BGA焊接分析報告一、BGA概述1、BGA簡介BGA的全稱是BallGridArray（球柵陣列結(jié)構(gòu)的PCB），它是集成電路采用有機(jī)載板的一種封裝法。特點：①封裝面積減少②功能加大，引腳數(shù)目增多③PCB板溶焊時能自我居中，易上錫④可靠性高⑤電性能好，整體成本低。有BGA芯片的PCB板一般過孔較多，大多數(shù)應(yīng)用中BGA下的過孔設(shè)計直徑8~12mil，BGA處表面貼到孔的距離以規(guī)格為31.5mil為合適，一般不應(yīng)小于10.5mil。BGA下過孔需塞孔，BGA焊盤不允許上油墨，BGA焊盤上不鉆孔。

2、BGA封裝類型（1）PBGA：載體為普通印制板基材，芯片通過金屬絲壓焊方式連接到載體上表面，塑料模壓成形，表面連接共晶焊料球陣列。優(yōu)點：封裝成本相對較低;和QFP相比，不易受到機(jī)械損傷;適用大批量的電子組裝;字體與PCB基材相同，熱膨脹系數(shù)幾乎相同，焊接時，對函電產(chǎn)生應(yīng)力很小，對焊點可靠性影響也較少。缺點：容易吸潮。（2）

CBGA：載體為多層陶瓷，芯片與陶瓷載體的連接可以有兩種形式：金屬絲壓焊;倒裝芯片技術(shù)。優(yōu)點：電性能和熱性能優(yōu)良;既有良好的密封性;和QFP相比，不易受到機(jī)械損傷;適用于I/O數(shù)大于250的電子組裝。缺點：與PCB相比熱膨脹系數(shù)不同，封裝尺寸大時，導(dǎo)致熱循環(huán)函電失效。（3）

CCGA：CCGA是CBGA尺寸大于32*32mm時的另一種形式，不同之處在于采用焊料柱代替焊料球。焊料柱采用共晶焊料連接或直接澆注式固定在陶瓷底部。優(yōu)缺點與CCGA大體相同，不同在于焊料柱能夠承受CTE不同所產(chǎn)生的應(yīng)力，能夠應(yīng)用在大尺寸封裝。（4）

TBGA：載體采用雙金屬層帶，芯片連接采用倒裝技術(shù)實現(xiàn)。優(yōu)點：可以實現(xiàn)更輕更小封裝;適合I/O數(shù)可以較多封裝;有良好的電性能;適于批量電子組裝;焊點可靠性高。缺點：容易吸潮;封裝費用高。

PBGA是目前使用較多的BGA，使用63Sn/37Pb成分的焊錫球，焊錫熔化溫度為183度，錫球直徑在焊接前為0.75mm,回流焊后錫球高度減為0.41mm~0.46mm。

二、BGA焊盤設(shè)計的工藝性要求 1、設(shè)計中選用BGA器件設(shè)計者在電路中使用BGA器件時將面對諸多問題：印制板焊盤圖形、制造成本、可加工性、最終產(chǎn)品的可靠性等。

