实现BGA的良好焊接

实现BGA的良好焊接
随着电子技术的发展，电子元件朝着小型化和高密集成化的方向发展。BGA元件已越来越广泛地应用到SMT装配技中来，并且随着u BGA和CSP的出现，SMT装配的难度是愈来愈大，工艺要求也愈来愈高。由于BGA的返修的难度颇大，故实现BGA的良好焊接是放在所有SMT工程人员的一个课题。这里就BGA的保存和使用环境以及焊接工艺等两大方面同大家讨论。

BGA的保存及使用
BGA元件是一种高度的温度敏感元件，所以BGA必须在恒温干燥的条件下保存，操作人员应该严格遵守操作工艺流程，避免元器件在装配前受到影响。一般来说，BGA的较理想的保存环境为200C-250C,湿度小于10%RH（有氮气保护更佳）。

大多数情况下，我们在元器件的包装未打开前会注意到BGA的防潮处理，同时我们也应该注意到元器件包装被打后用于安装和焊接的过程中不可以暴露的时间，以防止元器件受到影响而导致焊接质量的下降或元器件的电气性能的改变。下表为湿度敏感的等级分类，它显示了在装配过程中，一旦密封防潮包装被开，元器件必须被用于安装，焊接的相应时间。一般说来，BGA属于5级以上的湿度敏感等级。

表1 湿度敏感等级。

等级
时间
时间

1
无限制
≤30ºC/85% RH

2
一年
≤30ºC/60% RH

2a
四周
≤30ºC/60% RH

3
168小时
≤30ºC/60% RH

4
72小时
≤30ºC/60% RH

5
48小时
≤30ºC/60% RH

5a
24小时
≤30ºC/60% RH

6
按标签时间规定
≤30ºC/60% RH


如果在元器件储藏于氮气的条件下，那么使用的时间可以相对延长。大约每4-5小时的干燥氮气的作用，可以延长1小时的空气暴露时间。

在装配的过程中我们常常会遇到这样的情况，即元器件的包装被打开后无法在相应的时间内使用完毕，而且暴露的时间超过了表1中规定的时间，那么在下一次使用之前为了使元器件具有良好的可焊性，我们建议对BGA元件进行烘烤。烘烤条件下：温度为1250C，相对相湿度≤60% RH，烘烤时间参考表2。

烘烤的温度最不要超过1250C，因为过高的温度会造成锡球与元器件连接处金相组织变化，而当这些元器件进入回流焊的阶段时，容易引起锡球与元器件封装处的脱节，造成SMT装配质量问题，我们却会认为是元器件本身的质量问题造成的。但果烘烤的温度过低，则无法起到除湿的作用。在条件允许情况下，我们建议在装配前将元器件烘烤下，有利于消除BGA的内部湿气，并且提高BGA的耐热性，减少元器件进入回流焊受到的热冲击对器件的影响。BGA元器件在烘烤后取出，自然冷却半小时才能进行装配作业。

表2 烘烤时间

封装厚度
湿度敏感等级
烘烤时间

≤1.4MM
2a
4小时


3
7小时


4
9小时


5
10小时


5a
14小时

≤2.0MM
2a
18小时


3
24小时


3
31小时


5a
37小时

≤4.0MM
2a
48小时


3
48小时


3
48小时


3
48小时


5a
48小时


BGA的焊接工艺要求
在BGA的装配过程中，每一个步骤，每一样工具都会对BGA的焊接造成影响。

1.焊膏印刷

焊膏的优劣是影响表面装贴生产的一个重要环节。选择焊膏通常会考虑下几个方面：良好的印刷性好的可焊性好的可焊性低残留物。一般来说，我们采用焊膏的合金成分为含锡63％和含铅37％的低残留物型焊膏。

表3显示了如何根据元器件的引脚间距选择相应的焊膏。从表中可以看出元器件的引脚间别具匠心越，焊膏的锡粉颗越小，相对来说印刷较发好。但并不是说选择焊膏锡粉颗越小越好，因为从焊接效果来说，锡粉颗粒大的焊膏焊接效果要比锡粉颗粒小的焊膏好。因此，我们在选择时要从各方面因素综合考虑。由于BGA的引脚间较小，丝网模板开孔较小，所以我们采用直径为45M以下的焊膏，以保证获得良好的印刷效果。

