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1、BGA焊接分析报告,一、BGA概述,1、BGA简介BGA的全称是Ball Grid Array（球栅阵列结构的PCB），它是集成电路采 用有机载板的一种封装法。特点：封装面积减少功能加大，引脚数目增多PCB板溶焊时能自我居中，易上锡可靠性高电性能好，整体成本低。有BGA芯片的PCB板一般过孔较多，大多数应用中BGA下的过孔设计直径812mil，BGA处表面贴到孔的距离以规格为31.5mil为合适，一般不应小于10.5mil。BGA下过孔需塞孔，BGA焊盘不允许上油墨，BGA焊盘上不钻孔。,2、BGA封装类型（1）PBGA：载体为普通印制板基材，芯片通过金属丝压焊方式连接到载体上表面，塑料模压成
2、形，表面连接共晶焊料球阵列。优点：封装成本相对较低;和QFP相比，不易受到机械损伤;适用大批量的电子组装;字体与PCB基材相同，热膨胀系数 几乎相同，焊接时，对函电产生应力很小，对焊点可靠性影响也较少。缺点：容易吸潮。（2）CBGA：载体为多层陶瓷，芯片与陶瓷载体的连接可以有两种形式：金属丝压焊;倒装芯片技术。优点：电性能和热性能优良;既有良好的密封性;和QFP相比，不易受到机械损伤;适用于I/O数大于250的电子组装。缺点：与PCB相比热膨胀系数不同，封装尺寸大时，导致热循环函电失效。（3）CCGA：CCGA是CBGA尺寸大于32*32mm时的另一种形式，不同之处在于采用焊料柱代替焊料球。焊
3、料柱采用共晶焊料连接或直接浇注式固定在陶瓷底部。优缺点与CCGA大体相同，不同在于焊料柱能够承受CTE不同所产生的应力，能够应用在大尺寸封装。（4）TBGA：载体采用双金属层带，芯片连接采用倒装技术实现。优点：可以实现更轻更小封装;适合I/O数可以较多封装;有良好的电性能;适于批量电子组装;焊点可靠性高。缺点：容易吸潮;封装费用高。PBGA是目前使用较多的BGA，使用63Sn/37Pb成分的焊锡球，焊锡熔化温度为183度，锡球直径在焊接前为0.75mm,回流焊后锡球高度减为0.41mm0.46mm。,二、BGA焊盘设计的工艺性要求,1、设计中选用BGA器件设计者在电路中使用BGA器件时将面对诸
4、多问题：印制板焊盘图形、制造成本、可加工性、最终产品的可靠性等。使用BGA封装技术取代周边引脚表贴器件，出自于满足电路组件的组装空间与功能的需求。如QFP封装，引脚从封装实体向周边延展，这些引脚提供器件与PCB间的电路及机械连接；BGA器件则通过封装底部球状引脚实现连接，球引脚由共晶Pb/Sn合金或含90%的高熔点材料制成。,2、面临的问题周边引脚器件的封装已实现标准化，而BGA球引脚间距仍在不断缩小，导致现行的技术规范受到了限制，且没有完全实现标准化。精细间距的BGA器件使得PCB布局布线受到更多的制约。设计者必须保证能够满足SMT组装的工艺性要求。为了适应BGA器件的物理结构，信号布线由从
5、器件周边走线改为从器件底部PCB空闲部分走线，对间距较大的BGA器件不是难题，球引脚阵列有足够的走线空间，但对引脚间距较小的BGA器件，只能使用更细的导线布线。阵列最外边行列球阵列引脚间的空间很快被走线塞满。,导线的最小线宽与间距由电性能要求和加工能力决定，因此上述布线设计的导线数量是有限制的。为解决导线与间距问题，常采用的方法包括狗骨通孔焊、通孔焊盘图形设计。,通孔镀覆导电层，提供与内层布线连接构成通路，另一种为埋孔图形，从顶（底）面与内层钻孔相通，镀覆导电层构成通路。这两种连接方式直接受到加工能力，制造成本与组装工艺等因素制约。而埋孔图形方式，导致的生产、检测成本急剧上升，无特殊需求不采用
