BGA的设计制造生产原理

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BGA焊接 　　
) D/ V4 l% s! D" G+ G: p  a9 G　　如FPGA/cpld 主板南北桥，手机芯片，它的焊接是否良好，直接关系到所做产片的可靠性和寿命，我焊接由BGA封装的芯片不久，想写点感想，希望大家多多指教。
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　　1 工艺技术原理

1 u, c7 ~/ R' t# O' ^　　BGA焊接采用的回流焊的原理。这里介绍一下锡球在焊接过程中的回流机理。

　　当锡球至于一个加热的环境中，锡球回流分为三个阶段：
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　　预热：
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% `) S, {- G/ ]- t( r; D/ l* }　　首先，用于达到所需粘度和丝印性能的溶剂开始蒸发，温度上升必需慢(大约每秒5° C)，以限制沸腾和飞溅，防止形成小锡珠，还有，一些元件对内部应力比较敏感，如果元件外部温度上升太快，会造成断裂。
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　　助焊剂（膏）活跃，化学清洗行动开始，水溶性助焊剂（膏）和免洗型助焊剂（膏）都会发生同样的清洗行动，只不过温度稍微不同。将金属氧化物和某些污染从即将结合的金属和焊锡颗粒上清除。好的冶金学上的锡焊点要求“清洁”的表面。

　　当温度继续上升，焊锡颗粒首先单独熔化，并开始液化和表面吸锡的“灯草”过程。这样在所有可能的表面上覆盖，并开始形成锡焊点。

$ C/ x% H4 H6 c: x6 `2 F' M　　回流：
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( k9 P# L! F& N  \4 M　　这个阶段最为重要，当单个的焊锡颗粒全部熔化后，结合一起形成液态锡，这时表面张力作用开始形成焊脚表面，如果元件引脚与PCB焊盘的间隙超过4mil（1 mil = 千分之一英寸），则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开，即造成锡点开路。
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5 L& J; `7 I& j- |　　冷却：

　　冷却阶段，如果冷却快，锡点强度会稍微大一点，但不可以太快而引起元件内部的温度应力。

　　1.1采用的工艺原理

$ z! H0 l6 T7 i4 |# c0 @　　对于BGA的焊接，我们是采用BGA Rework Station（BGA返修工作站）进行焊接的。不同厂商生产的BGA返修工作站采用的工艺原理略有不同，但大致是相同的。这里先介绍一下温度曲线的概念。BGA上的锡球，分为无铅和有铅两种。有铅的锡球熔点在183℃～220℃，无铅的锡球熔点在235℃～245℃.
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4 J$ Y$ Z9 S2 i" I# C8 j　　这里给出有铅锡球和无铅球焊接时所采用的温度曲线。
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　　从以上两个曲线可以看出，焊接大致分为预热，保温，回流，冷却四个区间（不同的BGA返修工做站略有不同）无论有铅焊接还是无铅焊接，锡球融化阶段都是在回流区，只是温度有所不同，回流以前的曲线可以看作一个缓慢升温和保温的过程。明白了这个基本原理，任何BGA返修工作站都可以以此类推。这里，介绍一下这几个温区：

　　预热区：也叫斜坡区,用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。在这个区,电路板和元器件的热容不同,他们的实际温度提升速率不同。电路板和元器件的温度应不超过每秒2～5℃速度连续上升,如果过快,会产生热冲击,电路板和元器件都可能受损,如陶瓷电容的细微裂纹。而温度上升太慢,焊膏会感温过度,溶剂挥发不充分,影响焊接质量。炉的预热区一般占整个加热区长度的15～25 %。

　　保温区：有时叫做干燥或浸湿区,这个区一般占加热区的30 ～ 50 %。活性区的主要目的是使PCB上各元件的温度趋于稳定,尽量减少温差。在这个区域里给予足够的时间使热容大的元器件的温度赶上较小元件,并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。到活性区结束,焊盘、焊料球及元件引脚上的氧化物被除去,整个电路板的温度达到平衡。应注意的是PCB上所有元件在这一区结束时应具有相同的温度,否则进入到回流区将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象。一般普遍的活性温度范围是120～150℃,如果活性区的温度设定太高,助焊剂（膏）没有足够的时间活性化,温度曲线的斜率是一个向上递增的斜率。虽然有的焊膏制造商允许活性化期间一些温度的增加,但是理想的温度曲线应当是平稳的温度。

