bga焊接

对于BGA的焊接，我们是采用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:

也叫斜坡区，用来将PCB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热区长度的15~25 %。

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，但是理想的温度曲线应当是平稳的温度。

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2~5℃，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。

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、电路板孔的可焊性影响焊接质量

电路板孔可焊性不好，将会产生虚焊缺陷，影响电路中元件的参数，导致多层板元器件和 内层线导通不稳定，引起整个电路功能失效。所谓可焊性就是金属表面被 熔融焊料润湿的性质，即焊料所在金属表面形成一层相对均匀的连续的光滑的附着薄膜。影响印刷电路板可焊性的因素主要有:(1)焊料的成份和被焊料的性质。 焊料是焊接化学处理过程中重要的组成部分，它由含有助焊剂的化学材料组成，常用的低熔点共熔金属为Sn-Pb或Sn-Pb-Ag.其中杂质含量要有一定的 分比控制，以防杂质产生的氧化物被助焊剂溶解。焊剂的功能是通过传递热量，去除锈蚀来帮助焊料润湿被焊板电路表面。一般采用白松香和异丙醇溶剂。(2)焊 接温度和金属板表面清洁程度也会影响可焊性。温度过高，则焊料扩散速度加快，此时具有很高的活性，会使电路板和焊料溶融表面迅速氧化，产生焊接缺陷，电路 板表面受污染也会影响可焊性从而产生缺陷，这些缺陷包括锡珠、锡球、开路、光泽度不好等。

2、翘曲产生的焊接缺陷

电路板和元器件在焊接过程中产生翘曲，由于应力变形而产生虚焊、短路等缺陷。翘曲往往是由于电路板的上下部分温度不平衡造成的。对大的PCB,由于板自 身重量下坠也会产生翘曲。普通的PBGA器件距离印刷电路板约0.5mm,如果电路板上器件较大，随着线路板降温后恢复正常形状，焊点将长时间处于应力作 用之下，如果器件抬高0.1mm就足以导致虚焊开路。

3、电路板的设计影响焊接质量

在布局上，电路板尺寸过大时，虽然焊接较容易控制，但印刷线条长，阻抗增大，抗噪声能力下降，成本 增加;过小时，则散热下降，焊接不易控制，易出现相邻 线条相互干扰，如线路板的电磁干扰等情况。因此，必须优化PCB板设计:(1)缩短高频元件之间的连线、减少EMI干扰。(2)重量大的(如超过20g) 元件，应以支架固定，然后焊接。(3)发热元件应考虑散热问题，防止元件表面有较大的ΔT产生缺陷与返工，热敏元件应远离发热源。(4)元件的排列尽可能 平行，这样不但美观而且易焊接，宜进行大批量生产。电路板设计为4∶3的矩形最佳。导线宽度不要突变，以避免布线的不连续性。电路板长时间受热时，铜箔容 易发生膨胀和脱落，因此，应避免使用大面积铜箔。

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。

当锡球至于一个加热的环境中，锡球回流分为三个阶段:

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)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。

这个阶段最为重要，当单个的焊锡颗粒全部熔化后，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。

冷却阶段，如果冷却快，锡点强度会稍微大一点，但不可以太快否则会引起元件内部的温度应力。

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。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。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。

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。

第五步--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。

第六步--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。由于中国在

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，或许后期中国在X-RAY的返修站能够多多建立，目前东部的检测有个英华检测提供这个方面的检测，下面看技术方面吧!

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。

IR视频BGA返修台

IR型返修台

精密贴片焊接系统

精密维修系统

BGA光学返修台

按封装材料的不同，BGA元器件主要有以下几种:

PBGA(plastic BGA,塑料封装的BGA);CBGA(ceramic BGA，陶瓷封装的BGA);CCBGA(ceramic column BGA，陶瓷柱状封装的BGA);TBGA(tape BGA,载带状封装的BGA);CSP(ship scale package或μBGA)

PBGA(Plastic Ball Grid Array),它采用BT 树脂/玻璃层压板作为基板，以塑胶(环氧模塑混合物)作为密封材料，焊球可分为有铅焊料(63Sn37Pb、62Sn36Pb2Ag)和无铅焊料(Sn96.5Ag3Cu0.5)，焊球和封装体的连接不需要另外使用焊料。

有一些PBGA 封装为腔体结构，分为腔体朝上和腔体朝下两种。这种带腔体的PBGA是为了增强其散热性能，称之为热增强型BGA，简称EBGA，有的也称之为CPBGA(腔体塑料焊球数组).

