BGA焊接工艺管控要素分析 - 图文

BGA焊接工艺管控要素分析

邓诗杰

（航盛电子股份有限公司）

摘要：随着电子技术的发展，电子元件朝着小型化和高密集成化的方向发展。

BGA元件已越来越广泛地应用到SMT装配技中来，并且随着BGA（球栅阵列封装）和CSP（芯片尺寸封装）的出现，SMT装配的难度是愈来愈大，工艺要求也愈来愈高。由于BGA的返修的难度颇大，故实现BGA的良好焊接是放在所有SMT工程人员的一个课题。

关键词：BGA 焊接 温度 表面贴装技术

Analysising Factor Of BGA Welding

Procedure

ShiJie Deng

Shenzhen Hangsheng Electronics Co., Ltd.

Abstract:with the development of electronic technology, electronic compone

nts toward miniaturization and high density integrated direction. The BGA element is widely applied to the SMT assembly technology, and with the BGA (ball grid array) and CSP (chip scale package) appears, Surface mount technology becomes very difficult,Process becomes more demanding.The Requirement of repairing BGA is higer,It is an issue to have a good weiding,all SMT engineers have to face the problem.

Keywords: BGA Welding Temperature Surface mount technology

序言

由于BGA焊球不可见性, BGA 焊点的检测非常困难,目前组装过程中常用的检测方法是X光自动检测,可进行BGA空洞(Void)、偏移、连锡、假焊等缺陷的检测。但BGA的维修难度大费用昂贵，生产过程中，针对物料、PCB板、回流焊接等关键因素管控可有效的减少焊接缺陷的产生，本文将从各工艺流程分析需管控的要素。

1、焊接机理详述-IMC界面的形成

当焊料被加热到熔点以上，焊盘金属表面在助焊剂的活化作用下，对金属表面的氧化层起到清洗作用，同时使得金属表面和焊料金属颗粒获得足够的激活。

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熔融的焊料在经过助焊剂净化的焊盘表面上进行浸润，发生化学扩散反应，在焊料和焊盘表面直接发生金属间化学结合,生产金属间合金层(IMC)。

图1 IMC层结构

2、 PCB板管控要点分析

2、1 PCB板表面处理工艺的选择

我司目前使用的PCB板采用的表面处理工艺包括热风整平（HASL，hot air solder leveling）、化学镀镍/浸金。热风整平又名热风焊料整平，它是在PCB表面涂覆熔融锡铅焊料并用加热压缩空气整平（吹平）的工艺，使其形成一层既抗铜氧化又可提供良好的可焊性的涂覆层。热风整平时焊料和铜在结合处形成铜锡金属化合物，其厚度大约有1～2mil。

化学镀镍/浸金实在铜面上包裹一层厚厚的，电性能良好的镍金合金并可以长期保护PCB。其能够在PCB长期使用过程中有用并实现良好的电性能。另外它也具有其它表面处理工艺所不具备的对环境的忍耐性。镀镍的原因是由于金和铜之间会相互扩散，而镍层可以阻止其之间的扩散，如果没有镍层的阻隔，金将会在数小时内扩散到铜中去。化学镀镍/浸金的另一个好处是镍的强度，仅仅5um厚度的镍就可以控制高温下Z方向的膨胀。此外化学镀镍/浸金也可以阻止铜的溶解，这将有益于无铅焊接。

图2 化学镀镍/浸金板 图3 喷锡板

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2、2 PCB板存储及使用

PCB包装需抽真空包装，包装袋内附防潮袋及湿敏指示卡，湿度显示卡能够便捷、经济的检测湿度是否在受控范围，通过卡片上的颜色迅速判断产品包装内的湿度及干燥剂的效果。如果包装中的湿度超过或等于该湿度值，卡片上的对应的点就会从干燥色变成吸湿色（粉红色），据此可以简易地得知干燥剂的使用效果。

图4 湿敏指示卡

拆包时必须进行检查，包装袋不允许有破损、超存储期，PCB板面不能有划伤、起泡、焊盘氧化等明显外观缺陷。

上线贴片生产前，PCB还需进行两道工艺的管控。需进行110±10℃/2H PCB的烘烤，可杜绝受潮造成的焊接不良。同时在PCB板的搬运、停放的过程都有可能使其表面粘上灰尘和污迹，PC板上的静电也会促使PCB吸附灰尘，SMD变得越来越小，微小的灰尘或污迹都有可能影响焊接质量，如假接。对于高焊接质量要求的BGA来说，产前板面清洁显得尤为重要，我司目前使用的全自动板面清洁机，使用高压离子风去除板面静电，并吹去杂物，再通过超强真空将杂物灰尘经吸尘口抽走，以保证锡膏印刷时板面的清洁度，保证了锡膏的印刷效果以及炉后的焊接效果。