　　回流区：有时叫做峰值区或最后升温区,这个区的作用是将PCB的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点,而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度范围是焊膏合金的熔点温度加40℃左右,回流区工作时间范围是20 - 50s。这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒2～5℃,或使回流峰值温度比推荐的高,或工作时间太长可能引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损,并损害元件的完整性。回流峰值温度比推荐的低,工作时间太短可能出现冷焊等缺陷。
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　　冷却区：这个区中焊膏的锡合金粉末已经熔化并充分润湿被连接表面,应该用尽可能快的速度来进行冷却,这样将有助于合金晶体的形成,得到明亮的焊点,并有较好的外形和低的接触角度。缓慢冷却会导致电路板的杂质更多分解而进入锡中,从而产生灰暗粗糙的焊点。在极端的情形下,其可能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。冷却段降温速率一般为3～10 ℃/ S。
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) d5 B$ f& t6 w1 E$ L+ w　　1.2工艺方法
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　　在焊接BGA之前，PCB和BGA都要在80℃～90℃，10～20小时的条件下在恒温烤箱中烘烤，目的是除潮，更具受潮程度不同适当调节烘烤温度和时间。没有拆封的PCB和BGA可以直接进行焊接。特别指出，在进行以下所有操作时，要佩戴静电环或者防静电手套，避免静电对芯片可能造成的损害。在焊接BGA之前，要将BGA准确的对准在PCB上的焊盘上。这里采用两种方法：光学对位和手工对位。目前主要采用的手工对位，即将BGA的四周和PCB上焊盘四周的丝印线对齐。这里有个具窍：在把BGA和丝印线对齐的过程中，及时没有完全对齐，即使锡球和焊盘偏离30%左右，依然可以进行焊接。因为锡球在融化过程中，会因为它和焊盘之间的张力而自动和焊盘对齐。在完成对齐的操作以后，将PCB放在BGA返修工作站的支架上，将其固定，使其和BGA返修工作站水平。选择合适的热风喷嘴（即喷嘴大小比BGA大小略大），然后选择对应的温度曲线，启动焊接，待温度曲线完毕，冷却，便完成了BGA的焊接。
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　　在生产和调试过程中，难免会因为BGA损坏或者其他原因更换BGA。BGA返修工作站同样可以完成拆卸BGA的工作。拆卸BGA可以看作是焊接BGA的逆向过程。所不同的是，待温度曲线完毕后，要用真空吸笔将BGA吸走，之所以不用其他工具，比如镊子，是因为要避免因为用力过大损坏焊盘。将取下BGA的PCB趁热进行除锡操作（将焊盘上的锡除去），为什么要趁热进行操作呢？因为热的PCB相当与预热的功能，可以保证除锡的工作更加容易。这里要用到吸锡线，操作过程中不要用力过大，以免损坏焊盘，保证PCB上焊盘平整后，便可以进行焊接BGA的操作了。
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% k% `' s4 _6 K4 n( \4 D) O　　取下的BGA可否再次进行焊接呢？答案是肯定的。但在这之前有个关键步骤，那就是植球。植球的目的就是将锡球重新植在BGA的焊盘上，可以达到和新BGA同样的排列效果。这里详细介绍下植球。这里要用到两个工具钢网和吸锡线
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* i' W5 E$ s/ O; b5 U　　首先我们要把BGA上多余的锡渣除去，要求是要使BGA表面光滑，无任何毛刺（锡形成的）。
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+ K4 k# v3 q- A' P　　第一步——涂抹助焊膏（剂）
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% g" F5 ^. U8 p) d( l! l- @! D　　把BGA放在导电垫上，在BGA表面涂抹少量的助焊膏（剂）。
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. M5 P$ R+ c6 [% c% b1 a3 o# u" h/ I　　第二步——除去锡球

0 ]# f8 O" L  E  B" M　　用吸锡线和烙铁从BGA上移除锡球。在助焊膏上放置吸锡线把烙铁放在吸锡线上面

　　在你在BGA表面划动洗锡线之前，让烙铁加热吸锡线并且熔化锡球。

　　注意:不要让烙铁压在表面上。过多的压力会让表面上产生裂缝者刮掉焊盘。为了达到最好的效果，最好用吸锡线一次就通过BGA表面。少量的助焊膏留在焊盘上会使植球更容易。

' V9 f; ]6 h/ \& S. w* Z　　第三步——清洗

　　立即用工业酒精（洗板水）清理BGA表面，在这个时候及时清理能使残留助焊膏更容易除去。
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9 h9 ~1 U$ j9 l. f6 ~  m9 H8 f　　利用摩擦运动除去在BGA表面的助焊膏。保持移动清洗。清洗的时候总是从边缘开始，不要忘了角落。

　　清洗每一个BGA时要用干净的溶剂

# H! F+ M7 X* e  x& B) o3 |　　第四步——检查
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　　推荐在显微镜下进行检查。观察干净的焊盘，损坏的焊盘及没有移除的锡球。

　　注意:由于助焊剂的腐蚀性，推荐如果没有立即进行植球要进行额外清洗。
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　　第5步——过量清洗
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　　用去离子水和毛刷在BGA表面用力擦洗。
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　　注意:为了达到最好的清洗效果，用毛刷从封装表面的一个方向朝一个角落进行来回洗。循环擦洗。
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　　第6步——冲洗

! b% F" |+ ?  A7 p# O. R$ _　　用去离子水和毛刷在BGA表面进行冲洗。这有助于残留的焊膏从BGA表面移除去。

$ e3 s1 q* W# m! g& @! S1 P4 t) I　　接下来让BGA在空气中风干。用第4步反复检查BGA表面。
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　　如果在植球前BGA被放置了一段时间，可以基本上确保它们是非常干净的了。不推荐把BGA放在水里浸泡太长的时间。
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　　在进行完以上操作后，就可以植球了。这里要用到钢网和植台。
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% _/ j0 U4 O" h/ M% r0 N- n　　钢网的作用就是可以很容易的将锡球放到BGA对应的焊盘上。植球台的作用就是将BGA上锡球熔化，使其固定在焊盘上。植球的时候，首先在BGA表面（有焊盘的那面）均匀的涂抹一层助焊膏（剂），涂抹量要做到不多不少。涂抹量多了或者少了都有可能造成植球失败。将钢网（这里采用的是万能钢网）上每一个孔与BGA上每一个焊盘对齐。然后将锡球均与的倒在钢网上，用毛刷或其他工具将锡球拨进钢网的每一个孔里，锡球就会顺着孔到达BGA的焊盘上。进行完这一步后，仔细检查有没有和焊盘没对齐的锡球，如果有，用针头将其拨正。小心的将钢网取下，将BGA放在高温纸上，放到植球台上。植球台的温度设定是依据有铅锡球220℃，无铅锡球235℃来设定的。植球的时间不是固定的。实际上是根据当BGA上锡球都熔化并表面发亮，成完整的球形的时候来判定的，这些通过肉眼来观察。可以记录达到这样的状态所用时间，下次植球按照这个时间进行即可。
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BGA是PCB不可或缺的一部分，了解它熟悉它才能更好的运用