使用BGA封裝技術(shù)取代周邊引腳表貼器件，出自于滿足電路組件的組裝空間與功能的需求。如QFP封裝，引腳從封裝實體向周邊延展，這些引腳提供器件與PCB間的電路及機(jī)械連接；BGA器件則通過封裝底部球狀引腳實現(xiàn)連接，球引腳由共晶Pb/Sn合金或含90%的高熔點材料制成。 2、面臨的問題周邊引腳器件的封裝已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，而BGA球引腳間距仍在不斷縮小，導(dǎo)致現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范受到了限制，且沒有完全實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。精細(xì)間距的BGA器件使得PCB布局布線受到更多的制約。設(shè)計者必須保證能夠滿足SMT組裝的工藝性要求。為了適應(yīng)BGA器件的物理結(jié)構(gòu)，信號布線由從器件周邊走線改為從器件底部PCB空閑部分走線，對間距較大的BGA器件不是難題，球引腳陣列有足夠的走線空間，但對引腳間距較小的BGA器件，只能使用更細(xì)的導(dǎo)線布線。陣列最外邊行列球陣列引腳間的空間很快被走線塞滿。導(dǎo)線的最小線寬與間距由電性能要求和加工能力決定，因此上述布線設(shè)計的導(dǎo)線數(shù)量是有限制的。為解決導(dǎo)線與間距問題，常采用的方法包括狗骨通孔焊、通孔焊盤圖形設(shè)計。通孔鍍覆導(dǎo)電層，提供與內(nèi)層布線連接構(gòu)成通路，另一種為埋孔圖形，從頂（底）面與內(nèi)層鉆孔相通，鍍覆導(dǎo)電層構(gòu)成通路。這兩種連接方式直接受到加工能力，制造成本與組裝工藝等因素制約。而埋孔圖形方式，導(dǎo)致的生產(chǎn)、檢測成本急劇上升，無特殊需求不采用。PCB組裝工藝直接或間接受到BGA器件，及BGA貼裝帶來印制板設(shè)計要素變化的影響。設(shè)計者能夠影響到的BGA器件SMT組裝流程的特定要素：常見應(yīng)用設(shè)計中采用的BGA器件走線方式：三、BGA焊接工藝 1、BGA器件的焊接方法目前包括BGA在內(nèi)的SMD器件的焊接組裝大都采用SMT（SurfaceMountedTechnology）工藝。SMT是相對于傳統(tǒng)的THT(Through-holetechnology)技術(shù)而發(fā)展起來的一種新的組裝技術(shù)，SMT技術(shù)實現(xiàn)了電子產(chǎn)品組裝的高密度、高可靠、小型化、低成本，以及生產(chǎn)的自動化。

而BGA器件的SMT工藝又有一些不同于普通或標(biāo)準(zhǔn)化SMD器件的要求和操作步驟。2、BGA器件的焊接工藝流程2.1前期工作1、首先確認(rèn)待焊接的BGA芯片的制造工藝是有鉛的(Pb)，還是無鉛的(Pb-Free)?？梢詮男酒琩atasheet或絲引后綴中取得信息。2、即將焊接的PCB板生產(chǎn)工藝是有鉛的，還是無鉛的。PCB制造推薦使用沉金工藝，噴錫工藝次之。3、烘烤： （1）BGA器件的真空包裝打開后，在8h之內(nèi)使用，可不用烘烤；超過8h的都要進(jìn)行烘烤工作，烘烤條件：120度/8h。參見BGA管制規(guī)范。 （2）有真空包裝的PCB拆包后可不用烘烤直接使用，拆包暴露于空氣中放置或潮濕季節(jié)生產(chǎn)的PCB的需要烘烤才能使用。PCB的烘烤參見PCB管制規(guī)范。 4、新拆包的BGA器件不用植球，8H內(nèi)可直接使用；返修的BGA需要進(jìn)行植球才能重新進(jìn)行焊接。2.2焊料種類

2.2.1、焊錫 作用：將所要焊接的元件與PCB焊盤連接到一起。

有無鉛焊錫與傳統(tǒng)有鉛焊錫兩種。無鉛焊錫內(nèi)不含鉛，且溶點比傳統(tǒng)(63%錫+37%鉛)焊錫高。63/37有鉛焊錫溶點為183℃，凝固點同樣為183℃。 注:此焊錫不會出現(xiàn)膠態(tài)[從液態(tài)冷卻到固態(tài)(或相反)的溫度點相同]。

60/40有鉛焊錫溶點為191℃，凝固點為183℃。 注:此焊錫有8℃范圍形成膠態(tài)[從液態(tài)冷卻到固態(tài)(或相反)所需的溫度范圍]。

無鉛焊錫溶點范圍從217℃到226℃。

常用的無鉛焊錫:

"Sn-Ag(錫+銀,96-98%錫)"Sn-Cu(錫+銅,96%錫)"Sn-Ag-Cu(錫+銀+銅,93-96%錫)"Sn-Ag-Bi(錫+銀+鉍,90.5-94%錫)"Sn-Ag-Bi-Cu(錫+銀+鉍+銅,90-94%錫) 2.2.2、焊錫膏成分：由兩部分組成，即助焊劑和焊料粉。錫膏要求開封即用，不宜暴露空氣放置太久。作用：除去金屬表面的氧化物并且含有焊錫，是腐蝕劑和焊錫按照一定比例的混合物。應(yīng)用：生產(chǎn)里起表面活性劑作用,高抗阻,活性強(qiáng),對亮點、焊電飽滿都有一定作用。要點：一般進(jìn)口錫膏的質(zhì)量優(yōu)于國產(chǎn)錫膏，但成本相應(yīng)提高，若提高的成本在可接受范圍內(nèi)則優(yōu)先選擇進(jìn)口錫膏以提高焊接可靠性和降低不良率。 2.2.3、錫球成分：Sn63/Pb37常用有鉛錫球；Sn99.3/Cu0.7，Sn96.5/Ag3.5，Sn96/Ag4，Sn96.5/Ag3/Cu0.5無鉛錫球作用：用來代替IC組件封裝結(jié)構(gòu)中的引腳，從而滿足電性互連以及機(jī)械連接要求的一種連接件。物理特性： 2.2.4、焊接設(shè)備 1、一般回流焊制造流程SMT流程圖 2、設(shè)備（1）工業(yè)烤箱

（2）貼片機(jī)

貼片機(jī)（3）焊膏印刷（絲印）機(jī)（4）回流焊機(jī)（爐）（5）PCB清洗機(jī)（6）x射線探測機(jī)（7）返修臺返修臺 2.3焊接操作流程1、確認(rèn)BGA器件、PCB是含鉛或是無鉛。此步驟確定后面采用有鉛或是無鉛焊接工藝。2、確認(rèn)BGA器件、PCB是否需要烘烤。烘烤步驟由烤箱完成。同時檢查PCB表面是否平整，翹曲 度是否在可接受范圍內(nèi)。3、對BGA器件進(jìn)行絲印焊膏，使BGA表面鍍上一層焊膏。由焊膏印刷機(jī)（絲印機(jī)）完成。需要使 用制作好的鋼網(wǎng)模板。 錫膏印刷的幾個參數(shù)：（1）刮刀壓力。一般使用較硬的刮刀或金屬刮刀。（2）印刷厚度。由鋼網(wǎng)（金屬模板）的厚度決定，而鋼網(wǎng)厚度與ic腳距有密切關(guān)系。（3）刮刀速度。一般在20~30mm/s。（4）刮刀角度。應(yīng)保持在45~75度之間。 4、裝貼元件錫膏印刷完成后使用貼片機(jī)來將表面組裝元件準(zhǔn)確安裝到PCB的固定位置上。貼片機(jī)的精度和穩(wěn)定性將直接影響到所加工電路板的品質(zhì)和性能。