PBGA 封装的优点:

1、与 PCB 板的热匹配性好。PBGA 结构中的BT 树脂/玻璃层压板的热膨胀系数(CTE)约为14ppm/℃，PCB 板的约为17ppm/cC，两种材料的CTE 比较接近，因而热匹配性好;

2、在回流焊过程中可利用焊球的自对准作用，即熔融焊球的表面张力来达到焊球与焊盘的对准要求;

3、成本低;

4、电性能良好。

PBGA 封装的缺点:

对湿气敏感，不适用于有气密性要求和可靠性要求高的器件的封装。

CBGA(Ceramic Ball Grid Array)在BGA 封装系列中的历史最长。它的基板是多层陶瓷，金属盖板用密封焊料焊接在基板上，用以保护芯片、引线及焊盘。焊球材料为高温共晶焊料10Sn90Pb，焊球和封装体的连接需使用低温共晶焊料63Sn37Pb。

CBGA 封装的优点如下:

1、气密性好，抗湿气性能高，因而封装组件的长期可靠性高;

2、与 PBGA 器件相比，电绝缘特性更好;

3、与 PBGA 器件相比，封装密度更高;

4、散热性能优于 PBGA 结构。

CBGA 封装的缺点如下:

1、由于陶瓷基板和 PCB 板的热膨胀系数(CTE)相差较大，因此热匹配性差，焊点疲劳是其主要的失效形式;

2、与 PBGA 器件相比，封装成本高;

3、在封装体边缘的焊球对准难度增加。

TBGA(Tape Ball Grid Array) 是一种有腔体结构，TBGA 封装的芯片与基板互连方式有两种:倒装焊键合和引线键合。芯片倒装键合在多层布线柔性载带上;用作电路I/O 端的周边数组焊料球安装在柔性载带下面;它的厚密封盖板又是散热器(热沉)，同时还起到加固封装体的作用，使柔性基片下面的焊料球具有较好的共面性。芯片粘结在芯腔的铜热沉上;芯片焊盘与多层布线柔性载带基片焊盘用键合引线实现互连;用密封剂将电路芯片、引线、柔性载带焊盘包封(灌封或涂敷)起来。

TBGA 的优点如下:

1、 封装体的柔性载带和 PCB 板的热匹配性能较好;

2、在回流焊过程中可利用焊球的自对准作用，印焊球的表面张力来达到焊球与焊盘的对准要求;

3、是最经济的 BGA 封装;

4、 散热性能优于 PBGA 结构。

TBGA 的缺点如下:

1、对湿气敏感;

2、不同材料的多级组合对可靠性产生不利的影响。

MCM-PBGA(Multiple chip module-PBGA)，多芯片模块PBGA;

μBGA，微BGA，是一种芯片尺寸封装;

SBGA(Stacked ball grid array)，叠层BGA;

etBGA，最薄的BGA结构，封装体高度为0.5mm，接近于芯片尺寸;

CTBGA、CVBGA(Thin and Very Thin Chip Array BGA)，薄型、超薄型BGA;

分光学对位与非光学对位

光学对位--通过光学模块采用裂棱镜成像，LED照明方式，调整光场分布，使小芯片成像显示与显示器上。以达到光学对位返修。

非光学对位--则是通过肉眼将BGA根据PCB板丝印线及点对位，以达到对位返修。

针对不同大小的BGA原件进行视觉对位，焊接、拆卸的智能操作设备，有效提高返修率生产率，大大降低成本。 BGA:BGA封装内存

BGA封装(Ball Grid Array Package)的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，BGA技术的优点是I/O引脚数虽然增加了，但引脚间距并没有减小反而增加了，从而提高了组装成品率;虽然它

的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能;厚度和重量都较以前的封装技术有所减少;寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高;组装可用共面焊接，可靠性高。

BGA封装技术可详分为五大类:

1.PBGA(Plasric BGA)基板:一般为2-4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中，Pentium II、III、IV处理器均采用这种封装形式。

2.CBGA(CeramicBGA)基板:即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片(FlipChip，简称FC)的安装方式。Intel系列CPU中，Pentium I、II、Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。

3.FCBGA(FilpChipBGA)基板:硬质多层基板。

4.TBGA(TapeBGA)基板:基板为带状软质的1-2层PCB电路板。

5.CDPBGA(Carity Down PBGA)基板:指封装中央有方型低陷的芯片区(又称空腔区)。

说到BGA封装就不能不提Kingmax公司的专利TinyBGA技术，TinyBGA英文全称为Tiny Ball Grid Array(小型球栅阵列封装)，属于是BGA封装技术的一个分支。是Kingmax公司于1998年8月开发成功的，其芯片面积与封装面积之比不小于1:1.14，可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高2~3倍，与TSOP封装产品相比，其具有更小的体积、更好的散热性能和电性能。

BGA主要有四种基本类型:PBGA、CBGA、CCGA和TBGA，一般都是在封装体的底部连接着作为I/O引出端的焊球阵列。这些封装的焊球阵列典型的间距为1.0mm、1.27mm、1.5mm，焊球的铅锡组份常见的主要有63Sn/37Pb和90Pb/10Sn两种，焊球的直径由于没有这方面相应的标准而各个公司不尽相同。从BGA的组装技术方面来看，BGA有着比QFP器件更优越的特点，其主要体现在BGA器件对于贴装精度的要求不太严格，理论上讲，在焊接回流过程中，即使焊球相对于焊盘的偏移量达50%之多，也会由于焊料的表面张力作用而使器件位置得以自动校正，这种情况经实验证明是相当明显的。其次，BGA不再存在类似QFP之类器件的引脚变形问题，而且BGA还具有相对QFP等器件较良好的共面性，其引出端间距与QFP相比要大得多，可以明显减少因焊膏印刷缺陷导致焊点"桥接"的问题;另外，BGA还有良好的电性能和热特性，以及较高的互联密度。BGA的主要缺点在于焊点的检测和返修都比较困难，对焊点的可靠性要求比较严格，使得BGA器件在很多领域的应用中受到限制。