6、。,PCB组装工艺直接或间接受到BGA器件，及BGA贴装带来印制板设计要素变化的影响。设计者能够影响到的BGA器件SMT组装流程的特定要素：,常见应用设计中采用的BGA器件走线方式：,三、BGA焊接工艺,1、BGA器件的焊接方法目前包括BGA在内的SMD器件的焊接组装大都采用SMT（Surface Mounted Technology）工艺。SMT 是相对于传统的THT(Through-hole technology)技术而发展起来的一种新的组装技术，SMT技术实现了电子产品组装的高密度、高可靠、小型化、低成本，以及生产的自动化。而BGA器件的SMT工艺又有一些不同于普通或标准化SMD器件的要
7、求和操作步骤。,2、BGA器件的焊接工艺流程2.1 前期工作 1、首先确认待焊接的BGA芯片的制造工艺是有铅的(Pb)，还是无铅的(Pb-Free)。可以从芯片datasheet或丝引后 缀中取得信息。2、即将焊接的PCB板生产工艺是有铅的，还是无铅的。PCB制造推荐使用沉金工艺，喷锡工艺次之。3、烘烤：（1）BGA器件的真空包装打开后，在8h之内使用，可不用烘烤；超过8h的都要进行烘烤工作，烘烤条件：120度/8h。参见BGA管制规范。（2）有真空包装的PCB拆包后可不用烘烤直接使用，拆包暴露于空气中放置或潮湿季节生产的PCB的需要烘 烤才能使用。PCB的烘烤参见PCB管制规范。4、新拆包的
8、BGA器件不用植球，8H内可直接使用；返修的BGA需要进行植球才能重新进行焊接。2.2 焊料种类2.2.1、焊锡作用：将所要焊接的元件与PCB焊盘连接到一起。有无铅焊锡与传统有铅焊锡两种。无铅焊锡内不含铅，且溶点比传统(63%锡+37%铅)焊锡高。63/37有铅焊锡溶点为183，凝固点同样为183。注:此焊锡不会出现胶态从液态冷却到固态(或相反)的温度点相同。60/40有铅焊锡溶点为191，凝固点为183。注:此焊锡有8范围形成胶态从液态冷却到固态(或相反)所需的温度范围。无铅焊锡溶点范围从217到226。,常用的无铅焊锡:Sn-Ag(锡+银,96-98%锡)Sn-Cu(锡+铜,96%锡)Sn
9、-Ag-Cu(锡+银+铜,93-96%锡)Sn-Ag-Bi(锡+银+铋,90.5-94%锡)Sn-Ag-Bi-Cu(锡+银+铋+铜,90-94%锡)2.2.2、焊锡膏成分：由两部分组成，即助焊剂和焊料粉。锡膏要求开封即用，不宜暴露空气放置太久。作用：除去金属表面的氧化物并且含有焊锡，是腐蚀剂和焊锡按照一定比例的混合物。应用：生产里起表面活性剂作用,高抗阻,活性强,对亮点、焊电饱满都有一定作用。要点：一般进口锡 膏的质量优于国产锡膏，但成本相应提高，若提高的成本在可接受范围内则优先选择进口锡膏以提高焊接可靠性和降低不良率。,2.2.3、锡球成分：Sn63/Pb37常用有铅锡球；Sn99.3/Cu
10、0.7，Sn96.5/Ag3.5，Sn96/Ag4，Sn96.5/Ag3/Cu0.5无铅锡球作用：用来代替IC组件封装结构中的引脚，从而满足电性互连以及机械连接要求的一种连接件。物理特性：,2.2.4、焊接设备1、一般回流焊制造流程,SMT流程图,2、设备（1）工业烤箱,（2）贴片机,贴片机,（3）焊膏印刷（丝印）机,（4）回流焊机（炉）,（5）PCB清洗机,（6）x射线探测机,（7）返修台,返修台,2.3焊接操作流程1、确认BGA器件、PCB是含铅或是无铅。此步骤确定后面采用有铅或是无铅焊接工艺。2、确认BGA器件、PCB是否需要烘烤。烘烤步骤由烤箱完成。同时检查PCB表面是否平整，翘曲 度
11、是否在可接受范围内。3、对BGA器件进行丝印焊膏，使BGA表面镀上一层焊膏。由焊膏印刷机（丝印机）完成。需要使 用制作好的钢网模板。,锡膏印刷的几个参数：（1）刮刀压力。一般使用较硬的刮刀或金属刮刀。（2）印刷厚度。由钢网（金属模板）的厚度决定，而钢网厚度与ic脚距有密切关系。（3）刮刀速度。一般在2030mm/s。（4）刮刀角度。应保持在4575度之间。4、装贴元件锡膏印刷完成后使用贴片机来将表面组装元件准确安装到PCB的固定位置上。贴片机的精度和稳定性将直接影响到所加工电路板的品质和性能。,（1）表面贴装对PCB的要求：-表面光滑平整，不可有翘曲或高低不平，否则基板会出现裂纹、伤痕等不良。
