浅谈一下元器件BGA和BGA返修-BGA焊接-BGA植球-万龙精益

BGA（Ball Grid Array球栅阵列封装）应用已经进入了大规模实用化阶段，无论消费类电子、医疗安全产品还是航天军工电子，都有着广泛的应用，随之而来的是日益增加的BGA元件的返修种类和数量，本文针对BGA的特点，结合日常维修中的经验，浅谈一下BGA返修、BGA焊接、BGA植球。
1. BGA器件的分类和特点
说起BGA的返修，首先我们先了解一下这种器件的特点。BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，焊点的加热熔化主要通过封装体与PCB的热传导。
BGA主要有PBGA，CBGA，CCGA和TBGA几大类，我们目前生产中比较常见的是PBGA和CBGA。
PBGA （plastic BGA）是塑料封装的BGA（见图1），也是目前使用较多的BGA，它使用63/37（有铅）或者305（无铅）成分的焊锡球，焊锡的熔化温度为183℃或者217℃。PBGA的优点是成本较低，容易加工，不过由于塑料封装，容易吸潮。

CBGA（ceramic BGA）是陶瓷封装的BGA（见图2），也有一定范围的应用，CBGA焊球的成分为90Pb/10Sn（它与PCB连接处的焊锡成分仍为63Sn/37Pb）。CBGA是在元件和印制板上采用不熔焊球(实际上是它的熔点大大高于回流焊的温度)，焊球直径为0.889mm，高度保持不变。CBGA的焊锡球较PBGA不容易吸潮，且封装的更牢靠，CBGA芯片底部焊点直径要比PCB上的焊盘大，拆除CBGA芯片后，焊锡不会在PCB的焊盘上。
BGA与其他类型元件的区别就是焊点在元件本体的下部，不能够通过烙铁等常规工具进行拆卸焊接，而且拆卸焊接过程也不能够看到焊点的熔化和固化过程。这就决定了BGA维修的特殊性。下面我们就从上述应用最广泛的PBGA说起，说说PBGA的返修。

2. BGA器件的返修流程
BGA返修主要有下述几个步骤：准备、拆卸、植球、焊接和检测。
3.1、准备工作：
烘干：这个是最容易让人忽视的程序，但恰恰也是十分重要和关键的程序。电路板和芯片烘干的主要目的是将潮气去除，否则由于焊接时的迅速升温，会使芯片内和电路板的潮气马上气化导致芯片损坏。而烘干后的板子要在 24小时内完成拆卸焊接，同时植球前的芯片也要保证是烘干过的，并且24小时内完成植球。注意烘板前，将温度敏感组件拆下后进行烘烤，例如光纤、电池、塑胶类拉手条等；否则容易造成的器件受热损伤。
产品保护：这个环节也容易被忽视，但也很重要。返修板正面、背面有光纤、附件区域的电池需要拆除后才可返修，若返修单板背面距离返修芯片10mm及10mm以外有散热器、插装晶振、电解电容、塑胶导光柱、非高温条形码、BGA、BGA插座等，须在其表面贴5-6层高温胶纸进行保护。
喷嘴和支撑的准备：对于宽度大于100mm的板子，应该给工作站加热台加支撑，支撑杆位置优选位于PCB板中间，使PCB保持平面，不能支撑到器件上。喷嘴选用实际尺寸比BGA大2～5mm的喷嘴。
拆卸/焊接曲线：由于加热中BGA锡球的实际温度与BGA的尺寸、封装材料、设备的加热系统效率、PCB的大小厚度以至于PCB在工作站的位置都有很大的关系，所以如果电脑中存储了返修曲线程序，那么每次拆卸/焊接前都要测量一下，如果没有程序则需要制作温度曲线。温度曲线板的制作规则和SMT的回流温度曲线板的制作过程是类似，采用一块与返修的PCB相同的试验板，对于BGA元件，要采取底部打孔，把热电偶伸进接触到BGA锡球，然后用高温锡或环氧树脂固定，见下图3。
SMT回流焊接工艺中一般使用两种常见类型的温度曲线，它们通常叫做保温型（平台型）和帐篷型（三角型）温度曲线。在保温型曲线中，装配在一段时间内经历相同的温度。帐篷型温度曲线是一个连续的温度上升，从装配进入炉子开始，直到装配达到所希望的峰值温度。返修工作站不同于回流炉，温区有限，想做成平台型的曲线比较困难，所以一般都是采用三角型的曲线。注意控制升温斜率在3度/秒以下；也要注意冷却斜率，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，一般冷却斜率不大于5度/秒。制作曲线的关键是要对PCB的底部进行充分的预热，以防止翘曲；回流时间和最大温度就参考推荐的参数即可。图4是工作站测的一条无铅BGA温度曲线。

