目前的国际研究加强了面阵列封装在全球的趋势。BGA、CSP以及倒装焊晶片（Flip Chip）技术不仅显著地提供了在每平方毫米PCB面积上更多的I/O（输入/输出），同时它们还具有明显的电气、机械以及单位成本优势。密度提高、特征尺寸减小以及封装都使得信号的传播距离更短，从而提高了速度和性能。参见图1。因此，在2002年期待倒焊晶片和先进封装数量的急剧增加并不神秘，在2003年达到近20亿只。参见图2。生产设备的进步已经使得生产过程中的ppm失败率可以接受。然而对许多人来说，质量修复仍是一个昂贵的恶梦。对面阵列封装和生产参数更彻底的理解可以降低对BGA返修的惧怕、保证过程控制并大大节省返工成本。

 

 

根据大多数操作员的历史经验，三个维修问题仍然很重要：

 

1.    从板子上移走元件，不对基底、焊盘以及邻近的元件造成损伤。

 

2.    以过程控制的方式重新焊接元件。

 

3.         检查工艺质量。

 

从处理、手工焊接以及检查的观点看，驱动精细间距、外部引线器件（例如QFP、TAB、TCP元件）发展的密度和性能需求引起了大量的返修问题。面阵列封装没有出现这样的处理问题，使用典型的返修工具不能完成焊接过程，而且检查也曾经非常困难。如果对这种元件的应用的估计是正确的，那么必须采取一些措施，使面阵列封装返修对全球无数的返修操作员来说是一个可行的、用户友好的以及有成本效益的选择。

 

 

让我们研究一下在回流过程中的主要的考虑事项。参见图3。

 

 

 

在面阵列封装的整个表面上一致的热量分布和传输，在PCB上的焊盘图形是很关键的。加热过程和温度曲线必须试图使封装抵达回流并在球熔化时统一地“落回”或者降到焊盘，与焊盘形成金属间化合物。参见图4，展示了一个专业安装的PBGA的光学图片、X光图形以及一个横截面。注意元件是如何落下的、如何与PCB平行，以及所有的球如何在形状上一致、如何完全“浸润”或者与焊盘接合。

 

 

另一方面，不一致的加热会引起封装不均衡地落下或者朝过早地抵达回流的一边或一角倾斜。如果在此时停止该过程，该元件将不能均匀地落下，该元件不共平面，因此焊接就不充分。另外，对非常小和轻的CSP/倒装焊晶片元件（参见图7），一个关键的考虑事项是对流回流炉中的气流速度。需要一个最小的气流速度以传递热量给元件和PCB，在回流过程中这个速度不能把这些很轻的元件吹走或者移动。当非常小的共晶锡球处于液态时，任何运动都会造成球的表面张力和“支撑”功能被破坏，从而导致在回流时CSP完全落到PCB板上。

 

让我们关注面阵列封装的返修要求和回流目前的缺点。脱焊过程可使用大部分热空气设备进行，不过最难控制的是重焊过程。返工与生产一样，质量是最终的目标。在回流炉的密封环境中生产可获得高质量的BGA回流。然而，返工却不能在一个完全密封的环境中进行，在此，成功取决于在封装上以及PCB焊盘上热量分布的一致性，在回流中不吹动或者移动元件。在返修情形中热量对流传递包括通过喷嘴吹出加热的空气，喷嘴与元件的形状相同。气流是动态的，包含层流效应、高低压区域以及循环速度，其本身就是一门复杂的科学。

 

当把这些物理效应和热量吸收和分布结合起来时，很明显，用于本地区域加热的热空气喷嘴的构造，以及正确的BGA修复是一项复杂的任务。任何压力波动或者热空气系统所要求的压缩气源或者泵的问题都会从根本上降低机器的性能。                   图5：热空气喷嘴

 

某些热空气喷嘴被设计成与PCB接触以便提供更连贯的循环和热量分布，如果邻近的元件太接近（在此不允许喷嘴与板子接触），这种喷嘴就会遇到共面性问题和空间问题。这会破坏喷嘴中所希望的空气循环样式，导致BGA加热不均匀。另外，必须退出喷嘴的加热的空气常常会加热邻近的芯片、把它们吹走，或者烧伤邻近的塑料元件。

