电路板BGA焊接.doc

1、电路板焊接BGA Ball Grid Array Package 球 栅 阵 列 封 装 广 泛 应 用 于 集 成 电 路 的 封 装 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 。 1 工 艺 技 术 原 理 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

2、于 一 个 加 热 的 环 境 中 ， 锡 球 回 流 分 为 三 个 阶 段 ： 预 热 ： 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 。 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

3、） 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 。 回 流 ： 这 个 阶 段 最 为 重 要 ， 当 单 个 的 焊 锡 颗 粒 全 部 熔

4、 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 。 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 对 于 BGA 的 焊 接 ， 我 们 是

5、 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 . 这 里 给 出 有 铅 锡 球 和 无 铅 球 焊 接 时 所 采 用 的 温 度 曲 线 。 从 以 上 两 个 曲 线 可 以 看

6、 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 PC

7、B 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

8、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

9、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

10、 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

11、 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 。 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

12、 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。 1.2 工 艺 方 法 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 。

13、 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

14、 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

15、 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 。 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

16、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 。 取 下 的 BGA 可 否 再 次 进 行 焊 接 呢 ？ 答 案 是 肯 定 的 。

17、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 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 ） 。 第 一 步 涂 抹 助 焊 膏 （ 剂 ） 把 BGA 放 在 导 电 垫 上 ， 在 BGA 表 面 涂 抹 少 量 的

18、助 焊 膏 （ 剂 ） 。 第 二 步 除 去 锡 球 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

19、使 植 球 更 容 易 。 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 。 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 第 四 步 检 查 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 。

20、 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 。 第 5 步 过 量 清 洗 用 去 离 子 水 和 毛 刷 在 BGA 表 面 用 力 擦 洗 。 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 。 第 6 步 冲 洗 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 。 接 下 来 让 BGA 在 空 气

21、中 风 干 。 用 第 4 步 反 复 检 查 BGA 表 面 。 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 。 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 。 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

22、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

23、 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

24、的 状 态 所 用 时 间 ， 下 次 植 球 按 照 这 个 时 间 进 行 即 可 。 BGA 植 球 是 一 个 需 要 耐 心 和 细 心 的 工 作 ， 进 行 操 作 的 时 候 要 仔 细 认 真 。 1.3 国 内 外 水 平 现 状 BGA（ Ball Grid Array Package） 是 这 几 年 最 流 行 的 封 装 形 式 它 的 出 现 可 以 大 大 提 高 芯 片 的 集 成 度 和 可 制 造 性 。 由 于 我 国 在 BGA 焊 接 技 术 方 面 起 步 较 晚 ， 国 内 能 制 造 BGA 返 修 工 作 站 的 厂 家 也 不 多 ， 因

25、此 ， BGA 返 修 工 作 站 在 国 内 比 较 少 ， 尤 其 是 在 西 部 。 有 着 光 学 对 位 ， X-RAY 功 能 的 BGA 返 修 站 就 更 为 少 见 。 1.4 解 决 的 技 术 难 点 在 实 际 的 工 作 当 中 ， 会 遇 到 不 同 大 小 ， 不 同 厚 度 的 PC 不 同 大 小 的 BGA， 有 采 用 无 铅 焊 接 的 也 有 采 用 有 铅 焊 接 的 。 它 们 采 用 的 温 度 曲线 也 不 同 。 因 此 ， 不 可 能 用 一 种 温 度 曲 线 来 焊 接 所 有 的 BGA。 如 何 根 据 条件 的 不 同 来 设 定

26、 不 同 的 温 度 曲 线 ， 这 就 是 在 BGA 焊 接 过 程 中 的 关 键 。 这 里给 出 几 组 图 片 加 以 说 明 。 造 成 温 度 不 对 的 原 因 有 很 多 ， 还 有 一 个 原 因 就 是 在 测 试 温 度 曲 线 的 时 候 ，都 是 在 空 调 环 境 下 进 行 的 ， 也 就 是 说 不 是 常 温 。 夏 天 和 冬 天 空 调 造 成 温 度 和常 温 不 符 合 ， 因 此 在 设 定 BGA 温 度 曲 线 的 时 候 会 偏 高 或 偏 低 。 所 以 在 每 次 进行 焊 接 的 时 候 ， 都 要 测 试 实 际 温 度 是 否 符

27、 合 所 设 定 的 温 度 值 。 温 度 设 定 的 原理 就 是 首 先 根 据 是 有 铅 焊 接 或 者 无 铅 焊 接 设 定 相 应 温 度 ， 然 后 用 温 度 计 （ 或者 热 电 偶 ） 测 试 实 际 温 度 ， 然 后 根 据 实 际 温 度 调 节 设 定 的 温 度 ， 使 之 达 到 最理 想 的 温 度 进 行 焊 接 。 在 焊 接 的 过 程 中 ， 一 定 要 保 证 BGA 返 修 工 作 站 ，PCB， BGA 在 同 一 水 平 线 上 ， 焊 接 过 程 中 不 能 发 生 震 动 ， 不 然 会 使 锡 球 融 化 的时 候 发 生 桥 接 ， 造 成 短 路 。 PCB 板 的 设 计 一 般 好 的 板 子 不 仅 节 约 材 料 ， 而 且 各 方 面 的 电 气 特 性 也 是很 好 的 ， 比 如 散 热 、 防 干 扰 等 。