新一代器件—BGA的组装与返修

随着IC技术的不断进步，IC的封装技术也得到迅速发展，BGA器件就是顺应了集成电路多引出线的要求，并且具有良好的表面安装工艺性。因此，近两年来倍受电子工业界的青睐。本文介绍了BGA的结构、特点及其组装和返修工艺。

随着表面安装技术的发展，I/O数不断增加，间隙有断减小，从通常的QFP(Quad Flat Package)四侧引脚扁平封装0.635mon到0.5mm、0.4mm甚至0.3mm或更小间距。一般0.5mm陶瓷QFP有304条引线，0.4mm陶瓷QFP有376条引线，估计这两种封装钭成为90年代通用封装的主流。但是由于受到器件引线框架加工精度的限制，一般认为QFP间距析限为0.3mm，这大大限制了高密度封装的发展。间距QFP对组装工艺要求严格，推广应用困难。因此世界上一些公司已把注意力集中在开发和应用比QFP优越BGA上。

BGA是Ball Grid Array的缩写，按字面可直译为球栅阵列，BGA是贴装IC的一种新的封装形式，其引出端矩距阵状分布在底面上，完全改变了引端分布在两侧或四边的封装形式，这样相同引出端数的BGA其焊点分布要比PLCC、QFP引出脚间距疏松的多。如果维持相同间距则BGA的引出端QFP多得多。如果一个313引出端的PBGA在电路板上占用一个有304引出脚的PQFP封装所占用的空间少34％，同时BGA的安装高度也比PQFP小，313引出端的PBGA的高约2.1mm，304引出脚的FQFP的高度为3.7mm。因此普遍认为BGA是高密度、高性能和I/O端子数的VISI封装的最佳选择。到目前为止，BGA的主要类型有：OMPAC(Over molded pad array carrier)和陶瓷BGA。另外根据引出端形状的不同还有PGA(pin Grid Array直译为针栅阵列)CGA(Column Grid Array直译为柱栅阵列)、HGA(Hole Grid Array直译为孔栅阵列)等。

1、BGA的结构与特点

BGA主要结构分为三部分：主体基板、芯片和封装。基板一面焊接面，另一面为芯片封装面。焊接面上球形焊矩阵状排列。基板为特别精细的印制线路板，有双面板与多层板几种形式。对于引出端数较多的基板一般为多层板，内部为走线层与电源、接地层。对于引出数端较少的基板用双面板即可。在芯片封装面上IC芯片以COB方式与基板连接。

一般BGA具有以下一些优点：

较好的共面性；焊球的大表面张力可以使器件在再流焊过程中自动校准中心；引出端间距增大，减少了由于焊膏印刷而引起的焊接问题；没有弯曲的器件引脚；良好的电性能；良好的热性能；封装产量高；较高的互连密度；较低的器件缺陷水平；较低的产品成本。当然BGA也有缺点：新型封装设计会面临一定的阻力；对焊点的可靠性要求更严格；检测花费很大，需要使用X光；返修方法更困难，同时返修后不能再利用；对温度敏感；小批量生产成本高。

2、BGA器件的安装

因为人们已经习惯了使用小间距QFP，所以一种新的工艺出台，必须需要有比细间QFP更加强大的优点，人们才可能接受它。与细间距QFP封装相比，BGA封装很容易。这是因为可以使用现有的表面安装设备贴装BGA，同时BGA封装与其他多引脚封装相比，所需要的资金较低。另外BGA也与现有的其它工艺方法相兼容，而且大部分不同尺寸的BGA元件都可以用盘和带来装配，它远比QFP器件结实牢固，这大大地减少了工艺过程中的损坏。

通常在组装BGA时，组装前必须在PCB的焊盘上施加助焊剂，以减少焊盘和焊球上的氧化物。使用BGA则必在焊盘上加焊剂，因为焊球中已含有低熔点的焊料，在再流焊中，直径为30mil(1mil=千分之一英寸=0.0254cm)的整个焊球熔化，可提供足够的焊料，按封装的尺寸和焊球分布的不同，可给出18至22mil的焊点，这个焊点是足够牢固的，甚至在提高再流温度或PCB弯曲时，器件的焊接也是足够牢固的。

贴装BGA器件比贴装细间距QFP器件简单，国为焊球至器件的边缘公差很小优于+2mil，以器件的轮廓为基准，就能把器件放准确；另外，由于BGA在再流焊中受熔化焊球的表面张力的作用，即使器件与焊盘的偏差达到50％，也会很好地自动校准。

虽然BGA与标准的SMT工艺设备相兼容，但是专门用于贴BGA的设备现在已经上市了，有的设备采用向上观看的激光器来对准球栅阵列中心。有的设备采用分光棱镜和立体显微镜或监视器组成的光学系统投影到立体显微镜或监视器内，两个影像发生重叠，通过显微镜或监视就可以观察到焊盘的相对位置。还有些机器能实现检测遗漏的焊球并判是否在一个平面上。

另外还需注意的是：通常BGA对潮湿非常敏感，尤其是OMPAC，它能使封装器件与衬底裂开。这是由于粘模片的环氧树脂吸附潮气，当器件被加热到再流温度时，它所吸附的潮气就会汽化，在环氧树脂内造成大的应力，水汽要模片下的衬底上形成气泡，这将导致炸裂。如果吸附的潮气很多，那么炸裂就会很厉害，可能会一直延伸到衬底的四周。因此最好在安装前，把器件放在1250C的烤箱中烤24小时，这种烘烤最好能在惰性气体环境中进行。