（1）表面貼裝對PCB的要求：--表面光滑平整，不可有翹曲或高低不平，否則基板會出現(xiàn)裂紋、傷痕等不良。--熱膨脹系數(shù)的關(guān)系，元件小于3.2x1.6mm時，只遭受部分應(yīng)力，大于該值時要注意。--導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系。--耐熱性的關(guān)系，要達(dá)到260度10秒的實驗要求，應(yīng)符合:150度60分鐘后，基板表面無氣泡和損壞不良。--銅箔的粘合強(qiáng)度。--彎曲強(qiáng)度要達(dá)到25kg/mm以上。--電性能要求。--對清潔劑的反應(yīng)，在液體中浸漬5分鐘，表面不產(chǎn)生任何不良，并有良好的沖載性。（2）表面貼裝元件具備的條件：--元件的形狀適合于自動化表面貼裝--尺寸，形狀在標(biāo)準(zhǔn)化后具有互換性--有良好的尺寸精度--適應(yīng)于流水或非流水作業(yè)--有一定的機(jī)械強(qiáng)度--可承受有機(jī)溶液的洗滌--可執(zhí)行零散包裝又適應(yīng)編帶包裝--耐焊耐熱應(yīng)符合相應(yīng)的規(guī)定 5、回流焊接作用：將焊膏融化，使表面組裝元件與PCB板牢固粘接在一起。設(shè)備：目前大多使用熱風(fēng)回流焊爐進(jìn)行此項操作。部分采用紅外和熱風(fēng)混合焊爐。 操作要點：溫度曲線控制溫度曲線是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，實際溫度曲線和焊錫膏溫度曲線的升溫斜率和峰值溫度應(yīng)基本 一致。溫度曲線溫度曲線溫度曲線（forBGA） 溫區(qū)分布及各溫區(qū)功能： （1）預(yù)熱區(qū)：使PCB和元器件預(yù)熱，達(dá)到平衡，同時去除焊膏中的水分、溶劑，防止焊膏發(fā)生塌落和焊料飛濺升溫過快---會產(chǎn)生熱沖擊，導(dǎo)致PCB變形、元器件開裂、焊料飛濺、在非焊接區(qū)形成焊料球及焊 料不足 升溫過慢---產(chǎn)生助焊劑Flux活性作用 升溫速率---一般規(guī)定最大升溫速率為4度/sc，上升速率1-3度/sec。 （2）保溫區(qū)：指從120度升溫至160度的區(qū)域，使PCB上各元件的溫度趨于均勻。要點---保證在達(dá)到再流溫度之前焊料能夠完全干燥。到保溫區(qū)結(jié)束時，焊盤、錫膏球及元件引腳上的氧化物被除去。過程約60-120秒，視焊料性質(zhì)有所差異。 （3）回流區(qū)：本區(qū)加熱溫度設(shè)置得最高，峰值溫度根據(jù)所用錫膏的不同而有差異。要點---推薦為錫膏熔點溫度加20-40度，此時焊膏中的焊料開始熔化呈流動狀態(tài)，替代液態(tài)焊機(jī)潤濕焊盤和元器件。理想溫度曲線是超過焊錫熔點的“尖端區(qū)”覆蓋的面積最小且左右對稱。一般超過200度的時間范圍為30-40sec。 （4）冷卻區(qū)：用盡可能快的速度進(jìn)行冷卻。將有助于得到明亮的焊點并飽滿的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會導(dǎo)致PAD的更多分解物進(jìn)入錫中，產(chǎn)生灰暗毛糙的焊點，引起沾錫不良和弱焊點結(jié)合力。要點---降溫速率一般為-4度/sec，冷卻至75度左右即可?；亓骱附右晥D回流焊接視圖焊接流程視圖 6、清洗作用：將組裝好的pcb上對人體有害的焊接殘留物除去。設(shè)備：清洗機(jī)。 7、檢測 作用：對組裝好的PCB進(jìn)行焊接質(zhì)量和裝配質(zhì)量的檢測。 設(shè)備：放大鏡、顯微鏡、在線測試儀（ICT）、飛針測試儀、自動光學(xué)檢測（AOI）、功能測試、X-RAY檢測系統(tǒng)等。檢測步驟將查找以修復(fù)存在的一系列缺陷： （1）光學(xué)檢測 能夠檢測：元器件漏貼、鉭電容極性錯誤、焊腳定位錯誤或偏斜、引腳彎曲或折起、焊料過量或不足、焊點橋接或虛焊。 無法檢測：電路錯誤、對不可見焊點無法檢測。 （2）在線測試 能夠檢測：元器件的漏裝、錯裝、參數(shù)值偏差、焊點連錫、線路板開短路等故障，并準(zhǔn)確定位故障點。 缺點：測試用針床夾具的制作、調(diào)試周期長，價格貴，由于精度問題無法測試高密度SMT線路板。 （3）功能測試 對線路板輸入信號，按設(shè)計要求檢測其輸出信號，不能自動診斷故障。 （4）X-RAY檢查 3DX-RAY可對BGA等不可見焊點進(jìn)行多層圖象‘切片’檢測，即對BGA焊接連接處得頂面，中部和底部進(jìn)行逐層檢驗。還可檢測通孔中焊料是否充實。