12、-热膨胀系数的关系，元件小于3.2x1.6mm时，只遭受部分应力，大于该值时要注意。-导热系数的关系。-耐热性的关系，要达到260度 10秒的实验要求，应符合:150度60分钟后，基板表面无气 泡和损坏不良。-铜箔的粘合强度。-弯曲强度要达到25kg/mm以上。-电性能要求。-对清洁剂的反应，在液体中浸渍5分钟，表面不产生任何不良，并有良好的冲载性。（2）表面贴装元件具备的条件：-元件的形状适合于自动化表面贴装-尺寸，形状在标准化后具有互换性-有良好的尺寸精度-适应于流水或非流水作业-有一定的机械强度-可承受有机溶液的洗涤-可执行零散包装又适应编带包装-耐焊耐热应符合相应的规定,5、回流焊接作
13、用：将焊膏融化，使表面组装元件与PCB板牢固粘接在一起。设备：目前大多使用热风回流焊炉进行此项操作。部分采用红外和热风混合焊炉。,操作要点：温度曲线控制温度曲线是保证焊接质量的关键，实际温度曲线和焊锡膏温度曲线的升温斜率和峰值温度应基本一致。,温度曲线,温度曲线,温度曲线（for BGA）,温区分布及各温区功能：（1）预热区：使PCB和元器件预热，达到平衡，同时去除焊膏中的水分、溶剂，防止焊膏发生塌落和焊料飞溅升温过快-会产生热冲击，导致PCB变形、元器件开裂、焊料飞溅、在非焊接区形成焊料球及焊 料不足升温过慢-产生助焊剂Flux活性作用升温速率-一般规定最大升温速率为4度/sc，上升速率1-
14、3度/sec。（2）保温区：指从120度升温至160度的区域，使PCB上各元件的温度趋于均匀。要点-保证在达到再流温度之前焊料能够完全干燥。到保温区结束时，焊盘、锡膏球及元件引脚上的氧化物被除去。过程约60-120秒，视焊料性质有所差异。（3）回流区：本区加热温度设置得最高，峰值温度根据所用锡膏的不同而有差异。要点-推荐为锡膏熔点温度加20-40度，此时焊膏中的焊料开始熔化呈流动状态，替代液态焊机润湿焊盘和元器件。理想温度曲线是超过焊锡熔点的“尖端区”覆盖的面积最小且左右对称。一般超过200度的时间范围为30-40sec。（4）冷却区：用尽可能快的速度进行冷却。将有助于得到明亮的焊点并饱满的外
15、形和低的接触角度。缓慢冷却会导致PAD的更多分解物进入锡中，产生灰暗毛糙的焊点，引起沾锡不良和弱焊点结合力。要点-降温速率一般为-4度/sec，冷却至75度左右即可。,回流焊接视图,回流焊接视图,焊接流程视图,6、清洗作用：将组装好的pcb上对人体有害的焊接残留物除去。设备：清洗机。,7、检测作用：对组装好的PCB进行焊接质量和装配质量的检测。设备：放大镜、显微镜、在线测试仪（ICT）、飞针测试仪、自动光学检测（AOI）、功能测试、X-RAY检测系统等。检测步骤将查找以修复存在的一系列缺陷：（1）光学检测能够检测：元器件漏贴、钽电容极性错误、焊脚定位错误或偏斜、引脚弯曲或折起、焊料过量或不足、
16、焊点桥接或虚焊。无法检测：电路错误、对不可见焊点无法检测。（2）在线测试能够检测：元器件的漏装、错装、参数值偏差、焊点连锡、线路板开短路等故障，并准确定位故障点。缺点：测试用针床夹具的制作、调试周期长，价格贵，由于精度问题无法测试高密度SMT线路板。（3）功能测试对线路板输入信号，按设计要求检测其输出信号，不能自动诊断故障。（4）X-RAY检查3D X-RAY可对BGA等不可见焊点进行多层图象切片检测，即对BGA焊接连接处得顶面，中部和底部进行逐层检验。还可检测通孔中焊料是否充实。,检测工序（光学检测）,检测工序（X-RAY检测）,8、返修作用：对检测出故障的设备进行返工。设备：返修台。,返修
