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2020/9/18 10:05:06
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1. BGA器件的分類和特點
說起BGA的返修，首先我們先了解一下這種器件的特點。BGA封裝的I/O端子以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面，焊點的加熱熔化主要通過封裝體與PCB的熱傳導。
BGA主要有PBGA，CBGA，CCGA和TBGA幾大類，我們目前生產中比較常見的是PBGA和CBGA。
PBGA （plastic BGA）是塑料封裝的BGA，也是目前使用較多的BGA，它使用63/37（有鉛）或者305（無鉛）成分的焊錫球，焊錫的熔化溫度為183℃或者217℃。PBGA的優點是成本較低，容易加工，不過由于塑料封裝，容易吸潮。
CBGA（ceramic BGA）是陶瓷封裝的BGA，也有一定范圍的應用，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是在元件和印制板上采用不熔焊球(實際上是它的熔點大大高于回流焊的溫度)，焊球直徑為0.889mm，高度保持不變。CBGA的焊錫球較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，焊錫不會在PCB的焊盤上。
BGA與其他類型元件的區別就是焊點在元件本體的下部，不能夠通過烙鐵等常規工具進行拆卸焊接，而且拆卸焊接過程也不能夠看到焊點的熔化和固化過程。這就決定了BGA維修的特殊性。下面我們就從上述應用最廣泛的PBGA說起，說說PBGA的返修。
2. BGA器件的返修流程
BGA返修主要有下述幾個步驟：準備、拆卸、植球、焊接和檢測。
3.1準備：
烘干：這個是最容易讓人忽視的程序，但恰恰也是十分重要和關鍵的程序。電路板和芯片烘干的主要目的是將潮氣去除，否則由于焊接時的迅速升溫，會使芯片內和電路板的潮氣馬上氣化導致芯片損壞。而烘干后的板子要在 24小時內完成拆卸焊接，同時植球前的芯片也要保證是烘干過的，并且24小時內完成植球。注意烘板前，將溫度敏感組件拆下后進行烘烤，例如光纖、電池、塑膠類拉手條等；否則容易造成的器件受熱損傷。
產品保護：這個環節也容易被忽視，但也很重要。返修板正面、背面有光纖、附件區域的電池需要拆除后才可返修，若返修單板背面距離返修芯片10mm及10mm以外有散熱器、插裝晶振、電解電容、塑膠導光柱、非高溫條形碼、BGA、BGA插座等，須在其表面貼5-6層高溫膠紙進行保護。
噴嘴和支撐的準備：對于寬度大于100mm的板子，應該給工作站加熱臺加支撐，支撐桿位置優選位于PCB板中間，使PCB保持平面，不能支撐到器件上。噴嘴選用實際尺寸比BGA大2～5mm的噴嘴。
拆卸/焊接曲線：由于加熱中BGA錫球的實際溫度與BGA的尺寸、封裝材料、設備的加熱系統效率、PCB的大小厚度以至于PCB在工作站的位置都有很大的關系，所以如果電腦中存儲了返修曲線程序，那么每次拆卸/焊接前都要測量一下，如果沒有程序則需要制作溫度曲線。溫度曲線板的制作規則和SMT的回流溫度曲線板的制作過程是類似，采用一塊與返修的PCB相同的試驗板，對于BGA元件，要采取底部打孔，把熱電偶伸進接觸到BGA錫球，然后用高溫錫或環氧樹脂固定。