 

半自动对流修复系统常常提供存储大量“温度曲线”的功能。清楚地理解温度曲线的作用。在生产机器中，精确的温度曲线是过程控制的关键，它可确保所有焊点统一加热并达到充分的峰值温度。设置生产参数的起始点是实际的板子温度。通过分析实际的材料温度，工艺师可以调整机器的加热区域参数，以便获得希望的板子温度曲线。

 

可以存储大量加热元件的温度曲线和/或气流温度的对流返修机器，只能作为板子上热量情况的近似指示。更精确的方法是在回流过程中连接一个K型热偶到PCB来检验PCB板或者元件的实际温度曲线。另外，过程控制的最终形式是在过程中对焊点进行实际检查，也就是观看回流点。参见图6。

 

 

 

红外线回流焊炉和修复设备并不是新面孔。然而，由于以前使用的短波长IR有限的物理效应，红外线已经失去了一些市场。当热辐射均一地分布时，颜色深或者浅的物体吸收和反射热辐射并不均衡。虽然这样的热源对PCB预热是完全可接受的，但是对回流使用短波长IR常常在反射引线达到合适的回流温度前使颜色深的元件体和FR4基底材料过热。

 

面阵列封装返修站的购买决定必须从技术要求的可靠基础开始，过程控制非常重要。该设备必须能够让每个操作员始终确保质量，同时提高易用性。为获得高的投资回报，在灵活性方面，它应当能够完成SMD、TH、塑料连接等等。这将以最小的成本提供最大的用途。

 

过程控制的面阵列封装返修现在是业内最热的主题之一。使用这个先进的封装技术的期望的趋势，不必再使修复操作员惧怕（从易用角度看），不必再使质量控制检验员惧怕（从过程控制角度看），不必再使采购部门惧怕（从资本投入和运作成本角度看）。通过提供更细致的对各种面阵列封装的设计、生产回流的要求以及可用的修复技术的理解，很明显，通过返回到基础，每个人都会成功。

1          BGA器件的种类和特性

1.1 BGA器件的种类

按照封装材料的不同，BGA器件主要有以下几种：

（1）       PBGA（Plastic BGA塑料封装的BGA）

（2）       CBGA（Ceramic BGA陶瓷封装的BGA）

（3）       CCBGA（Ceramic Column BGA陶瓷柱状封装的BGA）

（4）       TBGA（Tape BGA载带封装的BGA）

（5）       CSP（Chip Scale package 芯片尺寸的封装或μBGA）

1.2 BGA器件的特性

与QFP相比，BGA的特性主要有以下几点。

（1）I/O端子间距大（如1.0mm、1.27mm 、1.5mm），可容纳的I/O数目多（如1.27mm 间距的BGA在25mm边长的面积上可容纳350个I/O端子，而0.5mm间距的QFP在40mm边长的面积上只容纳304个I/O端子）。

（2）封装可靠性高，焊点缺陷率低，焊点牢固。

（3）QFP芯片的对中通常由操作人员用肉眼来观察，当管脚间距小于0.4mm时，对中与焊接十分困难。而BGA芯片的端子间距较大，借助对中放大系统，对中与焊接都不困难。

（4）焊接共面性较QFP容易保证，因为焊料在熔化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。

（5）较好的电特性，由于端子小，导性的自感和互感很低，频率特性好。

（6）回流焊时，焊点之间的张力产生良好的自对中效果，允许有50%的贴片精度误差。

    （7）能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容，原有的丝印机、贴装机和回流焊设备都可使用。BGA与QFP特性比较见表1。BGA的缺点主要在于焊接后需X射线检测。

2          BGA器件的焊接

BGA器件的焊点的成功与否与印制电路装配（PBA）有着密切的关系，所以在PCB布局方面必须考虑三个特别关键的因素。

 

 

 

 

 

 

