BGA封裝器件返修技術(shù)

王志才 陳燕娜 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （汕頭 515000）

BGA封裝器件返修技術(shù)

王志才 陳燕娜 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （汕頭 515000）

隨著B(niǎo)GA（Ball Grid Array球柵陣列）封裝器件應(yīng)用的普及化，其返修技術(shù)越來(lái)越受SMT生產(chǎn)企業(yè)所關(guān)注、重視，同時(shí)BGA器件返修成功率也已經(jīng)成為其提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重要參數(shù)。依據(jù)BGA器件返修流程順序，重點(diǎn)介紹BGA器件返修的溫度曲線研究、植球和焊接技術(shù)、技巧。

BGA 返修 植球 溫度曲線

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品對(duì)信息處理能力及存儲(chǔ)空間的要求越來(lái)越高，產(chǎn)品也越來(lái)越向結(jié)構(gòu)小型化、多功能化方向發(fā)展。在電子產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)品的核心技術(shù)——印制電路板的組裝技術(shù)正在發(fā)生著巨大的變革，支持電子產(chǎn)品元器件封裝向高密度封裝器件轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的0.3mm中心距的QFP器件已不能夠滿足產(chǎn)品功能需求，具有多引腳、信息處理量大、芯片尺寸小等特點(diǎn)的BGA（Ball Grid Array球柵陣列）封裝應(yīng)運(yùn)而生，已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品領(lǐng)域。

1.BGA封裝簡(jiǎn)介及返修流程

BGA封裝是利用整個(gè)底部焊錫球來(lái)與電路板連接，這樣極大地提高了器件的I/O數(shù)，縮短了信號(hào)傳輸路徑，具有良好的散熱性能。由于引線短，導(dǎo)線的自感和導(dǎo)線間的互感很低，頻率特性好?；亓骱笗r(shí)，熔融的焊球與焊膏之間的潤(rùn)濕力作用會(huì)產(chǎn)生良好的自對(duì)中效果，允許有1/3焊球直徑的貼片偏差。這對(duì)BGA回流焊及返修成功率起到很好的提高作用。當(dāng)然BGA封裝并非十全十美，由于BGA封裝的焊點(diǎn)隱藏在器件的底部，難以修整，即使一個(gè)焊接端連接不良產(chǎn)生故障，整個(gè)組件都必須拆卸返修，而且要用專門(mén)的返修設(shè)備并根據(jù)一定的返修工藝來(lái)完成。本文就是在這種狀況下提出如何確保BGA芯片的返修和重新植球工藝的質(zhì)量。目的是降低電子產(chǎn)品的電路生產(chǎn)浪費(fèi)，提高生產(chǎn)成品率。通用的BGA器件返修流程圖見(jiàn)圖1。

圖1. 通用的BGA器件返修流程圖

2.返修前的準(zhǔn)備工作

2.1 工具準(zhǔn)備

返修主要工具：一臺(tái)帶視覺(jué)功能的熱風(fēng)返修站和植球工具套裝；

返修輔助工具：電烙鐵、吸錫線、高溫膠紙、錫膏、助焊膏、小毛刷等。

2.2 返修工作臺(tái)準(zhǔn)備

返修工作臺(tái)要求：堅(jiān)固、平穩(wěn)；

防靜電要求：工作臺(tái)面須鋪防靜電墊，配套靜電環(huán)裝置，同時(shí)須檢查確認(rèn)做好接地連接，以免靜電損壞IC，造成更大的損失；

周圍環(huán)境要求：返修工作臺(tái)要設(shè)置在周圍沒(méi)有重型工作設(shè)備的場(chǎng)所，避免受周圍工作環(huán)境影響，致使返修工作臺(tái)出現(xiàn)振動(dòng)而影響B(tài)GA器件返修質(zhì)量。