SMT回流焊接工藝中一般使用兩種常見類型的溫度曲線，它們通常叫做保溫型（平臺型）和帳篷型（三角型）溫度曲線。在保溫型曲線中，裝配在一段時間內經歷相同的溫度。帳篷型溫度曲線是一個連續的溫度上升，從裝配進入爐子開始，直到裝配達到所希望的峰值溫度。返修工作站不同于回流爐，溫區有限，想做成平臺型的曲線比較困難，所以一般都是采用三角型的曲線。注意控制升溫斜率在3度/秒以下；也要注意冷卻斜率，冷卻快，錫點強度會稍微大一點，但不可以太快而引起元件內部的溫度應力，一般冷卻斜率不大于5度/秒。制作曲線的關鍵是要對PCB的底部進行充分的預熱，以防止翹曲；回流時間和最大溫度就參考推薦的參數即可。
3.2拆卸：
在返修準備工作做好的情況下，拆卸工作比較容易，只需選擇相應的溫度曲線程序。拆卸程序運行中，根據BGA封裝的物理特性，所有的焊點均位于封裝體與PCB之間，焊點的加熱熔化主要通過封裝體與PCB的熱傳導。返修程序運行完畢后，由設備自動吸取被拆器件，當器件表面粗糙不平情況下允許采用鑷子夾取；采用鑷子夾取時，先用鑷子輕輕撥動器件，確定器件已經完全融化后立即夾起。
拆卸后，在BGA芯片植球和貼裝之前，應清理返修區域，包括BGA焊盤和PCB焊盤。清理焊盤一般用扁平烙鐵頭+吸錫編帶。吸錫編帶專門用于從BGA焊盤和元件上去除殘留焊膏，不會損壞阻焊膜或暴露在外的印制線。將吸錫編帶放置在基板與烙鐵頭之間，加熱2至3秒鐘，熱量通過編帶以最佳方式傳遞到焊點，然后向上抬起編帶和烙鐵，抬起而不是拖曳編織帶，可使焊盤遭到損壞的危險降至最低。編織帶可去除所有的殘留焊錫，從而排除了橋接和短路的可能性。去除殘留焊錫以后，用適當的溶劑清洗焊盤區域。
3.3植球：
經過拆卸的BGA器件一般情況下可以重復使用，但由于拆卸后BGA底部的焊球被不同程度的破壞，因此必須進行植球處理后才能使用。
錫球和輔料的選擇：
植球使用的輔料選擇很重要，目前主要使用的焊錫膏和助焊膏，使用助焊膏時，置完球的芯片加熱過程中，在熱風的工作站環境下錫球往往容易連橋，所以推薦選用錫膏來進行植球。
而錫球則根據芯片的datasheet來進行選擇，成份上主要有無鉛305、有鉛63/37和CBGA用到的90Pb/10Sn等幾種，大小主要有0.3、0.4、0.5、0.6和0.7mm幾種。需要注意的是在選擇錫膏工藝時，錫膏的成份要與錫球的成份一致，而且在錫球大小的選擇上，要比原始芯片的直徑小一些，這樣錫球和錫膏重新融合成錫球后會最接近于原始芯片的大小。
植球的幾種常用方法：根據植球工具和材料的不同，植球的方法也不相同，但工藝流程是相同的。即印刷焊膏--置球—加熱。植球方法的區別在于第二步的置球。目前比較通用的置球方式有三種。
a.多用途植球器
此種植球器使用時，需要根據芯片的球徑和球間距選擇相應的模板，模板的開口尺寸一般比錫球直徑大0.05-0.1mm,將模板固定在底座上，錫球均勻的撒在模板上，搖晃植球器，多余的錫球從模板上滾到錫球收集槽中，使模板表面恰好每個漏孔中保留一個錫球。然后把植球器放置在返修工作站上，把印刷好錫膏的BGA器件吸在工作站的吸嘴上（印好錫膏的焊盤面向下），按照焊接BGA的方法進行對中，使BGA器件底部圖像與植球器模板表面每個錫球圖像完全重合。然后將吸嘴向下移動，把BGA器件貼裝到植球器模板的表面的錫球上，將BGA器件吸起來，錫球將粘在BGA器件相應的焊盤上（，小心用鑷子取下器件，進行后續的加熱。此種植球的優點是模板利用率高，只需準備4片不同規格的模板即可滿足絕大多數類型BGA的植球。缺點是操作稍顯復雜，需要借助工作站的視覺對中系統，而且大批量植球時效率不高。