2.1 热管理

当进行PCB的布局设计时，必须考虑印制电路装配的热管理问题。例如，如果在PCB的一个区域范围内，BGA器件聚集在一起则可能在回流炉中引起PCB的热不平衡。在PCB的某个区域内集中放置许多大的BGA，可能会要求较长的加热周期，由此会造成PCB上较少元件区域内元件的烧坏。相反PCB的元件较少区域已达到焊接温度，而有BGA的区域温度还很低，助焊剂还来不及从BGA焊点中排出就完成了PCB的焊接周期，从而引起空洞或者焊球在焊盘中未能熔化。

2.2 过孔

组装BGA的PCB过孔位置的设计要严格按有关标准要求进行。任何与BGA元件焊盘相邻的过孔必须很好的地覆盖阻焊层，不覆盖阻焊层，会有过多的焊料从焊盘流到过孔中，从而引起焊盘与相邻过孔的短路。

2.3 焊盘几何形状和直径

器件封装引脚排列密度对焊盘几何形状和直径有直接的影响。同样，BGA元件具有不同的尺寸、形状和复杂性。封装尺寸的不断减小，焊盘的几何形状和直径将要求检测技术具备更高的清晰度。

3          BGA器件的验收标准

对于组装在印制电路组件上的BGA器件来说，验收标准是一个比较重要的问题。BGA元件未应用于产品设计之前，多数PCB制造商在其工艺检查中并未使用X光检测系统，而使用传统的方法来测试PCB器件，如自动光学检查、人工视觉检查、制造缺陷分析的电气测试以及在线与功能测试。可是这些方法并不能准确检测到所陷藏的焊接问题，如空洞、冷焊和桥接。X射线检测技术可有效地发现这类问题，同是可以进行实时监测、提供质量保证并且可以实现过程控制的即时反馈。

3.1 X射线评估

在第一块组装BGA器件的PC时，X射线可以通过焊盘边缘、开路、短路、桥接和空洞附近粗糙的未焊接区域的情况来评估再流焊的程序。开路、不接触等情况表示焊膏未能充分回流。短路桥接可能是由于太高的温度，焊料液化时间太长，使它流出焊盘并存在于相邻焊盘之间从而造成短路。

需要客观地评估空洞。发现空洞不怕，关键是焊点还能够焊接在焊盘上。但是理想的情况是焊点内无空洞。空洞可能是由于污染和锡/铅或助焊剂在焊膏内不均匀分布等形成的。另外，翘曲的PCB可能造成不充分焊接。开路的焊接点也可能存在。

空洞的数量与尺寸是验收合格的关键因素。通常，允许单个空洞尺寸最大为焊料球直径的50%，如果焊料是由回流的焊料所包围，焊料球将附着在焊盘上，50%的空洞还允许BGA工作，这虽然是一个非常临界的标准，电气性能可能会满足要求，但机械强度会受到影响。

含有BGA的PCB必须使用能够分辨至少小于100μm直径孔的X光系统来评估。X光系统必须能够对在测单元从上往下和倾斜两个方向观察。X光检查是成功焊接BGA的可靠保证。

3.2 建议的验收标准

    接收标准将帮助X射线检查系统确认许多典型的焊接问题，这些问题会与BGA器件的使用有关。包括几方面的内容。

（1）空洞

焊接空洞是由于在BGA加热期间焊料中夹杂的化合物膨胀所导致的。有空洞的BGA焊接点可能将来会引起失效等工艺问题。验收标准为，焊接点中的空洞不应该超过焊料球直径的20%，并且没有单个空洞出现在焊接点外表。如果多个空洞可能出现在焊点中，空洞的总和不应该超过焊料球直径的20%。

