一、概述
隨著電子產品向小型化、便攜化、網絡化和高性能方向的發展，對
PCBA電路組裝技術和I/O引線數提出了更高的要求，芯片的體積越來越小，芯片的管腳越來越多，給生產和返修帶來了困難。原來SMT中廣泛使用的QFP（四邊扁平封裝），封裝間距的極限尺寸停留在0.3mm，這種間距其引線容易彎曲、變形或折斷，相應地對
SMT組裝工藝、設備精度、焊接材料提出嚴格的要求，即使如此，組裝窄間距細引線的QFP，缺陷率仍相當高，最高可達6000PPm，使大范圍應用受到制約。近年出現的BGA（Ball Grid Array 球柵陣列封裝器件），由于芯片的管腳不是分布在芯片的周圍而是分布在封裝的底面，實際是將封裝外殼基板原四面引出的引腳變成以面陣布局的Pb/Sn凸點引腳，這就可以容納更多的I/O數，且可以較大的引腳間距如1.5、1.27mm代替QFP的0.4、0.3mm，很容易使用SMT與PCB上的布線引腳焊接互連，因此不僅可以使芯片在與QFP相同的封裝尺寸下保持更多的封裝容量，又使I/O引腳間距較大，從而大大提高了SMT組裝的成品率，缺陷率僅為0.35PPm，方便了生產和返修，因而BGA元器件在電子產品生產領域獲得了廣泛使用。
隨著引腳數增加，對于精細引腳在裝配過程中出現的橋連、漏焊、缺焊等缺陷，利用手工工具很難進行修理，需用專門的返修設備并根據一定的返修工藝來完成。
二、BGA元器件的種類與特性
1、BGA元器件的種類
按封裝材料的不同，BGA元件 主要有以下幾種：
PBGA（Plastic BGA塑料封裝的BGA）
CBGA（Ceramic BGA陶瓷封裝的BGA）
CBGA（Ceramic Column BGA陶瓷柱狀封裝的BGA）
TBGA（tape BGA載帶狀封裝的BGA）
CSP（Chip Scale Package或μBGA）
PBGA是目前使用較多的BGA，它使用63Sn/37Pb成分的焊錫球，焊錫的溶化溫度約為
183°C。焊錫球直徑在焊接前直徑為0.75毫米，回流焊以后，焊錫球高度減為0.46-0.41毫米。PBGA的優點是成本較低，容易加工，不過應該注意，由于塑料封裝，容易吸潮，所以對于普通的元件，在開封后一般應該在8小時內使用，否則由于焊接時的迅速升溫，會使芯片內的潮氣馬上氣化導致芯片損壞，有人稱此為“ 苞米花” 效應。按照JeDeC的建議，PBGA芯片在拆封后必須使用的期限由芯片的敏感性等級決定（見表1）：
表1 PBGA芯片拆封后必須使用的期限
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敏感性等級 |
芯片拆封后置放環境條件 |
拆封后必須使用的期限 |
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1級 |
=< 30 C , < 90% RH |
無限制 |
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2級 |
=< 30 C , < 60% RH |
1年 |
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3級 |
=< 30 C , < 60% RH |
168小時 |
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4級 |
=< 30 C , < 60% RH |
72小時 |
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5級 |
=< 30 C , < 60% RH |
24小時 |
CBGA焊球的成分為90Pb/10Sn，它與PCB連接處的焊錫成分仍為63Sn/37Pb，CBGA的焊錫球高度較PBGA高，因此它的焊錫溶化溫度較PBGA高，較PBGA不容易吸潮，且封裝的更牢靠。CBGA芯片底部焊點直徑要比PCB上的焊盤大，拆除CBGA芯片后，焊錫不會粘在PCB的焊盤上，見表2。
表2 PBGA與CBGA焊接錫球的區別