b.專用植球器
專用植球器需要根據芯片的DATASHEET進行制作，一個裝載BGA器件的底座，加上鑲嵌印刷網板的蓋板和鑲嵌漏球模板的蓋板各一個。使用時，首先印刷網板的蓋板裝載到裝載有BGA的底座上，印刷錫膏后，取下蓋板，然后把漏球模板的蓋板裝載到底座上，將錫球均勻的撒在模板上，搖晃植球器，多余的錫球從模板上滾到錫球收集槽中，使模板表面恰好每個漏孔中保留一個錫球。垂直取下蓋板，觀察BGA器件上有無缺少錫球的現象，用鑷子補齊錫球。此種植球的優點是植球操作簡單，成功率高，缺點是植球工裝成本比較高，需要對每種不同封裝的BGA器件制作一套。
c.萬能植球器
此種萬能植球器原理和專用植球器類似，區別就是此種植球器底座可以通過三個絲桿控制X和Y方向的寬度以及Z方向的高度，從而適合絕大多數BGA芯片。固定好芯片后，后續的流程和專用植球器完全相同。如果維修不同封裝的BGA，只需要制作相應的印刷網板和漏球網板，然后把網板放入蓋板適配器上，進行對位調整到合適位置鎖緊即可。
上述三種植球方法，各有優缺點。不管采用哪種植球方法，后續的工作都要放到一個托板上，進行回流焊接。焊接時BGA器件的錫球面向上，需要注意的是熱風量調到最小，以免把錫球吹移位，溫度設定也比實際焊接溫度要低一些，同時適時觀察錫球熔化的狀態，融融狀態下持續十幾秒就要停止加熱，減少對芯片的熱沖擊。
3.4焊接：
焊接輔料的選擇：無論是焊接新BGA還是植球后的BGA，對輔料的選擇都是很嚴格的。焊接輔料主要有助焊膏和焊錫膏兩種。兩種輔料各有特點，助焊膏方式不需要制作鋼網，涂覆簡單快捷，維修速度快，但穩定性差，尤其對于大尺寸BGA容易產生開路等缺陷；而焊錫膏方式需要制作鋼網，對印刷要求一定的技巧，但可以有效地補償加熱過程中由于PCB變形產生的翹曲，有效防止開路的產生，改善焊接效果，得到比用助焊膏焊接更好的效果。
對于CBGA，由于錫球是高溫的90Pb/10Sn，熔點為302℃，焊接過程不熔化，故返修過程必須涂覆焊錫膏。
通過對實際焊接過程的分析及對焊接結果的觀察統計，在PCB上涂覆焊錫膏具有穩定性高，減少焊接缺陷，補償PCB熱變形等助焊膏不具備的優點，所以在實際焊接過程中，給出如下建議。在BGA尺寸大于15mm*15mm時和BGA是CBGA封裝條件下，必須使用焊錫膏作為焊接輔料；在BGA尺寸小于15mm*15mm,且PCB厚度大于等于1.6mm時，如果對維修速度要求較高，可以考慮使用助焊膏。
BGA焊接的流程：印刷錫膏（助焊膏）-視覺對中-回流
a. 印刷錫膏（助焊膏）
涂覆助焊膏：用畫筆蘸少許助焊膏，在焊盤上來回輕輕涂抹，檢查焊盤上助焊膏的涂抹情況，要求助焊膏涂布均勻。不可有助焊膏堆積現象，焊盤上不可有纖維、毛發等殘留。
印刷錫膏：印刷錫膏使用的鋼網有兩種類型，簸箕型和鋼片型，兩種類型應用都很普遍，網板的厚度和開孔的選擇與SMT生產鋼網的規范一致，依據錫球直徑和間距的大小。下面以鋼片型鋼網為例，說說印刷錫膏的流程。選擇對應的印錫鋼網，將印錫的小鋼網定位并用膠帶粘貼在PCB上（用來固定鋼網，并防止錫膏外溢）；需要使鋼網開口和焊盤完全重合，不錯位。用刮刀取適量錫膏，然后在小鋼網上刮過。刮錫膏時盡量使錫膏能在鋼網和刮刀之間滾動。然后向上慢慢的提起鋼網，提取的過程中，要減少手的抖動。
b.視覺對中
