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BGA组装技术及要点分析



 

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          BGA组装技术及要点分析,从BGA的封装形式、PCB的设计、焊膏印刷、贴片、回流焊接工艺等方面分析了BGA组装过程中应注意,的问题及其预防措施。以常用的PBGA和CBGA为例,分析了两种不同封装形式BGA的结构特点和组装过程中应注意的问题,以焊膏Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5为例,分析了传统的SnPb组装工艺和无铅组装工艺的特点,以提高BGA组装的质量。
    由于BGA封装形式的特殊性,其返修需要特殊的返修工具,而且返修难度大,成功率低。对于电子组装生产厂家来说,提高BGA 组装质量,对于提高产品质量和降低成本具有重要的意义。

          BGA组装技术及要点分析BGA的组装工艺,在BGA 的组装过程中,每一个步骤,每一个工艺参数都会对BGA的组装造成影响,因此对于BGA组装的每一个步骤都要严格控制。对于锡铅和无铅的电子组装工艺而言,焊膏印刷、贴片工艺过程都没有太大的差别,主要的区别在于回流过程中温度曲线的设定,锡铅回流焊接工艺与无铅回流焊接工艺存在较大的差异。另外由于BGA的封装形式的不同,存在的热阻不同,为了满足回流焊接温度曲线的要求,其温度设定与时间也存在一定的差异