3.2、BGA拆卸：
在返修准备工作做好的情况下，拆卸工作比较容易，只需选择相应的温度曲线程序。拆卸程序运行中，根据BGA封装的物理特性，所有的焊点均位于封装体与PCB之间，焊点的加热熔化主要通过封装体与PCB的热传导。返修程序运行完毕后，由设备自动吸取被拆器件，当器件表面粗糙不平情况下允许采用镊子夹取；采用镊子夹取时，先用镊子轻轻拨动器件，确定器件已经完全融化后立即夹起。见图5

拆卸后，在BGA芯片植球和贴装之前，应清理返修区域，包括BGA焊盘和PCB焊盘。清理焊盘一般用扁平烙铁头+吸锡编带（如图6）。吸锡编带专门用于从BGA焊盘和元件上去除残留焊膏，不会损坏阻焊膜或暴露在外的印制线。将吸锡编带放置在基板与烙铁头之间，加热2至3秒钟，热量通过编带以最佳方式传递到焊点，然后向上抬起编带和烙铁，抬起而不是拖曳编织带，可使焊盘遭到损坏的危险降至最低。编织带可去除所有的残留焊锡，从而排除了桥接和短路的可能性。去除残留焊锡以后，用适当的溶剂清洗焊盘区域。

3.3、BGA植球：
经过拆卸的BGA器件一般情况下可以重复使用，但由于拆卸后BGA底部的焊球被不同程度的破坏，因此必须进行植球处理后才能使用。
锡球和辅料的选择：
植球使用的辅料选择很重要，目前主要使用的焊锡膏和助焊膏，使用助焊膏时，置完球的芯片加热过程中，在热风的工作站环境下锡球往往容易连桥，所以推荐选用锡膏来进行植球。
而锡球则根据芯片的datasheet来进行选择，成份上主要有无铅305、有铅63/37和CBGA用到的90Pb/10Sn等几种，大小主要有0.3、0.4、0.5、0.6和0.7mm几种。需要注意的是在选择锡膏工艺时，锡膏的成份要与锡球的成份一致，而且在锡球大小的选择上，要比原始芯片的直径小一些，这样锡球和锡膏重新融合成锡球后会最接近于原始芯片的大小。
植球的几种常用方法：根据植球工具和材料的不同，植球的方法也不相同，但工艺流程是相同的。即印刷焊膏--置球—加热。植球方法的区别在于第二步的置球。目前比较通用的置球方式有三种。
a.多用途植球器
此种植球器使用时，需要根据芯片的球径和球间距选择相应的模板，模板的开口尺寸一般比锡球直径大0.05-0.1mm,将模板固定在底座上，锡球均匀的撒在模板上，摇晃植球器，多余的锡球从模板上滚到锡球收集槽中，使模板表面恰好每个漏孔中保留一个锡球（图7图8）。然后把植球器放置在返修工作站上，把印刷好锡膏的BGA器件吸在工作站的吸嘴上（印好锡膏的焊盘面向下），按照焊接BGA的方法进行对中，使BGA器件底部图像与植球器模板表面每个锡球图像完全重合。然后将吸嘴向下移动，把BGA器件贴装到植球器模板的表面的锡球上（图9），将BGA器件吸起来，锡球将粘在BGA器件相应的焊盘上（图10），小心用镊子取下器件，进行后续的加热。此种植球的优点是模板利用率高，只需准备4片不同规格的模板即可满足绝大多数类型BGA的植球。缺点是操作稍显复杂，需要借助工作站的视觉对中系统，而且大批量植球时效率不高。

