简析BGA封装技能与质量操控
ＳＭＴ（Surface Mount Technology)外表安装技能习惯了电子产品小型化、轻型化的潮流趋势，为完结电子产品的轻、薄、短、小打下了根底。
ＳＭＴ技能进入９０年代以来，走向了老练的阶段，但随着电子产品向便携式／小型化、网络化和多媒体化方向的迅速开展，对电子拼装技能提出了更高的要求，新的高密度拼装技能不断涌现，其间ＢＧＡ（Ball Grid Array球栅阵列封装)便是一项现已进入实用化阶段的高密度拼装技能。本文迁就ＢＧＡ器材的拼装特色以及焊点的质量操控作一介绍。
一、ＢＧＡ 技能简介
ＢＧＡ技能的研讨始于６０年代，最早被美国ＩＢＭ公司选用，但一直到９０年代初，ＢＧＡ 才真实进入实用化的阶段。
在８０年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了更高的要求。为了习惯这一要求，ＱＦＰ的引脚距离现在已从1.27mm开展到了0.3mm。因为引脚距离不断缩小，I/O数不断添加，封装体积也不断加大，给电路拼装出产带来了许多困难，导致成品率下降和拼装本钱的前进。另方面因为受器材引脚结构加工精度等制作技能的约束，０．３ｍｍ已是ＱＦＰ引脚距离的极限，这都约束了拼装密度的前进。所以一种先进的芯片封装ＢＧＡ（Ball Grid Array）应运而生，ＢＧＡ是球栅阵列的英文缩写，它的Ｉ／Ｏ端子以圆形或柱状焊点按阵列办法散布在封装下面，引线距离大，引线长度短，这样ＢＧＡ消除了精密距离器材中因为引线而引起的共面度和翘曲的问题。ＢＧＡ技能的长处是可添加Ｉ／Ｏ数和距离，消除ＱＦＰ技能的高Ｉ／０数带来的出产本钱和牢靠性问题。
ＪＥＤＥＣ（电子器材工程联合会）（ＪＣ－１１）的工业部门拟定了ＢＧＡ封装的物理规范，ＢＧＡ与ＱＦＰ比较的最大长处是Ｉ／Ｏ引线距离大，已注册的引线距离有１．０、１．２７和１．５ｍｍ，并且现在正在引荐由１．２７ｍｍ和１．５ｍｍ距离的ＢＧＡ替代０．４ｍｍ－０．５ｍｍ的精密距离器材。
ＢＧＡ器材的结构可按焊点形状分为两类：球形焊点和柱状焊点。球形焊点包含陶瓷球栅阵列 ＣＢＧＡ（Ceramic Ball Grid Array）、载带主动键合球栅阵列 ＴＢＧＡ（Tape Automatec Ball Grid Array）塑料球栅阵列ＰＢＧＡ（PlasTIc Ball Array）。 ＣＢＧＡ、ＴＢＧＡ和ＰＢＧＡ是按封装办法的不同而区别的。柱形焊点称为ＣＣＧＡ(Ceramic Column Grid Array)。
ＢＧＡ技能的呈现是ＩＣ器材从四边引线封装到阵列焊点封装的一大前进，它完结了器材更小、引线更多，以及优秀的电功用，别的还有一些超越惯例拼装技能的功用优势。这些功用优势包含高密度的Ｉ／Ｏ接口、杰出的热耗散功用，以及可以使小型元器材具有较高的时钟频率。
因为ＢＧＡ器材相对而言其距离较大，它在再流焊接进程中具有主动摆放定位的才能，所以它比相类似的其它元器材，例如ＱＦＰ，操作快捷，在拼装时具有高牢靠性。据国外一些印刷电路板制作技能资料反映， ＢＧＡ器材在运用惯例的ＳＭＴ工艺规程和设备进行拼装出产时，可以始终如一地完结缺陷率小于２０ＰＰＭ（Parts Per Million，百万分率缺陷数），而与之相对应的器材，例如ＱＦＰ，在拼装进程中所构成的产品缺陷率至少要超越其１０倍。
综上所述，ＢＧＡ器材的功用和拼装优于惯例的元器材，可是许多出产厂家依然不愿意出资开发大批量出产ＢＧＡ器材的才能。究其原因首要是ＢＧＡ器材焊接点的测验适当困难，不容易确保其质量和牢靠性。