17、工序视图(植球),返修工序视图（返修台）,返修工序视图（返修台）,3、回流焊焊接后缺陷分析（1）锡珠(Solder Balls)：原因：1、丝印孔与焊盘不对位，印刷不精确，使锡膏弄脏PCB。2、锡膏在氧化环境中暴露过多、吸空气中水份太多。3、加热不精确，太慢并不均匀。4、加热速率太快并预热区间太长。5、锡膏干得太快。6、助焊剂活性不够。7、太多颗粒小的锡粉。8、回流过程中助焊剂挥发性不适当。锡球的工艺认可标准是：当焊盘或印制导线的之间距离为0.13mm时，锡 珠直径不能超过 0.13mm，或者在600mm平方范围内不能出现超过五个锡珠。（2）锡桥(Bridging)：一般造成锡桥的因素就是由于
18、锡膏太稀，包括锡膏内金属或固体含量低、摇溶性低、锡膏容易榨开，锡膏颗粒太大、助焊剂表面张力太小。焊盘上太多锡膏，回流温度峰值太高等。（3）开路(Open)：原因：1、锡膏量不够。2、元件引脚的共面性不够。3、锡湿不够(不够熔化、流动性不好)，锡膏太稀引起锡流失。4、引脚吸锡(象灯芯草一样)或附近有连线孔。引脚的共面性对密间距和超密间距引脚元件特别重要，一个解决方法是在焊盘上预先上锡。引脚吸锡可以通过放慢加热 速度和底面加热多、上面加热少来防止。也可以用一种浸湿速度较慢、活性温度高的助焊剂或者用一种Sn/Pb不同比例的阻滞熔化的锡膏来减少引脚吸锡。,4、减少回流焊接缺陷的措施（1）PCB设计阶段
19、的可加工性因素考虑1、元件选型。（）2、PCB元件布局3、涉及PCB板制程的因素（2）回流焊接工艺上的措施1、工艺参数设定合理，符合生产要求，消除工艺参数设定而造成BGA虚焊，但因BGA整体上均存在或多或少汽泡，需要优化工艺 参数，减少汽泡的产生；2、生产过程中，物料符合生产要求，消除物料因质量问题而造成BGA虚焊；3、BGA虚焊由PCB变形，应力增加而造成BGA虚焊，为减小BGA封装焊盘处的PCB变形，将在BGA封装附近的安装孔处增加塑料垫 片；4、装配散热片螺钉时，应对角装配，消除装配工艺对BGA产生应力；5、生产前确认物料状况，如无真空包装，上线前一律进行烘烤，并检验BGA外观；6、优化
20、工艺参数，确保BGA焊接质量(为优化工艺参数，需要1-2块成品实物板量测回流焊曲线)。,PCB设计阶段的可加工性因素考虑,回流焊接工艺上的措施物料管控 生产时,来料无真空包装而无D/C,上线前,进行烘烤,烘烤条件125,8H；烘烤结束后，检查BGA外观，在10倍放大镜观测，看BGA锡球是否良好，有无发现氧化等异常现象，如下图所示,BGA锡球良好,生产工艺管控 1、印刷参数管控，印刷机参数及印刷效果如下所示,印刷参数,印刷效果，应无锡少，坍塌，锡桥等不良现象，锡高为6.3mil左右,生产工艺管控 2、回流焊炉参数设定，参数设定以及回流焊后BGA焊接效果图如下所示,回流焊温区参数设定,X-Ray下
21、观察BGA焊接效果，无短路，焊接的锡球形状良好，无不规则形状,切片 切片图,锡球空洞小于25%,可接受,锡球空洞小于25%,可接受,锡球空洞小于25%,可接受,锡球空洞大于25%,不可接受,切片图,IMC层厚度量测,锡球与元器件焊盘之间厚度,锡球球与PCB焊盘之间厚度，14um之间，焊接良好,锡球与元器件焊盘之间厚度,锡球与PCB焊盘之间厚度，14um之间，焊接良好,总结 根据以往和最近经验，根据对SMT制程的了解和从专业加工厂获取的资讯，降低SMT焊接（特别是BGA器件）不良率的手段主要有：1、设计者熟悉SMT焊接的作业流程，关注制程流程及工艺。2、设计者在设计阶段要关注并尽量满足可加工性的规范要求。3、了解物料状况，板材，及其对应所使用的焊接工艺。4、由于各SMT加工厂能力参差不齐，考察加工厂的设备、工艺，是否达到标准制程作业的规定也起关键作用。5、促进检测手段的多样化，以利确定缺陷归属（物料、SMT制程、PCB设 计、PCB制程、原理图设计）。,谢谢!,