3、BGA的保存使用

BGA元件是一种高度的温度敏感元件，所以BGA必须在恒温干燥的条件下保存，操作人员应该严格遵守操作工艺流程，避免元器件在装配前受到影响。一般来说，BGA需放在防潮柜，BGA的较理想的保存环境为20℃-25℃,湿度小于10%RH（有氮气保护更佳）。

使用前需进行烘烤，烘烤的温度最不要超过125℃，因为过高的温度会造成锡球与元器件连接处金相组织变化，而当这些元器件进入回流焊的阶段时，容易引起锡球与元器件封装处的脱节，造成SMT焊接质量问题。如果烘烤的温度过低，则无法起到除湿的作用。在条件允许情况下，我们建议在贴片前将元器件烘烤，

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有利于消除BGA的内部湿气防止“ 爆米花”现象，并且提高BGA的耐热性，减少元器件进入回流焊受到的热冲击对器件的影响。BGA元器件在烘烤后取出，自然冷却半小时才能进行贴片作业。

4、BGA焊接工艺要求及空洞形成预防

回流焊接是最难控制的步骤，因此获得较佳的回流曲线是得到BGA良好焊接的关键所在。

预热阶段，在这一段时间内使PCB均匀受热升温，并刺激助焊剂活跃。一般升温的速度不要过快，防止线路板受热过快而产生较大的变形。尽量将升温速度控制在3℃/秒以下，较理想的升温速度为2℃/秒。时间控制在60～90秒之间。 浸润阶段，这一阶段助焊剂开始挥发。温度在150℃～180℃之间应保持60～120秒，以便助焊剂能够充分发挥其作用。升温的速度一般在0.3～0.5℃/秒。 回流阶段，这一阶段的温度已经超过焊膏的熔点温度，焊膏熔化成液体，元器件引脚上锡。该阶段中温度在183℃以上的时间应控制在60～90秒之间。如果时间太少或过长都会造成焊接的质量问题。其中温度在220 +/- 10 ℃范围内的时间控制相当关键，一般控制在10～20秒为最佳。

冷却阶段，这一阶段焊膏开始凝固，元器件被固定在线路板上。同样的是降温的速度也不能够过快，一般控制在4℃/秒以下，较理想的降温速度为3℃/秒。由于过快的降温速度会造成线路板产生冷变形，它会引起BGA焊接的质量问题，特别是BGA外圈引脚的虚焊。

图5 典型回流焊接曲线

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在SMT工艺中，形成空洞的直接原因是锡膏在熔融状态时进行回流焊接时，会有一些挥发性的助焊剂或汽体从液态的焊料中排出释放，由于排放的不彻底，导致焊点表面层金属焊料固化之后仍然有气体残留，从而形成空洞。空洞存在于BGA焊球中会导致产品功能性不良，空洞中的气体存在可能会在热循环过程中产生收缩和膨胀的应力作用，空洞存在的地方便会成为应力集中点，并有可能成为产生应力裂纹的根本原因。

图6 BGA中的空洞

影响BGA焊球空洞形成的原因有很多，如回流曲线设置、焊盘微孔、锡膏受潮等。如果把过孔设计在焊盘的下面，在焊接的过程中，外界的空气通过过孔进入熔溶状态的焊球，焊接完成冷却后焊球中就会留下空洞，所以用于BGA焊接的焊盘在设计是一定要避免盘中或其它微孔的存在。在锡膏方面，锡膏必须回温４小时，并进行充分的搅拌，其回温搅拌过程要保持密封性，防止锡膏本身吸潮，水分增加，炉后产生气泡，同时锡膏印刷后必须半小时贴片，2小时过炉，防止锡膏暴露空气中吸收水分。

回流曲线设置在预防空洞形成是比较重要的。锡膏中的助焊剂主要起到辅助 热传导、去除氧化物、降低被焊接材质表面张力、去除被焊接材质表面油污、增大焊接面积、防止再氧化等作用，是必不可少的。在浸润阶段，助焊剂发挥其作用，这一阶段助焊剂开始挥发，此阶段应保持60～120秒，尽量延长预热的时间，以便助焊剂能够充分发挥其作用及保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。BGA焊球的回流时间应该控制在10～20秒，过长得回流时间会导致焊料内气泡扩散的越来越大。

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总结

随着BGA封装的广泛应用，BGA的各种焊接缺陷的分析与解决成为SMT工程 师主要需攻克的问题。本文对各管控要素的分析，如回流曲线设置调整、BGA 保存要求等，阐述通过各工艺进行管控，达到减少焊接缺陷的目的。同时对 于焊接缺陷空洞的形成进行了分析，消除或减少空洞的工艺管控提出，对于 解决SMT组装中BGA空洞缺陷的分析与解决有借鉴意义。

参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vc4r.html