1.BGA器件的種類和特性 1.1 BGA器件的種類: 按照封裝材料的不同，BGA器件主要有以下幾種： 1. PBGA（Plastic BGA塑膠封裝的BGA） 2. CBGA（Ceramic BGA陶瓷封裝的BGA） 3. CCBGA（Ceramic Column BGA陶瓷柱狀封裝的BGA） 4. TBGA（Tape BGA載帶封裝的BGA） 5. CSP（Chip Scale package 晶片尺寸的封裝或μBGA） 1.2 BGA器件的特性 與QFP相比，BGA的特性主要有以下幾點: （1）I/O端子間距大（如1.0mm、1.27mm 、1.5mm），可容納的I/O數目多（如1.27mm 間距的BGA在25mm邊長的面積上可容納350個I/O端子，而0.5mm間距的QFP在40mm邊長的面積上只容納304個I/O端子）。 （2）封裝可靠性高，焊點缺陷率低，焊點牢固。 （3）QFP晶片的對中通常由操作人員用肉眼來觀察，當管腳間距小於0.4mm時，對中與焊接十分困難。而BGA晶片的端子間距較大，借助對中放大系統，對中與焊接都不困難。 （4）焊接共面性較QFP容易保證，因為焊料在熔化以後可以自動補償晶片與PCB之間的平面誤差。 （5）較好的電特性，由於端子小，導性的自感和互感很低，頻率特性好。 （6）回流焊時，焊點之間的張力產生良好的自對中效果，允許有50%的貼片精度誤差。 （7）能與原有的SMT貼裝工藝和設備相容，原有的絲印機、貼裝機和回流焊設備都可使用。BGA與QFP特性比較見表1。BGA的缺點主要在於焊接後需X射線檢測。 2. BGA器件的焊接 BGA器件的焊點的成功與否與印製電路裝配（PBA）有著密切的關係，所以在PCB佈局方面必須考慮三個特別關鍵的因素。 2.1 熱管理 當進行PCB的佈局設計時，必須考慮印製電路裝配的熱管理問題。例如，如果在PCB的一個區域範圍內，BGA器件聚集在一起則可能在回流爐中引起PCB的熱不平衡。在PCB的某個區域內集中放置許多大的BGA，可能會要求較長的加熱週期，由此會造成PCB上較少元件區域內元件的燒壞。相反PCB的元件較少區域已達到焊接溫度，而有BGA的區域溫度還很低，助焊劑還來不及從BGA焊點中排出就完成了PCB的焊接週期，從而引起空洞或者焊球在焊盤中未能熔化。 2.2 過孔 組裝BGA的PCB過孔位置的設計要嚴格按有關標準要求進行。任何與BGA元件焊盤相鄰的過孔必須很好的地覆蓋阻焊層，不覆蓋阻焊層，會有過多的焊料從焊盤流到過孔中，從而引起焊盤與相鄰過孔的短路。 2.3 焊盤幾何形狀和直徑 器件封裝引腳排列密度對焊盤幾何形狀和直徑有直接的影響。同樣，BGA元件具有不同的尺寸、形狀和複雜性。封裝尺寸的不斷減小，焊盤的幾何形狀和直徑將要求檢測技術具備更高的清晰度。 3.BGA器件的驗收標準 對於組裝在印製電路元件上的BGA器件來說，驗收標準是一個比較重要的問題。BGA元件未應用於產品設計之前，多數PCB製造商在其工藝檢查中並未使用X光檢測系統，而使用傳統的方法來測試PCB器件，如自動光學檢查、人工視覺檢查、製造缺陷分析的電氣測試以及線上與功能測試。可是這些方法並不能準確檢測到所陷藏的焊接問題，如空洞、冷焊和橋接。X射線檢測技術可有效地發現這類問題，同是可以進行即時監測、提供品質保證並且可以實現程序控制的即時回饋。 3.1 X射線評估 在第一塊組裝BGA器件的PC時，X射線可以通過焊盤邊緣、開路、短路、橋接和空洞附近粗糙的未焊接區域的情況來評估回流焊的程式。開路、不接觸等情況表示焊膏未能充分回流。短路橋接可能是由於太高的溫度，焊料液化時間太長，使它流出焊盤並存在於相鄰焊盤之間從而造成短路。 需要客觀地評估空洞。發現空洞不怕，關鍵是焊點還能夠焊接在焊盤上。但是理想的情況是焊點內無空洞。空洞可能是由於污染和錫/鉛或助焊劑在焊膏內不均勻分佈等形成的。另外，翹曲的PCB可能造成不充分焊接。開路的焊接點也可能存在。 空洞的數量與尺寸是驗收合格的關鍵因素。通常，允許單個空洞尺寸最大為焊料球直徑的50%，如果焊料是由回流的焊料所包圍，焊料球將附著在焊盤上，50%的空洞還允許BGA工作，這雖然是一個非常臨界的標準，電氣性能可能會滿足要求，但機械強度會受到影響。 