檢測工序（光學(xué)檢測）檢測工序（X-RAY檢測） 8、返修作用：對檢測出故障的設(shè)備進(jìn)行返工。設(shè)備：返修臺。返修工序視圖(植球)返修工序視圖（返修臺）返修工序視圖（返修臺） 3、回流焊焊接后缺陷分析

（1）錫珠(SolderBalls)：

原因：

1、絲印孔與焊盤不對位，印刷不精確，使錫膏弄臟PCB。

2、錫膏在氧化環(huán)境中暴露過多、吸空氣中水份太多。

3、加熱不精確，太慢并不均勻。

4、加熱速率太快并預(yù)熱區(qū)間太長。

5、錫膏干得太快。

6、助焊劑活性不夠。

7、太多顆粒小的錫粉。

8、回流過程中助焊劑揮發(fā)性不適當(dāng)。錫球的工藝認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)焊盤或印制導(dǎo)線的之間距離為0.13mm時，錫珠直徑不能超過0.13mm，或者在600mm平方范圍內(nèi)不能出現(xiàn)超過五個錫珠。

（2）錫橋(Bridging)：

一般造成錫橋的因素就是由于錫膏太稀，包括錫膏內(nèi)金屬或固體含量低、搖溶性低、錫膏容易榨開，錫膏顆粒太大、助焊劑表面張力太小。焊盤上太多錫膏，回流溫度峰值太高等。

（3）開路(Open)：

原因：

1、錫膏量不夠。

2、元件引腳的共面性不夠。

3、錫濕不夠(不夠熔化、流動性不好)，錫膏太稀引起錫流失。

4、引腳吸錫(象燈芯草一樣)或附近有連線孔。引腳的共面性對密間距和超密間距引腳元件特別重要，一個解決方法是在焊盤上預(yù)先上錫。引腳吸錫可以通過放慢加熱速度和底面加熱多、上面加熱少來防止。也可以用一種浸濕速度較慢、活性溫度高的助焊劑或者用一種Sn/Pb不同比例的阻滯熔化的錫膏來減少引腳吸錫。 4、減少回流焊接缺陷的措施 （1）PCB設(shè)計階段的可加工性因素考慮1、元件選型。（）2、PCB元件布局3、涉及PCB板制程的因素 （2）回流焊接工藝上的措施 1、工藝參數(shù)設(shè)定合理，符合生產(chǎn)要求，消除工藝參數(shù)設(shè)定而造成BGA虛焊，但因BGA整體上均存在或多或少汽泡，需要優(yōu)化工藝參數(shù)，減少汽泡的產(chǎn)生；

2、生產(chǎn)過程中，物料符合生產(chǎn)要求，消除物料因質(zhì)量問題而造成BGA虛焊；

3、BGA虛焊由PCB變形，應(yīng)力增加而造成BGA虛焊，為減小BGA封裝焊盤處的PCB變形，將在BGA封裝附近的安裝孔處增加塑料墊片； 4、裝配散熱片螺釘時，應(yīng)對角裝配，消除裝配工藝對BGA產(chǎn)生應(yīng)力；

5、生產(chǎn)前確認(rèn)物料狀況，如無真空包裝，上線前一律進(jìn)行烘烤，并檢驗BGA外觀； 6、優(yōu)化工藝參數(shù)，確保BGA焊接質(zhì)量(為優(yōu)化工藝參數(shù)，需要1-2塊成品實物板量測回流焊曲線)。PCB設(shè)計階段的可加工性因素考慮回流焊接工藝上的措施物料管控

生產(chǎn)時,來料無真空包裝而無D