二、ＢＧＡ器材焊接点检测中存在的问题
现在，对以中等规划到大规划选用ＢＧＡ器材进行电子拼装的厂商，首要是选用电子测验的办法来挑选ＢＧＡ器材的焊接缺陷。在ＢＧＡ器材安装期间操控安装工艺进程质量和辨别缺陷的其它办法，包含在焊剂漏印（paste Screening)上取样测验和运用Ｘ射线进行安装后的终究查验，以及对电子测验的成果进行剖析。
满意对ＢＧＡ器材电子测验的判定要求是一项极具挑战性的技能，因为在ＢＧＡ器材下面选定测验点是困难的。在查看和辨别ＢＧＡ器材的缺陷方面，电子测验一般是力不从心的，这在很大程度上添加了用于扫除缺陷和返修时的费用开销。
据一家世界一流的计算机制作商反映，从印刷电路板安装线上除去的一切ＢＧＡ器材中的５０％以上，选用电子测验办法对其进行测验是失利的，它们实践上并不存在缺陷，因而也就不该该被除去掉。电子测验不可以承认是否是ＢＧＡ器材引起了测验的失效，可是它们却因而而被除去掉。对其相关界面的细心研讨可以削减测验点和前进测验的精确性，可是这要求添加管芯级电路以供给所需的测验电路。
在检测ＢＧＡ器材缺陷进程中，电子测验仅能承认在ＢＧＡ衔接时，判别导电电流是通仍是断﹖假如辅佐于非物理焊接点测验，将有助于拼装工艺进程的改善和ＳＰＣ（StaTIsTIcal Process Control计算工艺操控 。
ＢＧＡ器材的拼装是一种根本的物理衔接工艺进程。为了可以承认和操控这样一种工艺进程的质量，要求了解和测验影响其长时刻作业牢靠性的物理要素，例如：焊料量、导线与焊盘的定位状况，以及潮湿性，不能单单根据电子测验所发作的成果就进行修正。
三、ＢＧＡ检测办法的讨论
现在市场上呈现的ＢＧＡ封装类型首要有：ＰＢＧＡ（塑料ＢＧＡ）、ＣＢＧＡ（陶瓷ＢＧＡ）及ＴＢＧＡ（载带ＢＧＡ）。封装工艺中所要求的首要功用有：封装组件的牢靠性；与ＰＣＢ的热匹配功用；焊球的共面性；对热、湿气的灵敏性；是否能经过封装体边际对准，以及加工的经济功用。需指出的是，ＢＧＡ基板上的焊球不论是经过高温焊球（９０Ｐｂ／１０Ｓｎ）转化，仍是选用球射工艺构成，焊球都有或许掉下丢掉，或许成型过大、过小，或许发作焊球连、残缺等状况。因而，需求对ＢＧＡ焊接后质量状况的一些目标进行检测操控。
现在常用的ＢＧＡ检测技能有电测验、鸿沟扫描及Ｘ射线检测。
·电测验 传统的电测验，是查找开路与短路缺陷的首要办法。其仅有的意图是在板的预制点进行实践的电衔接，这样便可以促成一个使信号流入测验板、数据流入ＡＴＥ的接口。假如印制电路板有满意的空间设定测验点，体系就能快速、有用地查找到开路、短路及毛病元件。体系也可查看元件的功用。测验仪器一般由微机操控，检测不同ＰＣＢ时，需求相应的针床和软件。关于不同的测验功用，该仪器可供给相应作业单元来进行检测。例如，测验二极管、三极管时用直流电平单元，测验电容、电感时用沟通单元，而测验低数值电容及电感、高阻值电阻时用高频信号单元。
·鸿沟扫描检测 鸿沟扫描技能处理了一些与杂乱元件及封装密度有关的搜索问题。选用鸿沟扫描技能，每一个ＩＣ元件规划有一系列寄存器，将功用线路与检测线路分脱离，并记载经过元件的检测数据。测验通路查看ＩＣ元件上每一个焊接点的开路、短路状况。根据鸿沟扫描规划的检测端口，经过边际衔接器给每一个焊点供给一条通路，然后革除全节点查找的需求。尽管鸿沟扫描供给了比电测验更广的不行见焊点检测专门规划印制电路板与ＩＣ元件。电测验与鸿沟扫描检测都首要用以测验电功用，却不能较好检测焊接的质量。为前进并确保出产进程的质量，有必要找寻其它办法来检测焊接质量，特别是不行见焊点的质量。