將涂抹好錫膏的單板平穩放置在工作臺上，將器件放在機器噴口中的吸嘴上，注意方向，然后進行視覺對中，使器件和焊盤的影像重合，運行機器，完成貼放動作。（采用印錫返修時，必須使用設備將BGA貼放在PCB上，不得使用手工放置。采用刷助焊膏返修時，可以用手工放置器件，以絲印框為準進行對位）。器件貼放后，需要檢查返修器件的高度是否一致，是否有高度不平、器件傾斜等異常。
c.回流
貼裝檢查完畢后，選擇與芯片對應的溫度曲線程序對BGA進行加熱，程序運行完畢，完成器件焊接過程。待板子冷卻后取走PCB。
3.5 檢測：
由于BGA焊點是不可見焊點，所以除了電性能測試外，主要應用X射線檢測。X射線透視圖可顯示焊接厚度、形狀及質量的密度分布。厚度與形狀不僅是反映長期結構質量的指標，在測定開路、冷焊、短路缺陷及焊接不足方面，也是很好的指標。
4. BGA返修常見問題分析
芯片翹曲：
BGA出現焊接缺陷后，如果進行拆卸植球焊接，總共經歷了SMT回流，拆卸，焊盤清理，植球，焊接等至少5次的熱沖擊，接近了極限的壽命，統計發現最終有5% 的BGA芯片會有翹曲分層，所以在這幾個環節中一定要注意控制芯片的受熱，拆卸和焊盤清理和植球環節中盡量降低溫度和減少加熱時間。
PCB翹曲：
熱風工作站采用上下部同時局部加熱來完成BGA的焊接，由于PCB材質的熱脹冷縮性質和PCB本身的重力作用，因而對PCB中BGA區域產生更大的熱應力，會使得PCB在返修過程中產生一定程度上的翹曲變形，支撐雖然起了一定的作用，但PCB變形仍然存在。嚴重時這種變形會導致外部連接點與焊盤的接觸減至最小，進而產生BGA四角焊點橋接，中間焊接空焊等焊接缺陷。因此要盡量控制溫度，由于工作站底部加熱面積較大，在保證曲線最大溫度和回流時間條件下，增加預熱時間，提高底部加熱溫度，而降低頂部加熱溫度，會大大的減少PCB的熱變形；另外就是注意底部支撐放置的位置和高度。
焊接開路：
造成焊接開路的原因比較復雜，上面論述的PCB翹曲是一個原因。另外還有幾個因素可能導致開路，重點查看焊接曲線是否正確，不正確的曲線會導致回流時間過短或溫度過低，而錫球和錫膏沒有充分回流造成開路；是否因為采用了助焊膏而不是焊錫膏作為焊接輔料，使用焊錫膏回流制程，發生開路的可能性會減少，這是因為焊錫膏對共面性的要求較低；是否PCB和芯片焊接前沒有進行烘干等等。
焊接短路：
PCB翹曲是導致焊接短路的原因之一，其他原因還有，網板開孔的厚度和印刷的錫膏量是否合適，錫膏過厚且不均勻，極容易產生短路；PCB和芯片是否烘干，如果沒有烘干，爆米花現象將可能引起短路；清理焊盤時是否破壞了阻焊膜，如果阻焊被破壞，很容易導致短路；另外就是溫度曲線是否正確。
5. 綜述
不管BGA返修技術怎么發展，返修效果如何的好，芯片在多次受到熱沖擊條件下，仍然存在著壽命縮短，穩定性變差的隱患，所以在提高返修能力的基礎上，還要從前端SMT環節，通過制程優化、設備和人員物料等管理環節，減少BGA的返修，從而達到高合格率，使BGA更具成本效益。
目前BGA的生產制程也很穩定，每家公司也都在提高工藝水平加強管理，BGA缺陷率也在逐步降低，但百密也有一疏，不可能完全杜絕BGA返修。所以每家公司適當地培訓返修技術人員，采用恰當的返修設備，了解BGA返修的關鍵工序，并且不斷總結返修的經驗，優化返修的制程，改進返修工藝，這些都有助于實現穩定、有效的返修。
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