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特性 |
PBGA |
CBGA |
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焊錫球成分 |
63Sn/37Pb |
90Pb/10Sn |
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焊錫球溶化溫度 |
183°C |
302°C |
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溶化前焊錫球直徑 |
0.75毫米 |
0.88毫米 |
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溶化后焊錫球直徑 |
0.4-0.5毫米 |
0.88毫米 |
CCBGA的焊錫柱直徑為0.51毫米，柱高度為2.2毫米，焊錫柱間距一般為1.27毫米，焊錫柱的成分是90Pb/10Sn。
TBGA的焊錫球直徑為0.76毫米，球間距為1.27毫米。與CBGA相比，TBGA對環境溫度要求控制嚴格，因芯片受熱時，熱張力集中在4個角，焊接時容易有缺陷。
CSP芯片的封裝尺寸僅略大于裸芯片尺寸不超過20％ ，這是CSP與BGA的主要區別。 CSP較BGA，除了體積小之外，還有更短的導電通路、更低的電抗性，更容易達到頻率為500mhz-600mhz的范圍。
2、BGA元器件的特性
我們可以從不同為304管腳的QFP與BGA芯片的比較上看出BGA的優點：
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特性 |
BGA |
QFP |
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封裝尺寸(平方毫米) |
525 |
1600 |
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腳間距(毫米) |
1.27 |
0.5 |
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組裝損壞率(ppm/管肢) |
0.6 |
100 |
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元件管腳間信號干擾 |
1.0X |
2.25X |
概括起來，和QFP相比，BGA的特性主要有以下幾點：
1）I/O引線間距大（如1.0，1.27，1.5毫米），可容納的I/O數目大（如1.27毫米間距的 BGA在25毫米邊長的面積上可容納350個I/O 而0.5毫米間距的QFP在40毫米邊長的面積上只容納 304個I/O）。
2）封裝可靠性高（不會損壞管腳），焊點缺陷率低（＜1PPm/焊點），焊點牢固。
3）QFP芯片的對中通常由操作人員用肉眼來觀察，當管腳間距小于0.4毫米時，對中與焊接十分困難。而BGA芯片的腳間距較大，借助對中放大系統，對中與焊接都不困難。
4）容易對大尺寸電路板加工絲網板。
5）管腳水平面同一性較QFP容易保證 因為焊錫球在溶化以后可以自動補償芯片與PCB之間的平面誤差。
6）回流焊時，焊點之間的張力產生良好的自對中效果允許有50％的貼片精度誤差。
7）有較好的電特性，由于引線短，導線的自感和導線間的互感很低，頻率特性好。
8）能與原有的SMT貼裝工藝和設備兼容，原有的絲印機，貼片機和回流焊設備都可使用
當然，BGA也有缺點，主要是芯片焊接后需Ｘ射線檢驗，另外由于管腳呈球狀欄柵狀排列，需多層電路板布線，使電路板制造成本增加。
三、BGA返修工藝
大多數半導體器件的耐熱溫度為2402600C，對于BGA返修系統來說，加熱溫度和均勻性的控制顯得非常重要。美國Ok集團的熱風回流焊接及返修系統BGA-3592-g/CSP-3502-g和日本m.s.engineering CO.ltD.的ms系列返修工作站很好的解決了這個問題。