·Ｘ射线测验 有用检测不行见焊点质量的办法是Ｘ射线检测，该检测办法根据Ｘ射线不能象透过铜、硅等资料相同透过焊料的思维。换言之，Ｘ射线透视图可显现焊接厚度、形状及质量的密度散布。厚度与形状不仅是反映长时刻结构质量的目标，在测定开路、短路缺陷及焊接缺乏方面，也是很好的目标。此技能有助于搜集量化的进程参数，这些弥补数据有助于下降新产品开发费用，缩短投放市场的时刻。
①Ｘ射线图象检测原理 Ｘ射线由一个微焦点Ｘ射线管发作，穿过管壳内的一个铍管，并投射到试验样品上。样品对Ｘ射线的吸收率或透射率取决于样品所包含资料的成分与比率。穿过样品的Ｘ射线的吸收率或Ｘ射线灵敏板上的磷涂层，并激出发光子，这些光子随后被摄像机探测到，然后对该信号进行处理扩大，有计算机进一步剖析或调查。不同的样品资料对Ｘ射线具有不同的不透明系数，处理后的灰度图画显现了被查看的物体密度或资料厚度的差异。
②人工Ｘ射线检测 运用人工Ｘ射线检测设备，需求逐一查看焊点并承认其是否合格。该设备配有手动或电动辅佐设备使组件歪斜，以便更好地进行检测和摄像。但一般的目视检测要求训练操作人员，并且易于犯错。此外，人工设备并不适宜对悉数焊点进行检测，而只适宜作工艺判定和工艺毛病剖析。
③主动检测体系 全主动体系能对悉数焊点进行检测。尽管已界说了人工检测规范，但全主动体系的检测正确度比人工Ｘ射线检测办法高得多。主动检测体系一般用于产值高且种类少的出产设备上。具有高价值或要求牢靠性的产品与需求进行主动检测。检测成果与需求返修的电路板一同送给返修人员。这些成果还能供给相关的计算资料，用于改善出产工艺。
主动Ｘ射线分层体系运用了三维剖面技能。该体系能检测单面或双面外表贴装电路板，而没有传统的Ｘ射线体系的局限性。体系经过软件界说了所要查看焊点的面积和高度，把焊点剖成不同的截面，然后为悉数检测树立完好的剖面图。
现在已有两种检测焊接质量的主动测验体系上市：传输Ｘ射线测验体系与断面Ｘ射线主动测验体系。传输Ｘ射线测验体系源于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型引线与微距离ＱＦＰ，传输Ｘ射线体系是测定焊接质量最好的办法，但它却不能区别笔直堆叠的特征。因而，在传输Ｘ射线透视图中，ＢＧＡ元件的焊缝被其引线的焊球遮盖。关于ＲＦ屏蔽之下的双面密集型ＰＣＢ及元器材的不行见焊接，也存在这类问题。
断面Ｘ射线主动测验体系克服了传输Ｘ射线测验体系的很多问题。它规划了一个聚集断面，并经过上下平面散焦的办法，将ＰＣ的水平区域分隔。该体系的成功在于只需较短的测验开发时刻，就能精确查看焊接点。但断面Ｘ射线测验体系供给了一种非破坏性的测验办法，可检测一切类型的焊接质量，并取得有价值的调整安装工艺的信息。
④挑选适宜的Ｘ射线检测体系
挑选适宜实践出产中运用的、有较高功用价格比的Ｘ射线检测体系以满意操控需求是一项十分重要的作业。最近较新呈现的超高分辨率Ｘ射线体系在检测剖析缺陷方面已达微米水平，为出产线上发现较荫蔽的质量问题（包含焊接缺陷）供给了较全面的、比较省时的处理方案。在决议购买检测Ｘ射线体系之前，一定要了解体系在实践出产中的运用方面及所要到达的功用，以便于承认体系所需的最小分辨率，与此一起也就决议了所要置办的体系的大致价格。当然，设备的放置、人员的装备等要素也要在选购时通盘考虑。
四、ＢＧＡ的返修