3.電子產(chǎn)品的BGA器件返修

3.1 溫度曲線研究

溫度曲線包括“拆焊溫度曲線”和“焊接溫度曲線”兩種。合理的溫度曲線是BGA器件成功返修的關(guān)鍵，其返修溫度曲線應(yīng)當(dāng)與原始的回流焊接曲線接近。設(shè)置BGA器件焊接溫度曲線時(shí)，應(yīng)綜合考慮BGA器件種類、印制板（印制板層數(shù)、厚度、面積及器件密集度等）及BGA器件在PCB上所處的位置等因素。

溫度曲線分為預(yù)熱、恒溫、回流焊接、冷卻四個(gè)階段。預(yù)熱階段是使BGA器件各焊點(diǎn)均勻受熱，從室溫30?C升到130?C，時(shí)間為30～100s；恒溫階段是使助焊劑充分激活以清除焊盤(pán)、焊球的氧化物，從130?C升高到190?C，時(shí)間為60～120s；回流焊接階段是使錫膏快速融化將器件焊接在印刷電路板上，＞217?C的時(shí)間為30～60s；＞230?C的時(shí)間不超過(guò)20s，最高峰值為（240±5）?C；冷卻階段是使焊膏開(kāi)始凝固讓器件被固定在印刷電路板上，降溫速率3～5?C/s為好。如降溫過(guò)慢，焊點(diǎn)冷卻凝固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易造成焊點(diǎn)結(jié)晶顆粒長(zhǎng)大；如降溫過(guò)快，則可能芯片受熱沖擊而受損。拆焊溫度曲線的峰值溫度要比焊接溫度曲線高10～15?C。

好的溫度曲線不易取得，要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)才能獲得最佳的溫度曲線。典型的BGA器件焊接溫度曲線如圖2。

3.2 BGA器件的拆焊及焊盤(pán)清洗

3.2.1 熱風(fēng)頭和被拆基板安裝。首先，將被拆基板上被拆B(yǎng)GA芯片周圍的器件貼高溫膠紙進(jìn)行保護(hù)，防止因受熱而影響其焊接質(zhì)量；其次，選擇口徑適合被拆B(yǎng)GA芯片大小的熱風(fēng)頭，裝入返修站的焊接頭上；第三，將被拆基板固定在返修站的軌道上，通過(guò)XY平臺(tái)的調(diào)節(jié)，將拆焊頭對(duì)準(zhǔn)BGA芯片；第四，利用返修站上的視覺(jué)平臺(tái)，精調(diào)XY平臺(tái)，使熱風(fēng)頭完全包圍BGA芯片；最后調(diào)節(jié)拆焊頭的高度，使其且與基板保持1～2 mm的間隙。

圖2. 典型的BGA器件焊接溫度曲線

3.2.2 返修臺(tái)加熱拆焊BGA器件。在返修站操作窗口上調(diào)出拆焊溫度曲線，開(kāi)始按設(shè)定的溫度加熱。加熱到設(shè)定的時(shí)間后，設(shè)備會(huì)停止加熱并自動(dòng)轉(zhuǎn)入吸氣模式，向上移動(dòng)拆焊頭，取走BGA芯片。如果沒(méi)有吸走BGA芯片，可能是因?yàn)榧訜釛l件設(shè)定不合理，須重新調(diào)整加熱條件，待設(shè)自然冷卻后，再重新加熱拆焊操作。切記不可用鑷子等使力撬動(dòng)強(qiáng)行移開(kāi)BGA芯片，以免PCB上的焊盤(pán)剝離，導(dǎo)致更大的損失。

3.2.3 焊盤(pán)清洗。取下的BGA芯片和基板，焊盤(pán)上的殘錫必須用吸錫線清理干凈，注意控制好溫度，避免燙傷基板與銅箔。最后用清潔劑（工業(yè)乙醇或LPS清潔劑）將焊盤(pán)及周圍的助焊劑清潔干凈。

3.2.4 注意事項(xiàng)。①被拆焊基板在拆焊前注意須先進(jìn)行去潮處理；②拆焊前基板最好先進(jìn)行預(yù)加熱，預(yù)熱溫度為70～80?C。這樣可提高拆焊成功率，防止基板局部變形、拆層，造成不必要的損失。