含有BGA的PCB必須使用能夠分辨至少小於100μm直徑孔的X光系統來評估。X光系統必須能夠對在測單元從上往下和傾斜兩個方向觀察。X光檢查是成功焊接BGA的可靠保證。 3.2 建議的驗收標準 接收標準將幫助X射線檢查系統確認許多典型的焊接問題，這些問題會與BGA器件的使用有關。包括幾方面的內容: （1）空洞 焊接空洞是由於在BGA加熱期間焊料中夾雜的化合物膨脹所導致的。有空洞的BGA焊接點可能將來會引起失效等工藝問題。驗收標準為，焊接點中的空洞不應該超過焊料球直徑的20%，並且沒有單個空洞出現在焊接點外表。如果多個空洞可能出現在焊點中，空洞的總和不應該超過焊料球直徑的20%。 （2）脫焊焊點 不允許脫焊焊點。 （3）橋接和短路 當在焊接點有過量的焊料或者焊料放置不適當時，經常會發生橋接和短路。驗收標準要求焊點不能存在短路或橋接。 （4）不對準 X光圖像將清楚地顯示出BGA焊料球是否準確地對準PCB上的焊盤。 （5）斷路和冷焊點 當焊料和相應的焊盤不接觸或者焊料流動欠佳時，發生斷路和冷焊點問題。這是堅決不允許的。 4.BGA返修工藝 多數半導體器件的耐熱溫度為240℃∼600℃，對於BGA返修系統來說，加熱溫度和均勻性的控制顯得非常重要。BGA返修工藝步驟如下。 （1）電路板、BGA預熱 電路板、晶片預熱的主要目的是將潮氣去除，如果電路板和BGA內的潮氣很小（如晶片剛拆封），這一步可以免除。 （2）拆除BGA 拆除的BGA如果不打算重新使用，而且PCB可承受高溫，拆除BGA可採用較高的溫度（較短的加熱週期）。 （3）清潔焊盤 清潔焊盤主要是將拆除BGA後留在PCB表面的助焊劑、焊膏清理掉，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的殘留焊膏，必須將舊的焊膏清除掉，除非BGA上重新形成BGA焊料球。由於BGA體積小，特別是CSP（或μBGA），體積更小，清潔焊盤比較困難，所以在返修CSP時，如果CSP的周圍空間很小，就需使用免清洗焊劑。 （4）塗焊膏、助焊劑 在PCB上塗焊膏對於BGA的返修結果有重要影響。通過選取用與BGA相符的範本，可以很方便地將焊膏塗在電路板上。對於CSP，有3種焊膏可以選擇：RMA焊膏，免清焊膏和水溶性焊膏。使用RMA焊膏，回流時間可略長些，使用免清洗焊膏，回流溫度應選的低些。 （5）貼裝 貼裝的主要目的是使BGA上的每一個焊料球與PCB上的焊盤對準。必須使用專門的設備來對中。 （6）熱風回流焊 熱風回流焊是整個返修工藝的關鍵。 （a）BGA返修回流焊的曲線應當與BGA的原始焊接曲線接近，熱風回流焊曲線可分成四個區間：預熱區、加熱區、回流區和冷卻區，四個區間的溫度、時間參數可以分別設定，通過與電腦連接，可以將這些程式存儲和隨時調用。 (b) 在回流焊過程中要正確選擇各區的加熱溫度和時間，同時應注意升溫的速度。一般在100℃以前，最大的升溫速度不超過6℃/s，100℃以後最大的升溫速度不超過3℃/s，在冷卻區，最大的冷卻速度不超過6℃/s。因為過高的升溫速度和降溫速度都可能損壞PCB和BGA，這種損壞有時是肉眼不能觀察到的。不同的BGA，不同的焊膏，應選擇不同的加熱溫度和時間。如CBGA的回流溫度應高於PBGA的回流溫度，90Pb/10Sn應較63Sn/37Pb焊膏選用更高的回流溫度。對免洗焊膏，其活性低於非免洗焊膏。因此，焊接溫度不宜過高，焊接時間不宜過長，以防止焊料顆粒的氧化。 （c） 熱風回流焊中，PCB的底部必須能夠加熱。這種加熱的目的有二個：避免由於PCB的單面受熱而產生翹曲和變形；使焊膏熔化的時間縮短。對大尺寸板的BGA返修，這種底部加熱尤其重要。BGA返修設備的底部加熱方式有兩種，一種是熱風加熱，一種是紅外線加熱。熱風加熱的優點是加熱均勻，一般返修工藝建議採用這種加熱。紅外加熱的缺點是PCB受熱不均勻。 （d）要選擇好的熱風回流噴嘴。熱風回流噴嘴屬於非接觸式加熱，加熱時依靠高溫空氣流使BGA上的各焊點的焊料同時熔化。保證在整個回流過程中有穩定的溫度環境，同時可保護相鄰器件不被對流熱空氣回熱損壞。
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