一、概述
隨著電子產(chǎn)品向小型化、便攜化、網(wǎng)絡化和高性能方向的發(fā)展,對
PCBA電路組裝技術和I/O引線數(shù)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(chǎn)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(xiàn)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(shù),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(chǎn)和返修,因而BGA元器件在電子產(chǎn)品生產(chǎn)領域獲得了廣泛使用。
隨著引腳數(shù)增加,對于精細引腳在裝配過程中出現(xiàn)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(jù)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(yōu)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
敏感性等級 |
芯片拆封后置放環(huán)境條件 |
拆封后必須使用的期限 |
1級 |
=< 30 C , < 90% RH |
無限制 |
2級 |
=< 30 C , < 60% RH |
1年 |
3級 |
=< 30 C , < 60% RH |
168小時 |
4級 |
=< 30 C , < 60% RH |
72小時 |
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(qū)別
特性 |
PBGA |
CBGA |
焊錫球成分 |
63Sn/37Pb |
90Pb/10Sn |
焊錫球溶化溫度 |
183°C |
302°C |
溶化前焊錫球直徑 |
0.75毫米 |
0.88毫米 |
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(huán)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(qū)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(yōu)點:
特性 |
BGA |
QFP |
封裝尺寸(平方毫米) |
525 |
1600 |
腳間距(毫米) |
1.27 |
0.5 |
組裝損壞率(ppm/管肢) |
0.6 |
100 |
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(shù)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(tǒng),對中與焊接都不困難。
4)容易對大尺寸電路板加工絲網(wǎng)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(chǎn)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(shù)半導體器件的耐熱溫度為2402600C,對于BGA返修系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(qū)間:預熱區(qū)、加熱區(qū)、回流區(qū)、冷卻區(qū),四個區(qū)間的溫度,時間參數(shù)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(qū)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(qū),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(chǎn)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(yōu)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(fā)明這種噴嘴,它將BGA元件密封,保證在整個回流過程中有穩(wěn)定的溫度環(huán)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(chǎn)品尤其是電腦與通信類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)領域,元器件向微小型化、多功能化、綠色化發(fā)展,各式封裝技術不斷涌現(xiàn),BGA/CSP是當今封裝技術的主流。BGA/CSP元器件的優(yōu)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(chǎn)品輕、薄、短、小及功能多樣化的發(fā)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(chǎn)者對絲網(wǎng)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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