本文以美國Ok集團的熱風回流焊接及返修系統BGA-3592-g 為例簡要說明BGA的返修工藝：
1、電路板、芯片預熱
電路板、芯片預熱的主要目的是將潮氣去除，如果電路板和芯片內的潮氣很小（如芯片剛拆封），這一步可以免除。
2、拆除芯片
拆除的芯片如果不打算重新使用，而且PCB可承受高溫，拆除芯片可采用較高的溫度（較短的加熱周期）。
3、清潔焊盤
清潔焊盤主要是將拆除芯片后留在PCB表面的助焊劑、焊錫膏清理掉，必須使用符合要求的清洗劑。為了保證BGA的焊接可靠性，一般不能使用焊盤上舊的殘留焊錫膏，必須將舊的焊錫膏清除掉，除非芯片上重新形成BGA焊錫球。由于BGA芯片體積小，特別是CSP（ChiP sCale PaCkage或μBGA），芯片體積更小，清潔焊盤比較困難，所以在返修CSP芯片時，如果CSP的周圍空間很小，就需使用免清洗焊劑。
4、涂焊錫膏，助焊劑
在PCB上涂焊錫膏對于BGA的返修結果有重要影響。通過選用與芯片相符的模板，可以很方便地將焊錫膏涂在電路板上。用Ok集團的BGA-3592-g設備微型光學對中系統可以方便地檢驗焊錫膏是否涂的均勻。處理CSP芯片，有3種焊錫膏可以選擇：rma焊錫膏，非清洗焊錫膏，水劑焊錫膏。使用rma焊錫膏，回流時間可略長些，使用非清洗焊錫膏，回流溫度應選的低些。
5、貼片
貼片的主要目的是使BGA芯片上的每一個焊錫球與PCB上每一個對應的焊點對正。由于BGA芯片的焊點位于肉眼不能觀測到的部位，所以必須使用專門的設備來對中。BGA-3592-g可進行精確的對中。
6、熱風回流焊
熱風回流焊是整個返修工藝的關鍵。其中，有幾個問題比較重要：
1）芯片返修回流焊的曲線應當與芯片的原始焊接曲線接近，熱風回流焊曲線可分成四個區間：預熱區、加熱區、回流區、冷卻區，四個區間的溫度，時間參數可以分別設定，通過與計算機連接，可以將這些程序存儲和隨時調用。
2）在回流焊過程中要正確選擇各區的加熱溫度和時間，同時應注意升溫的速度。一般，在100OC以前，最大的升溫速度不超過6 OC/秒，100OC以后最大的升溫速度不超過3OC /秒， 在冷卻區，最大的冷卻速度不超過6OC/秒。因為過高的升溫速度和降溫速度都可能損壞PCB和芯片，這種損壞有時是肉眼不能觀察到的。不同的芯片，不同的焊錫膏，應選擇不同的加熱溫度和時間。如CBGA芯片的回流溫度應高于PBGA的回流溫度，90Pb/10Sn應較63Sn/37Pb焊錫膏選用更高的回流溫度。對免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接溫度不宜過高，焊接時間不宜過長，以防止焊錫顆粒的氧化。
3）熱風回流焊中，PCB板的底部必須能夠加熱。這種加熱的目的有二個：避免由于PCB板的單面受熱而產生翹曲和變形；使焊錫膏溶化的時間縮短。對大尺寸板返修BGA，這種底部加熱尤其重要。BGA-3592-g返修設備的底部加熱方式有2種，一種是熱風加熱，一種是紅外加熱。熱風加熱的優點是加熱均勻，一般返修工藝建議采用這種加熱。紅外加熱的缺點是PCB受熱不均勻。
4）要選擇好的熱風回流噴嘴。熱風回流噴嘴屬于非接觸式加熱，加熱時依靠高溫空氣流使BGA芯片上的各焊點的焊錫同時溶化。美國Ok集團首先發明這種噴嘴，它將BGA元件密封，保證在整個回流過程中有穩定的溫度環境，同時可保護相鄰元件不被對流熱空氣加熱損壞。
四、結束語
在電子產品尤其是電腦與通信類電子產品的生產領域，元器件向微小型化、多功能化、綠色化發展，各式封裝技術不斷涌現，BGA/CSP是當今封裝技術的主流。BGA/CSP元器件的優勢在于進一步提高元器件的集成度，并縮小其封裝尺寸，因而提高了高密度貼裝技術的水平，十分適合電子產品輕、薄、短、小及功能多樣化的發展方向。
為滿足迅速增長的對BGA元器件PCBA電路板組裝需求和生產者對絲網印刷、對中貼片和焊接過程控制精度的要求，提高BGA的組裝焊接及返修質量，需選擇更安全、更快、更便捷的組裝與返修設備及工藝。
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