b.专用植球器
专用植球器(图11)需要根据芯片的DATASHEET进行制作，一个装载BGA器件的底座(图12)，加上镶嵌印刷网板的盖板和镶嵌漏球模板的盖板各一个（图13）。使用时，首先印刷网板的盖板装载到装载有BGA的底座上，印刷锡膏后，取下盖板，然后把漏球模板的盖板装载到底座上，将锡球均匀的撒在模板上，摇晃植球器，多余的锡球从模板上滚到锡球收集槽中，使模板表面恰好每个漏孔中保留一个锡球。垂直取下盖板，观察BGA器件上有无缺少锡球的现象，用镊子补齐锡球。此种植球的优点是植球操作简单，成功率高，缺点是植球工装成本比较高，需要对每种不同封装的BGA器件制作一套。

c.万能植球器
此种万能植球器（图14）原理和专用植球器类似，区别就是此种植球器底座可以通过三个丝杆控制X和Y方向的宽度以及Z方向的高度，从而适合绝大多数BGA芯片。固定好芯片后（图15），后续的流程和专用植球器完全相同。如果维修不同封装的BGA，只需要制作相应的印刷网板和漏球网板，然后把网板放入盖板适配器上（图16），进行对位调整到合适位置锁紧即可。

上述三种植球方法，各有优缺点。不管采用哪种植球方法，后续的工作都要放到一个托板上，进行回流焊接。焊接时BGA器件的锡球面向上，需要注意的是热风量调到最小，以免把锡球吹移位，温度设定也比实际焊接温度要低一些，同时适时观察锡球熔化的状态，融融状态下持续十几秒就要停止加热，减少对芯片的热冲击。
3.4、BGA焊接：
焊接辅料的选择：无论是焊接新BGA还是植球后的BGA，对辅料的选择都是很严格的。焊接辅料主要有助焊膏和焊锡膏两种。两种辅料各有特点，助焊膏方式不需要制作钢网，涂覆简单快捷，维修速度快，但稳定性差，尤其对于大尺寸BGA容易产生开路等缺陷；而焊锡膏方式需要制作钢网，对印刷要求一定的技巧，但可以有效地补偿加热过程中由于PCB变形产生的翘曲，有效防止开路的产生，改善焊接效果，得到比用助焊膏焊接更好的效果。
对于CBGA，由于锡球是高温的90Pb/10Sn，熔点为302℃，焊接过程不熔化，故返修过程必须涂覆焊锡膏。
通过对实际焊接过程的分析及对焊接结果的观察统计，在PCB上涂覆焊锡膏具有稳定性高，减少焊接缺陷，补偿PCB热变形等助焊膏不具备的优点，所以在实际焊接过程中，给出如下建议。在BGA尺寸大于15mm*15mm时和BGA是CBGA封装条件下，必须使用焊锡膏作为焊接辅料；在BGA尺寸小于15mm*15mm,且PCB厚度大于等于1.6mm时，如果对维修速度要求较高，可以考虑使用助焊膏。
BGA焊接的流程：印刷锡膏（助焊膏）-视觉对中-回流
a. 印刷锡膏（助焊膏）
涂覆助焊膏：用画笔蘸少许助焊膏，在焊盘上来回轻轻涂抹，检查焊盘上助焊膏的涂抹情况，要求助焊膏涂布均匀。不可有助焊膏堆积现象，焊盘上不可有纤维、毛发等残留。
印刷锡膏：印刷锡膏使用的钢网有两种类型，簸箕型（图17）和钢片型（图18），两种类型应用都很普遍，网板的厚度和开孔的选择与SMT生产钢网的规范一致，依据锡球直径和间距的大小。下面以钢片型钢网为例，说说印刷锡膏的流程。选择对应的印锡钢网，将印锡的小钢网定位并用胶带粘贴在PCB上（用来固定钢网，并防止锡膏外溢）；需要使钢网开口和焊盘完全重合，不错位。用刮刀取适量锡膏，然后在小钢网上刮过。刮锡膏时尽量使锡膏能在钢网和刮刀之间滚动（图19图20）。然后向上慢慢的提起钢网，提取的过程中，要减少手的抖动。