表3 焊膏锡粉形状与颗粒直径

引脚间距（MM）
1.27
1
0.8
0.65
0.5
0.4

锡粉形状
非球型
球型
球型
球型

颗粒直径（um）
22-63
22-63
22-63
22-38


印刷的丝网模板一般采用不锈钢材料。由于BGA元器件的引脚间距较小，故而钢板的厚度较薄。一般钢板的厚度为0.12MM-0.15MM。钢板的开口视元器件的情况而定，通常情况下钢板的开口略小于焊盘。

例如：外型尺寸为35MM，引脚间别具匠心为1.0MM的PBGA，焊肋直径为23MIL。我们一般将钢板的开口的大小控制在21MIL.

在印刷时，通常采用不锈钢制的60度金属刮刀。印刷的压力控制有3.5KG-10KG的范围内。压力太大和太小都对印刷不利。印刷的速度控制在10MM/SEC-25MM/SEC之间，元器件的引脚间距愈小，印刷速度愈慢。印刷后的脱离速度一般设置为1MM/SEC之间，如果是 u BGA 或CSP器件脱模速度应更慢大约为0.5MM/SEC。另外，在印刷焊要注意控制操作的环境。工作的场温度控制在250C左右，温度控制在55％RH左右。印刷后的PCB尽量在半小时以内进入回流焊，防止焊膏在空气中显露过久而影响质量。

2.器件的放置

BGA的准确贴放很大程度上取决于贴片机的精确度，以及镜像识别系统的识别能力。就目前市场上各种品牌的多功能贴片机而言，能够放置BGA的贴片机其贴片的精确度达到0.001MM左右，所以在贴片精度上不会存在问题。只要BGA器件通过镜像识别，就可以准确的安放在印制线路板上。

然而有时通过镜像识别的BGA并非100％的焊球良好的器件，有可能某个焊球的Z方向上略小于其他焊球。为了保证焊接的良好性，我们的通常可以将BGA的器件厚度减去1-2MM，同时便用延里关闭真空系统约400毫秒，使BGA器件在安放时其焊球能够与焊膏充分接触。这样一来就可以减少BGA某个引脚空焊的现象。

不过，对于u BGA和CSP的器件我们不建议采用目述方法，以防止出现焊接不良的焊接现象的产生。

3. 回流焊

回流焊接是BGA装配过程中最难控制的步骤。因此获得较佳的回流风线是得到BGA良好焊接的关键所在。

★ 预热阶段
在这一段时间内使PCB均匀受热温，并刺激助焊剂活跃。一般升温的速度不要过快，防止线路弧受热过快而产生较大的变形。我们尽量升温度控制在30C/SEC以下,较理想的升温速度为20C/SEC。时间控制在60-90秒之间。

★ 浸润阶段
这一阶段助焊剂开始挥发。温度在1500C-1800C之间应保持60-120秒，以便助焊剂能够充分发挥其作用。升温的速度一般在0.3-0.50C/SEC。

★ 回流阶段
这一阶段的温度已经超过焊膏的溶点温度，焊膏溶化成液体，元器件引脚上锡。该阶段中温度在1830C以上的时间应控制在60-90秒之间。如果时间太少或过长都会造成焊接的质量问题。其中温度在210-2200C范围内的时间控制相当关键，一般控制在10-20秒为最佳。

★ 冷却阶段
这一阶段焊膏开始凝固，元器件被固定在线路板上。同样的是降温的速度也不能够过快，一般控制在40C/SEC以下，较理想的降温速度为30C/SEC。由于过快的降温速度会造成线路板产生冷变形，它会引起BGA焊接的质量问题，特别是BGA外圈引脚的虚焊。

在测量回流焊接的温度曲线时，对于BGA元件其测量点应在BGA引脚与线路板之间。BGA尽量不要用高温胶带，而采用高温焊锡焊接与热电偶相固定，以保证获得较为准确的曲线数据。

总之BGA的焊接是一门十分复杂的工艺，它还受到线路板设计，设备能力等各方面因素的影响，若只顾及某一方面是远远不够的。我们还要在实际的生产过程中不断研究和探索，努力控制影响BGA焊接的各项因素，从而使焊接能达到 到最好的效果。