风加热和红外加热。热风加热的优点是加热均匀，一般返修工艺建议采用这种加热。红外加热的缺点是PCB受热不均匀。第四，要选择好的热风再流喷嘴。热风再流喷嘴属于非接触式加热，加热时依靠高温空气流使BGA芯片上的各焊点的焊膏同时溶化。这种喷嘴将BGA元件密封，保证在整个再流过程中有稳定的温度环境，同时可保护相邻元件不被对流热风加热损坏（如图 所示）。热风再流焊由于喷嘴结构复杂，价格昂贵，用户在选购时很难配齐。图

49、BGA返修热风喷嘴（3）全过程控制热风加热与红外加热比较表 为全过程控制热风加热与红外加热比较，可以看出全过程控制热风加热比红外技术更可靠。不推荐采用热板和红外预热装置，原因是因为热感应时间、能量转换率及效率完全不一致，且没有升温和保温的能力用来支持复杂温度曲线的建立和运行。不过其可以加热物体表面，可用于大块金属和接地印制板的有限使用中。表 红外与全过程控制热风加热技术比较红外加热全过程控制热风加热热惰性大，因此热量控制难度大热量控制容易热惰性大，降温过程几乎不可控降温控制容易随芯片材质的不同，热量吸收差异很大不受芯片材质的影响点热源加热，电路板易变形电路板受热均匀，不易变形6.3 BGA焊盘

50、修复由于多次返修或其它原因，BGA焊盘翘起或脱落，必须进行修复。修复步骤如下：（1）清洁要修理区域，去掉失效的焊盘和一小段连线，用刀刮掉残留胶、污点贺烧伤材料，刮掉需要连线处的阻焊或涂层，清洁区域。（2）在需要连接处蘸少量助焊剂，上锡后清洁，保证连接处搭接长度不小于两倍线宽。（3）将新的BGA焊盘的连线插入原来通路孔中，去掉阻焊，适当处理保持平滑，如有纤维层暴露或表面刮伤，都应先处理。此工序最重要就是保证高度，必要时要微磨板面以保证高度不会干涉更换的元件。注意要去掉BGA焊盘和连线或通孔之间的阻焊层，保证一个较低的轮廓。（4）选择一个BGA的替换焊盘，这些新焊盘是用铜箔制作，顶面镀锡，底面由胶

51、粘剂。修整时用刀小心刮掉胶粘剂，剪掉过多的连线，顶面放置高温胶带，将新焊盘放置在PCB指定位置，用胶带帮助定位。然后选用合适粘结焊嘴的粘结压力机施压进行修复。（5）完毕，蘸少量助焊剂到焊接连线搭接部位，把新焊盘的连线焊接到PCB表面线路上，涂混合树枝在焊接连线搭接出，然后固化。（6）按照要求涂表面涂层，进行检测。6.4 BGA热风返修工艺及焊接缺陷（1）返修工具使用无力移动技术来从板上移去元件。返修开始时，真空吸取管降低来感应元件高度，然后升到特定的高度。热风喷嘴加热元件到焊膏再流温度，真空吸嘴降低到预定高度，打开真空，移去元件而不破坏共晶焊点。取下元件后，返修工具的偏置底板温度要设定到150

52、C左右的温度，均匀地加热基板，减小返修位置的温度斜率，防止大的温度斜率引起局部板的翘曲。（2）移去焊盘上的焊膏，直到焊盘表面平坦。涂覆助焊剂在所需位置，预热到适当位置后，使用焊膏真空工具把焊膏吸上到真空管，然后用异丙醇清洁焊盘，检查是否损坏。使用无麻刷擦过板面来涂覆助焊剂，贴装新元件，进行再流焊。温度曲线必须符合焊膏制造商推荐的再流焊曲线要求。由于不同板面吸热不同，内层和相邻元件不同，返修的每个元件应单独制定曲线，将过热、加热不足或焊盘起脱的危险减到最小。（3）元件贴装和再流是最困难的。在给座子上助焊剂后，贴装元件和再流座子，通常元件会偏斜。在不同情况下，元件锡球在板上焊盘内熔湿不均匀。人们相

53、信，元件太轻，在热风喷嘴内移来移去。这种现象甚至发生在返修工具所允许的低气流量情况。为了防止元件移动，返修工具设定程序，在贴装之后把真空吸取管留在元件顶上，直到通过温度曲线的预热部分。当再流周期开始时，真空管回轻轻缩回，允许元件熔湿焊盘而不损坏焊接点。这个方法使用很好，但有一些缺点。再流期间，元件上的吸取管的高度和重量有时会造成锡桥。真空吸取管似乎也会降低BGA的自对中能力。印刷电路板和芯片在返修中，由于PCB上下温差过大引起的翘曲是造成焊接问题，如虚焊和桥接的主要原因，见图 所示，需使用特殊的支持块来防止翘曲，通过预热以减少可能引起翘曲的温度差。薄板会在高度读数的压力下向下弓，随后在加热过程

54、中向上翘曲。这意味着不得不在每一步中增加额外的高度。板即使是微小的变形都会导致问题的出现，芯片翘曲也同样产生同样的问题。PBGA与PCB板的间隙一般为0.020英寸，在芯片范围即使0.005英寸的变形都足以引起虚焊现象的发生；器件越大就越容易产生这些问题，并且越向芯片中间问题越严重。桥连通常发生在芯片外围焊点，特别是在四角上。即使电路板和芯片在焊接没有出现明显的问题，电路板回复到正常位置也会对焊点产生持续的拉力，导致长期可靠性问题。图 虚焊图 桥连器件分层也是返修中容易出现的问题。塑料封装通常是吸湿的，也就是说芯片会吸收空气中的潮汽。如果芯片被快速加热，潮气扩散会在芯片内部形成空穴，这就是我所

55、说的“爆米花”现象。一般在返修之前对芯片和电路板慢速烘干，慢慢的驱走潮气。一些公司已将此做为在进行任何返修前必须做的标准工序。在芯片范围的温差T较大致使返修和生产出现不同时熔锡的问题，促使着生产商力图得到同时熔锡的原因。为了避免喷嘴内的湿差对钎焊带来的影响，在设定再流曲线参数时要使焊点尽快通过焊锡熔点。助焊剂使用是很主观的，一个技术员与另一个技术员差别很大。太多的助焊剂产生一层液体，再流期间可产生像CSP元件等漂移；太少助焊剂意味着当热风开动流动时，没有足够的粘性来保持元件在位置上。较近的研究指出：对BGA本身，而非板焊接点上的助焊剂改进，提高了返修效率。为了解决焊接问题，无铅BGA返修焊接曲

56、线需要进行优化：提高预热温度，加快溶剂挥发，减少空洞；加长浸润阶段时间，保证焊点润湿性，便于BGA受热均匀；加快冷速，利于IMC快速形成，提高焊点可靠性；缩小上下热风温差，避免PCB基板变形；降低峰值温度，延长再流时间，避免BGA因温度过高产生翘曲。对喷嘴/加热器要求可进行PCB预热，可进行自动化/可编程的顶部/喷嘴高度调整，顶部带有元件放置力传感器，热风流可通过编程改变大小，具有不同尺寸的喷嘴系列，喷嘴防止热风流偏离向相邻元件，喷嘴带有实时真空传感器，提高喷嘴热容量和控制，开发交互式底部加热器控制，开发通用的PCB支撑系统，具有自动化校准顺序。 返修系统通过控制喷嘴边缘底部到PCB板面的高度来调整气流和传热效果。CCGA封装有很大热容量