因为ＢＧＡ封装办法与传统的外表元件不同，其引脚散布在元件体底部，所以ＢＧＡ的修理办法也不同于传统的外表元件。
ＢＧＡ返修工艺首要包含以下几步：
１． 电路板，芯片预热
２． 撤除芯片
３． 清洁焊盘
４． 涂焊锡膏，助焊剂
５． 贴片
６． 热风回流焊
１）电路板，芯片预热的首要意图是将潮气去除，假如电路板和芯片的潮气很小（如芯片刚拆封，这一步可以革除）。
２）撤除的芯片假如不计划从头运用，并且电路板可接受高温，撤除芯片可选用较高的温度（较短的加热周期）。
３）清洁焊盘首要是将撤除芯片后留在ＰＣＢ外表的助焊剂，焊锡膏整理掉，有必要运用符合要求的清洁剂。为了确保ＢＧＡ的焊接牢靠性，一般不能运用焊盘上旧的残留焊锡膏，有必要将旧的焊锡膏清除去，除非芯片上从头构成ＢＧＡ焊锡球。因为ＢＧＡ芯片体积小，特别是ＣＳＰ芯片体积更小，清洁焊盘比较困难，所以在返修ＣＳＰ芯片时，假如ＣＳＰ的周围空间很小，就需运用非清洗焊剂。
４）在ＰＣＢ上涂焊锡膏关于ＢＧＡ的返修成果有重要影响。为了精确均匀方便地涂焊锡膏，美国ＯＫ集团供给ＭＳ－１微型焊锡膏印板体系。经过选用与芯片相符的模板，可以很方便地将焊锡膏涂在电路板上。挑选模板时，应留意ＢＧＡ芯片会比ＣＢＧＡ芯片的模板厚度薄，因为它们所需求的焊锡膏量不同。用ＯＫ集团的ＢＧＡ３０００设备或ＭＰ－２０００微型光学对中体系可以方便地查验焊锡膏是否涂的均匀。处理ＣＳＰ芯片，有３种焊锡膏可以挑选，ＲＭＡ焊锡膏，非清洗焊锡膏，水剂焊锡膏。运用ＲＭＡ焊锡膏，回流时刻可略长些，运用非清洗焊锡膏，回流温度应选的低些。
５）贴片的首要意图是使ＢＧＡ芯片上的每一个焊锡球与ＰＣＢ上每一个对应的焊点对正。因为ＢＧＡ芯片的焊点坐落肉眼不能观测到的部位，所以有必要运用专门的设备来对中。ＯＫ集团制作的ＢＧＡ３０００和ＭＰ－２０００设备可以精确地完结这些使命。
６）热风回流焊是整个返修工艺的要害。其间，有几个问题比较重要：
芯片返修回流焊的曲线应当与芯片的原始焊接曲线挨近，运用ＯＫ集团的ＢＧＡ３０００可以确保作到这点。它的热风回流焊曲线可分红四个区间：预热区，加热区，回流区，冷却区，四个区间的温度、时刻参数可以别离设定，经过与计算机衔接，可以将这些程序存储和随时调用。
在回流焊进程中要正确挑选个区的加热温度和时刻，一起应留意升温的速度，一般，在１００℃曾经，最大的升温速度不超越６℃／秒，１００℃今后最大的升温速度不超越３℃／秒，在冷却区，最大的冷却速度不超越６℃／秒。因为过高的升温文降温速度有或许损坏ＰＣＢ和芯片，这种损坏有时是肉眼不能调查到的。ＯＫ集团的ＢＧＡ返修设备可以使用计算机方便地对此进行挑选。不同的芯片，不同的焊锡膏，应挑选不同的加热温度和时刻。如ＣＢＧＡ芯片的回流温度应高于ＰＢＧＡ的回流温度，９０Ｐｂ／１０Ｓｎ应较７３Ｐｂ／Ｓｎ焊锡膏选用更高的回流温度。
热风回流焊中，ＰＣＢ板的底部有必要可以加热。这种加热的意图有两个：防止因为ＰＣＢ板的单面受热而发作翘曲和变形，使焊锡膏溶化的时刻缩短。对大尺度板返修ＢＧＡ，这种底部加热特别重要。ＯＫ集团的ＢＧＡ返修设备的底部加热有两种：一种是热风加热，一种是红外加热。热风加热的长处是加热均匀，一般返修工艺主张选用这种加热。红外加热的长处是温度升高快，但缺陷是ＰＣＢ受热不均匀。
要挑选好的热风回流喷嘴。热风回流喷嘴归于非触摸式加热，加热时依托高温空气流使ＢＧＡ芯片上的各焊点的焊锡一起溶化。美国ＯＫ集团首要创造这种喷嘴，它将ＢＧＡ元件密封，确保在整个回流进程中有安稳的温度环境，一起可维护相邻元件不被对流热空气加热损坏。