b.视觉对中
将涂抹好锡膏的单板平稳放置在工作台上，将器件放在机器喷口中的吸嘴上，注意方向，然后进行视觉对中（图21），使器件和焊盘的影像重合（图22），运行机器，完成贴放动作。（采用印锡返修时，必须使用设备将BGA贴放在PCB上，不得使用手工放置。采用刷助焊膏返修时，可以用手工放置器件，以丝印框为准进行对位）。器件贴放后，需要检查返修器件的高度是否一致，是否有高度不平、器件倾斜等异常。

c.回流
贴装检查完毕后，选择与芯片对应的温度曲线程序对BGA进行加热，程序运行完毕，完成器件焊接过程。待板子冷却后取走PCB。
3.5 检测：
由于BGA焊点是不可见焊点，所以除了电性能测试外，主要应用X射线检测。X射线透视图可显示焊接厚度、形状及质量的密度分布。厚度与形状不仅是反映长期结构质量的指标，在测定开路、冷焊（图23）、短路（图24）缺陷及焊接不足方面，也是很好的指标。

3. BGA返修常见问题分析
芯片翘曲：
BGA出现焊接缺陷后，如果进行拆卸植球焊接，总共经历了SMT回流，拆卸，焊盘清理，植球，焊接等至少5次的热冲击，接近了极限的寿命，统计发现最终有5% 的BGA芯片会有翘曲分层，所以在这几个环节中一定要注意控制芯片的受热，拆卸和焊盘清理和植球环节中尽量降低温度和减少加热时间。
PCB翘曲：
热风工作站采用上下部同时局部加热来完成BGA的焊接，由于PCB材质的热胀冷缩性质和PCB本身的重力作用，因而对PCB中BGA区域产生更大的热应力，会使得PCB在返修过程中产生一定程度上的翘曲变形，支撑虽然起了一定的作用，但PCB变形仍然存在。严重时这种变形会导致外部连接点与焊盘的接触减至最小，进而产生BGA四角焊点桥接，中间焊接空焊等焊接缺陷。因此要尽量控制温度，由于工作站底部加热面积较大，在保证曲线最大温度和回流时间条件下，增加预热时间，提高底部加热温度，而降低顶部加热温度，会大大的减少PCB的热变形；另外就是注意底部支撑放置的位置和高度。
焊接开路：
造成焊接开路的原因比较复杂，上面论述的PCB翘曲是一个原因。另外还有几个因素可能导致开路，重点查看焊接曲线是否正确，不正确的曲线会导致回流时间过短或温度过低，而锡球和锡膏没有充分回流造成开路；是否因为采用了助焊膏而不是焊锡膏作为焊接辅料，使用焊锡膏回流制程，发生开路的可能性会减少，这是因为焊锡膏对共面性的要求较低；是否PCB和芯片焊接前没有进行烘干等等。
焊接短路：
PCB翘曲是导致焊接短路的原因之一，其他原因还有，网板开孔的厚度和印刷的锡膏量是否合适，锡膏过厚且不均匀，极容易产生短路；PCB和芯片是否烘干，如果没有烘干，爆米花现象将可能引起短路；清理焊盘时是否破坏了阻焊膜，如果阻焊被破坏，很容易导致短路；另外就是温度曲线是否正确。
4. 综述
不管BGA返修技术怎么发展，返修效果如何的好，芯片在多次受到热冲击条件下，仍然存在着寿命缩短，稳定性变差的隐患，所以在提高返修能力的基础上，还要从前端SMT环节，通过制程优化、设备和人员物料等管理环节，减少BGA的返修，从而达到高合格率，使BGA更具成本效益。
目前BGA的生产制程也很稳定，每家公司也都在提高工艺水平加强管理，BGA缺陷率也在逐步降低，但百密也有一疏，不可能完全杜绝BGA返修。所以每家公司适当地培训返修技术人员，采用恰当的返修设备，了解BGA返修的关键工序，并且不断总结返修的经验，优化返修的制程，改进返修工艺，这些都有助于实现稳定、有效的返修。

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