3.3 BGA芯片重置焊球

BGA芯片重置焊球也叫植球。傳統(tǒng)的植球方式是購(gòu)買(mǎi)專用的BGA焊球，在BGA芯片焊盤(pán)上印刷上一層薄薄的焊膏后，將焊球一個(gè)一個(gè)地?cái)[放在BGA芯片的焊點(diǎn)上，加熱熔化后固定。這種方式對(duì)植球的難度非常高，效率很低。

現(xiàn)介紹一種操作簡(jiǎn)單、高效，而且經(jīng)過(guò)多次的嘗試、研究、調(diào)整而獲得的植球方法，能取得較好的效果：一般購(gòu)買(mǎi)返修站時(shí)，可以配套購(gòu)買(mǎi)一套BGA器件植球器具（見(jiàn)圖3）。

按圖3器具從左到右分別為：印錫膏治具、植球治具、芯片定位器和植球器主機(jī)。分別按印錫膏治具和植球治具的鋼網(wǎng)裝配面尺寸制作兩片BGA鋼網(wǎng)：一片鋼網(wǎng)厚度為0.13mm，作印刷植球芯片焊盤(pán)錫膏用；另一片厚度為0.3mm，作植錫球用。兩片鋼網(wǎng)分別安裝于印錫膏治具和植球治具中。而芯片定位器（可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)芯片定位器右側(cè)旋鈕調(diào)節(jié)芯片夾緊裝置，來(lái)適應(yīng)不同尺寸大小的BGA芯片修理）是用來(lái)安裝、定位植球芯片，確保芯片安裝于圖3的植球器主機(jī)中心。植球器主機(jī)是通過(guò)開(kāi)關(guān)上方的氣壓伐，利用氣壓吸力吸住植球芯片，達(dá)到固定芯片的作用，配合印錫膏治具和植球治具對(duì)待植球芯的焊盤(pán)進(jìn)行印錫膏和植球。

圖3. BGA器件植球器具

植球操作順序?yàn)椋合葘⒅睬蛐酒ㄟ^(guò)芯片定位器安裝于植球器主機(jī)中央（注意芯片焊盤(pán)一面朝上）；再用印錫膏治具為芯片焊盤(pán)印錫膏；用植球治具將錫球漏過(guò)鋼網(wǎng)開(kāi)口，粘附在芯片焊盤(pán)的錫膏上；最后卸下植球治具，關(guān)閉主機(jī)氣壓開(kāi)關(guān)，將植球芯片小心取下。用一塊報(bào)廢的沒(méi)有裝元件的PCB，將植好錫球的芯片進(jìn)行回流焊接。

操作過(guò)程注意以下事項(xiàng)：①植球芯片須先做好去潮處理，避免回流焊芯片內(nèi)部拆層而造成不必的損失；②調(diào)節(jié)鋼網(wǎng)位置，使芯片焊盤(pán)與鋼網(wǎng)孔對(duì)準(zhǔn)；③調(diào)節(jié)芯片安裝面高度，使芯片與鋼網(wǎng)保持合適距離，使印錫膏和植錫球達(dá)到最佳效果；④植球芯片回流焊接溫度比BGA芯片焊接溫度降低5～10?C，確保錫球不被完全熔解而牢固粘貼在芯片焊盤(pán)上。

3.4 貼裝、焊接及檢驗(yàn)

用不脫毛的毛刷，蘸取少量的助焊劑，在PCB的BGA器件相應(yīng)焊盤(pán)區(qū)域上均勻地、薄薄地涂上一層助焊劑。但要注意不能涂放太多助焊劑，否則加溫時(shí)會(huì)由于松香產(chǎn)生過(guò)多的氣泡使芯片移位，更嚴(yán)重的可能出現(xiàn)因助焊劑過(guò)多而產(chǎn)生空焊不良。