3、BGA再流焊

BGA再流焊可采用红外加热炉，也可采用热风对流加热炉，这一工艺与QFP表面安装工艺非常相似。焊球开始时的直径约是25mil，在再流焊中塌陷为3到7mil，这一过程也被叫做受控芯片载体塌陷连接。在BGA再流焊过程中，温度控制是必不可少的，一定要依据BGA制造商提供的数据，否则可能损坏BGA的内部结构。同时应防止由于再流时间过长而造成的器件损坏。一般再流焊条件为：最佳温度2150C，最高温度低于2400C，熔化温度下保持60到90秒。

4、BGA焊点的检测

因为在BGA焊接后，其焊点不容易看到，所以检查BGA的焊点就比检查其它表面安装的焊点难多了，但与BGA的极高的安装产量相比，这一缺点也就不算什么了。由于原子密度的不同，在检测漏焊、虚焊和重焊时用X射线系统来检测焊点的开路虚焊，可在板子设计时对焊盘形状做一简单的修改，如在每一焊点的园焊盘旁加一与园焊盘连接的小标记，这样在再流焊期间，如果焊点是好的，那么来自焊球的焊料会充满标记区，否则该标记上无焊料。

5、BGA返修

BGA的返修技术在于如何将BGA器件无损伤从PCB上拆卸下来，再将新的器件准确地贴装上去并高质量地焊接。由于下面三个原因BGA的返修成本明显地高于QFP：

（1）BGA组装的任何缺陷都需要返修，因为单一的短路或开路返修都是不可能的。

（2）返修一个BGA比QFP更困难，同时需要附加的工具投资。

（3）返修的BGA器件一般被扔掉，而有些QFP如果在拆卸时足够小心的话还可再利用。不过随着间隙变得更细，这一利用也将变得不再可能。

BGA器件的拆卸可采用传导，对流及辐射三种方式，通常要求加热温度是可控制的，可通过设置最高温度和加热计时器来保证可重复性。如果采用传导方式来拆卸BGA器件，需要设计一种专用的传导工具，将该工具的加热头加热到3160C后放在器件上，利用器件上传热量，便器件引出端的焊料再流，加到拆卸的目的；如果采用热流方式，热喷嘴应置于要返修修的BGA表面上100mil处，并从顶部加热，热喷嘴尺寸应小于或等于器件的塑模。一般不从器件底部加热，因为这样会导致剥离损坏，并使邻近器件局部再流。如果要拆下的器件早已是坏的，就不用考虑熔化温度和时间；如果要拆下的器件还准备再用，那么为了避免爆裂，在拆下器件之前，先要在1250C温度下烘烤24小时。在加热和拆卸之前，在器件下面加一些液体助焊剂可使加热均匀。为避免板子或其它器件的损，要小心地控制其加热量、加热方向和热溢出量等。

器件拆卸后，必须为新器件的焊接做好准备，清除遗留在板子上的焊料带把它们吸走。高温喷嘴和低温接触工具结合使用不会损坏PCB。同时为了保证焊盘阵列的共面性和清洁度，为新的BGA焊接创造良好的环境，还原对返修区进行热风整平，首先施加一种认可的焊剂，然后降低BGA拆卸喷嘴进行热风对流，这将有效地清除任何遗留在PCB上微小焊毛刺及残渣，从而保证良好的可焊性。

当重贴BGA器件时，必须使器件底面上的焊料球与PCB板上的膏相连接，在大部分返修操作期间，操作者处理的是一元件密件的PCB，再使用初始的模板印刷膏是不可能的，这时可把BGA器件翻转过来固定在一夹具上，然后降低和对准焊膏模板，用一小刮刀印刷焊膏。BGA器件在安装前后都要被称重，称重的目的为了测定印刷在焊盘上的焊膏量。每一个BGA焊盘阵列都有一个最小的焊膏容积Vmin，维持最低的焊膏体积Vmin 的目的有两个：（1）为了保证有足够的面积，该面积能使焊点有良好的导电性；（2）为BGA和基板间的不同热膨胀应力提供充足的焊膏容积。由于BGA引出端的间距较大，出现焊接桥接的可能性不大，所以最大焊膏量可有一定的伸缩性，推荐焊膏容积的范围为：Vmin≤V≤2Vmin.

当重贴DMPAC时，选用焊膏仅是一选择方案，推荐使用焊剂，它可保证实现高质量的焊点。

返修期间BGA器件的对准问题是最困难的，因为每一类型BGA都有其自已的贴装考虑。对CBGA来说，由于制造者不能保证从陶瓷基板过缘到球栅阵列恒不变，因此不能使用CBGA的边缘进行可靠的可视对准。要求贴装系统后能够同时看到PCB的顶部和CBGA的底部，分步进行X、Y、Q轴调节，然后准确对准CBGA到焊盘阵列上。

OMPAC或PBGA贴装相对容易，因为它制造使用的是紧模压公差，从BGA的边缘到球栅阵列之间公差配合很紧，这样通过使用PCB上的适当标志，大部分操作者都能把BGA贴放到焊盘囝列的25％范围之内。然后通过再流期间焊料的表面张力将BGA拉到适当的位置。

BGA器件的重贴再流与拆卸要示一样，温度控制是绝对必须的，一般再流温度为2100C到2150C时间最长75秒，同时还应参照BGA制造者提供的再流参数，否则会损坏BGA器件的内部结构。另外再流焊期间通常要求惰性气体和无清洗焊剂结合使用，因为BGA器件下的充分清洗几乎是不可能。最后使用X射线对返修的BGA器件进行无损检测。

结束语

BGA作为一个多引脚集成电路的新封装形式，其贴装、焊接与检测在SMT技术领域中还都是新课题，随着进一步的深入研究，其成果必将会使SMT进入一个新的阶段。