（2）脱焊焊点

不允许脱焊焊点。

（3）桥接和短路

当在焊接点有过量的焊料或者焊料放置不适当时，经常会发生桥接和短路。验收标准要求焊点不能存在短路或桥接。

（4）不对准

X光图像将清楚地显示出BGA焊料球是否准确地对准PCB上的焊盘。

（5）断路和冷焊点

当焊料和相应的焊盘不接触或者焊料流动欠佳时，发生断路和冷焊点问题。这是坚决不允许的。

4          BGA返修工艺

多数半导体器件的耐热温度为240^。C～600^。C，对于BGA返修系统来说，加热温度和均匀性的控制显得非常重要。BGA返修工艺步骤如下。

（1）电路板、BGA预热

电路板、芯片预热的主要目的是将潮气去除，如果电路板和BGA内的潮气很小（如芯片刚拆封），这一步可以免除。

（2）拆除BGA

拆除的BGA如果不打算重新使用，而且PCB可承受高温，拆除BGA可采用较高的温度（较短的加热周期）。

（3）清洁焊盘

清洁焊盘主要是将拆除BGA后留在PCB表面的助焊剂、焊膏清理掉，必须使用符合要求的清洗剂。为了保证BGA的焊接可靠性，一般不能使用焊盘上的残留焊膏，必须将旧的焊膏清除掉，除非BGA上重新形成BGA焊料球。由于BGA体积小，特别是CSP（或µBGA），体积更小，清洁焊盘比较困难，所以在返修CSP时，如果CSP的周围空间很小，就需使用免清洗焊剂。

（4）涂焊膏、助焊剂

在PCB上涂焊膏对于BGA的返修结果有重要影响。通过选取用与BGA相符的模板，可以很方便地将焊膏涂在电路板上。对于CSP，有3种焊膏可以先择：RMA焊膏，免清焊膏和水溶性焊膏。使用RMA焊膏，回流时间可略长些，使用免清洗焊膏，回流温度应选的低些。

（5）贴装

贴装的主要目的是使BGA上的每一个焊料球与PCB上的焊盘对准。必须使用专门的设备来对中。

（6）热风回流焊

热风回流焊是整个返修工艺的关键。

（a）BGA返修回流焊的曲线应当与BGA的原始焊接曲线接近，热风回流焊曲线可分成四个区间：预热区、加热区、回流区和冷却区，四个区间的温度、时间参数可以分别设定，通过与计算机连接，可以将这些程序存储和随时调用。

(b) 在回流焊过程中要正确选择各区的加热温度和时间，同时应注意升温的速度。一般，在100^。C以前，最大的升温速度不超过6^。C/s，100^。C以后最大的升温速度不超过3^。C/s，在冷却区，最大的冷却速度不超过6^。C/s。因为过高的升温速成度和降温速度都可能损坏PCB和BGA，这种损坏有时是肉眼不能观察到的。不同的BGA，不同的焊膏，应选择不同的加温度和时间。如CBGA BGA的回流温度应高于PBGA的回流温度，90Pb/10Sn应较63Sn/37Pb焊膏选用更高的回流温度。对免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接温度不宜过高，焊接时间不宜过长，以防止焊料颗粒的氧化。

（c） 热风回流焊中，PCB板的底部必须能够加热。这种加热的目的有二个：避免由于PCB板的单面受热而产生翘曲和变形；使焊膏熔化的时间缩短。对大尺寸板的BGA返修，这种底部加热尤其重要。BGA返修设备的底部加热方式有两种，一种是热风加热，一种是红外线加热。热风加热的优点是加热均匀，一般返修工艺建议采用这种加热。红外加热的缺点是PCB受热不均匀。

（d）要选择好的热风回流喷嘴。热风回流喷嘴属于非接触式加热，加热时依靠高温空气流使BGA上的各焊点的焊料同时熔化。保证在整个回流过程中有稳定的温度环境，同时可保护相邻器件不被对流热空气回热损坏。

说到BGA器件的维修（Rework），首当其冲的莫过于温度曲线（Themal Profiling）的设定。与正常生产的再流焊（Reflow）温度曲线相比，维修过程对温度控制的要求则要高得多。因为在常规的再流焊炉腔内，温度流失几乎为零。而对于维修而言，一般情况都是将PBA暴露在空气中对单个器件实施高温处理，在这种情况下，温度的流失相当严重，对此，绝不能单靠升温来达到温度的补偿。这是因为一方面对于器件体而言，过高的温度显然会损坏器件本身，而另一方而，升温必然造成PBA的受热不均引起弯曲变形等负面影响，因此，设定合适的温度曲线是BGA维修的关键。另外，由于PBA的材质，厚度及散热情况都不同，对应BGA的温度敏感程度也各不相同。为了达到满意的维修效果，也就是对不同的PBA上的每一种器件设定一条专用的温度曲线。