圖4. BGA器件X射線檢查圖

圖5. BGA器件目視檢查圖

將PCB板同樣安放于BGA器件返修站中并固定。選擇調(diào)出相應(yīng)的BGA器件焊接溫度曲線。BGA吸嘴大致對(duì)準(zhǔn)芯片中心吸附BGA芯片，打開(kāi)返修站的視覺(jué)功能，通過(guò)返修的視覺(jué)系統(tǒng)顯示器確認(rèn)BGA芯片焊球與PCB的焊盤(pán)重合對(duì)齊。關(guān)閉返修站視覺(jué)功能，打開(kāi)自動(dòng)焊接按鈕，返修站上吸附BGA芯片的焊接頭將自動(dòng)下移，至芯片離PCB 2～3mm時(shí)，關(guān)閉吸氣開(kāi)關(guān)，使芯片自然落下貼附在PCB上，即按所選擇的焊接溫度曲線自動(dòng)進(jìn)行加熱焊接。隨著B(niǎo)GA器件上的錫球熔化與PCB焊盤(pán)形成較優(yōu)良的錫合金焊接，并通過(guò)錫球的表面張力使芯片即使原來(lái)與主板有偏差也會(huì)自動(dòng)糾正對(duì)中，如此BGA器件返修貼裝、焊接大功告成。

完成BGA器件返修焊接的BGA芯片，須進(jìn)行焊接質(zhì)量檢查。有條件的可通過(guò)X射線進(jìn)行檢查（見(jiàn)圖4），通過(guò)觀察BGA芯片焊球形狀來(lái)判斷BGA器件焊接質(zhì)量，這是最直觀、最有效的檢查方法。

當(dāng)然，也可以通過(guò)目測(cè)檢查BGA芯片四周的焊接形狀，以及BGA芯片底部與PCB之間的距離均勻度，來(lái)判斷BGA芯片的焊接質(zhì)量，這需要相應(yīng)技術(shù)人員積累相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)才能進(jìn)行準(zhǔn)確判斷（見(jiàn)圖5）。

4.小結(jié)

上述電子產(chǎn)品的BGA器件返修工藝已趁于完善。只要技術(shù)人員以細(xì)心、嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的態(tài)度，善于歸納總結(jié)，針對(duì)不同的電路板和返修器件，選擇合適的返修溫度曲線，成功率達(dá)到90%以上是不難的。

BGA元器件的焊接與返修，是一項(xiàng)技術(shù)性與技巧性很強(qiáng)的操作，也是SMT生產(chǎn)工藝技術(shù)水平的重要體現(xiàn)。應(yīng)借助目前SMT行業(yè)中先進(jìn)的設(shè)備，不斷實(shí)驗(yàn)，完善每一道工序的工藝。有不少的“業(yè)內(nèi)人士”利用一些“土辦法”來(lái)完成BGA的返修，在整個(gè)過(guò)程中，所用到的主要設(shè)備只有熱風(fēng)槍，更沒(méi)有過(guò)程的條件控制，是一些危險(xiǎn)的做法。這樣做，其性能很難保證，有時(shí)不但修不好，還可能將原來(lái)不大的故障擴(kuò)大化，甚至將一塊價(jià)值高昂的基板報(bào)廢了，造成更大的損失。相信在業(yè)界專業(yè)技術(shù)人員的不斷研究創(chuàng)新下，BGA器件的返修技術(shù)一定能更先進(jìn)、更容易、更科學(xué)。

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Rework Technique of BGA Package

WANG Zhi-cai CHEN Yan-na Shantou Institute of Ultrasonic Instruments Co.,Ltd (Shantou 515000)

As BGA(Ball Grid Array) package applied in parts of an apparatus is becoming popularization, SMT manufacturers pay more and more attention and focus on the rework technique. On the other hand, the percentage of reworking the BGA apparatus has been a signifcant reference data for improving production effciency and reducing production cost. Based on the process fow of reworking BGA apparatus, this essay emphasizes on temperature curve research, embedded ball, and the welding technique.

BGA, rework, embedded ball, temperature curve

1006-6586(2017)09-0112-03

R197.39

A

2017-03-28