图1是KESTER参考曲线图，它显示了正常再流焊和BGA温度曲线的对比情况。通过图形我们可以看到，BGA曲线的温度从初始预热区后到焊锡熔点（183℃）所需要的时间相对更长，而在加热区的升温斜率也更加平滑。这条BGA的温度曲线，这就是我们维修所要追求的目标。

为了获得一条较为精确的温度曲线，热电偶的使用是必不可少的，一般说来，都是要将热电偶放到BGA中心部位的焊盘上。但这样做主要问题在于很难保证将热电偶连线能穿过焊球间的空隙达到器件中心部件，特别是随着µ BGA等超小形器件的出现难则更大。另外，热电偶和焊盘的接触也存在很大问题，没有人可以保证得到的数据究竟是从焊球还是空隙处获得的。另一种方法是在贴放BGA的PBA反面，既BGA中心的某个焊盘位置开一个孔，将热电偶从PBA底部伸进小孔并贴在焊盘的反面用高温焊锡固定。这样基本可以保证热电偶和焊盘的接触，导热性也可以有所保证。现大部分厂家采用的几乎都是这种方法。

助焊胶的使用

一般情况，在贴放一个新的BGA器件之前，应使用专用的微型丝网在PCB焊盘上涂上焊膏。但对于PBGA，MBGA等常用器件，也可以用直接涂抹助焊膏的办法，利用焊球自身的熔化进行焊接。当然，对于CBGA（Ceramic BGA），丝网和焊膏还是必须，因为CBGA的焊球熔点远比普通焊膏（Sn63/Pb27）熔点要高得多。

残留焊锡的去除和BGA器件的贴放

除了温度曲线之外，残留焊锡的去除和BGA器件的贴放也是维修中比较敏感的问题，一般情况下，人们可能觉得这些问题还没有达到如此重要要地步，但在实际操作中，往往就是这些看似不是问题的问题，给BGA维修的一次成功率带来很大的负面影响。

对于焊锡的去除，一般都采用吸锡铜线。但在实际操作过程中，往往由于操作工的疏忽造成焊盘的损坏，而焊盘的损坏又会导致BGA维修的彻底失败，以致造成PBA未能修复而报废，因此，也就需要特别注意。这里提供两条小经验：一是可以在BGA拆下的较短时间内去除焊锡，因为这时候PBA还未完全冷却，温差对焊盘的损伤相对较小；另一条是在去除焊锡的过程中可以使用一些助焊剂，这样可以提高焊锡“活性”，更利于残留焊锡的去除。操作中切忌吸锡铜线在烙铁的重压下移动。而BGA的重新贴放必然需要除锡达到“精加工”的程度，而这个“精加工”就目前的设备情况而言，这只能由具备一定技能的操作工完成。

温度曲线的借用

如前所述，调整温度曲线的常用办法是在PBA反面凿孔，这样的PBA显然是要报废的。但实际生产中可能会碰到一些不允许板子损坏的情况，那么如何来调整或设定曲线呢？

 

可以利用类似产品，比如相同的PBA材料，层数，甚至外形尺寸，相同的BGA类型，材质大小，焊球数量等进行模拟，如果有类似的曲线基本可以直接借用。

喷嘴的使用

    所有热风加热的返修设备，对不同大小的BGA器件都要选用合适的喷嘴。那什么才是最合适的呢。应该尽可能选用大于器件喷嘴，最好是喷嘴边缘距离器件边缘2~5mm左右，这样就能将器件完全覆盖，加热时才可能降低BGA器件中心及周边温差，保证焊接成功。

在电子产品尤其是电脑和通信类电子产品的生产领域，元器件向微小型化、多功能化、绿色化发展，各式封装技术不断涌现，BGA/CSP是当今封装技术的主流。

为满足迅速增长的对BGA器件电路组装需求，制造者需选择更安全、更快、更便捷的组装与返修设备及工艺。