              BGA组装技术及要点分析BGA的封装形式,目前出现的BGA 封装,按基板的种类,主要分为PBGA (塑料封装的BGA)、CBGA (陶瓷封装的BGA)和TBGA (载带状封装的BGA)。PBGA封装由安装和互连到双面或多层PCB基板的芯片组成,通孔将顶层表面的信号印制线互连到基板底部相应的焊盘上。在芯片粘结和引线键合之后,用递模或注模工艺将组装好的部分上模塑包封,是目前应用最为广泛的一种BGA器件,主要应用在通信产品和消费产品上。由于其具有以下优点,因此广泛应用于SMT 的组装:高的I/O引出端数与封装面积比:与环氧树脂PCB的热膨胀系数CTE相匹配,热综合性能良好:良好的电气性能;高的互连密度;SMT组装中较低的焊球共面性要求,一般为0.15~0.20 mm;SMT回流工程中具有自对中功能:消除了窄节距焊膏印刷;减小了焊盘之间桥连的可能。
    PBGA器件是一种高度的湿度敏感器件,其必须在恒温干燥的条件下保存,避免元器件在组装前受到影响。一般BGA较理想的保存环境为20—25℃,RH小于10% (有氮气保护措施更佳)。故BGA密封的防潮包装一旦被打开,必须在规定的时间内组装到PCB上。PBGA芯片在拆封后必须使用的期限由芯片的敏感性等级所决定.
在组装过程中,BGA的包装被打开后无法在相应的时间内进行组装,而且暴露的时间超过了表1中规定的时间,那么在下一次使用之前为了使BGA 具有良好的可焊性,建议对BGA 进行烘烤。烘烤温度一般不要超过125℃,RH低于60%,因为过高的温度会增加焊球和BGA 连接处金属间化合物的厚度,在组装过程中易产生裂纹导致BGA 组装失效。烘烤时间与BGA的湿气敏感性等级和BGA的厚度有着密切的关系。
    PBGA焊球成分一般为Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5等合金,焊球间距一般有1.5O,1.27,1.O,O.8,O.5 mIn,焊球直径可根据不同应用对焊球间距要求的不同在O.75一O.30 mIn之间变化。对于间距越小的BGA,其封装密度越高,对于BGA组装
的工艺要求越高。CBGA的互连由Snl0Pb90高温焊球和把该焊球通过Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5等低熔点焊料焊接到基板上完成的。焊球数组的间距为1.27 mIn时所用的焊球直径为O.89 mIn,间距为1.Omm时所用的焊球直径为O.64 rn/n。CBGA封装的主
要优点包括:(1)封装组件的可靠性高,性能优良:(2)共面性好,易于焊接;(3)对湿气不敏感,存储时间长;(4)电气性能良好;(5)封装密度高。CBGA存在的主要缺点是与PCB的热膨胀系数CTE不匹配,易造成热疲劳失效,因此热可靠性差,而且封装体边缘与PCB焊盘对准困难,封装成本较高。
    TBGA 是用铜/聚酰亚胺载带作基板实现芯片与焊料球和PCB连接的一种封装形式,TBGA封装具以下特点:(1)和环氧树脂电路板的热匹配性好:(2)可通过封装体边缘与PCB焊盘对准;(3)对湿度和热敏感,不同材料的多元聚合对可靠性产生不利影响。
2 PCB设计
    由于BGA封装的特殊性,其焊点位于BGA封装体下部的面阵结构,在组装过程中PCB的微量变形就可能造成BGA焊球的开路。因此BGA的位置设计应在远离PCB挠度很大的区域和高应力区,如PCB的四角、边缘位置、接插件、安装孔、槽、拼板的切割、豁口及拐角处。由于BGA的热容量较大,为了使PCB表面元器件的热均匀性,在BGA周围5 mIn的区域内不应再布局元器件,以避免PCB组装过程中温度分布不均匀产生变形。
    为了减小PCB的变形,提高BGA组装质量,良好的PCB材质是需要的,特别是对于适用于无铅化电子组装的焊接工艺,由于回流温度的升高,对PCB材质提出了更高的要求。目前广泛应用的改性FR4型基板,其 值大于170℃,基本上可以满足无铅和锡铅回流焊接工艺的要求。
    BGA对应的PCB的焊盘设计,一般比焊球直径小20%,每个焊球对应的焊盘应为实心铜盘,PCB焊盘的最大直径为BGA器件底部焊球的焊盘直径,最小直径应为BGA器件底部焊盘直径减去贴装精度。焊盘周围应设计阻焊膜,阻焊膜尺寸应比焊盘大O.1 O.15 mIn,防止焊料流失,引起短路或虚焊。焊盘旁边应设计通孔,通孔在孔化电镀后,必须采用介质材料或导电胶进行堵塞,高度不得超过焊盘高度。
3.1焊膏印刷
焊膏是合金焊料粉末、助焊剂系统和触变剂系统均匀混合而成,具有触变性能的膏状流体 焊膏的贮存条件一般在2—5℃下保存3-6个月,贮存时不会发生化学变化,也不会出现焊料粉与焊剂分离现象,并保持其黏度和粘性不变。焊膏在印刷之前须自然回温,一般回温时间为4—8 h,在焊膏回温到室温前,切勿拆开容器或搅拌焊膏和强制加热回温,以免造成助焊剂等成分析出。以保证良好的印刷性和焊接性。
焊膏印刷的量要适宜,过多容易产生桥连等焊接缺陷,过少又容易产生开路或虚焊等焊接缺陷。焊膏E0,~U量的控制取决于印刷范本的厚度、刮刀压力的大小和印刷速度。印刷范本一般采用不锈钢材料,对于BGA范本开口直径,一般略小于焊盘直径,其厚度一般为O.12 O.15 mm,以保证适量的焊膏印刷。
印刷焊膏时,一般采用6O。不锈钢刮刀,刮刀压力一般控制在35—100 N,压力太小使焊膏转移量不足,太大又使所印刷焊膏太薄,增加焊膏污染范本反面和PCB基板的可能性。印刷速度一般为10-25 mllfS,太快易造成刮刀滑行、漏印,太慢易造成焊膏印迹边缘不齐,污染PCB基板表面。BGA焊点间距越小,印刷速度愈慢,才能保证良好的印刷质量。印刷后的脱模速度一般设定为O.5~1.0 mllfS,焊点间距愈小,脱模速度应愈慢。目前有研究表明,将脱模速度设定为可加速的,即从零逐渐加速,可避免等速脱模时焊膏塌陷和焊膏与范本分离不良,其脱模效果良好。
    另外,在印刷时要注意控制操作的环境,温度控制在25℃左右,湿度控制在RH55%左右,印刷后的PCB应在30min以内进行回流焊工艺,防止焊膏在空气中暴露过久而影响组装质量。
3.2 贴片
    贴片的主要目的是使BGA 上的每一个焊球与PCB上的每一个对应的焊盘对正。由于BGA上的焊球位于其封装体的底部,必须采用专门的设备来对中。放置BGA的贴片机其贴片的精确须达到0.001 rain左右,BGA器件通过镜像识别,可以准确的放置在PCB板上。由于BGA焊球的共面性存在一定的偏差以及焊膏印刷存在一定的差异,为了保证良好的焊接质量,一般将BGA高度减去25-41—50.80 pm,同时使用延时关闭真空系统约400 ms,使BGA在贴装时其焊球能够与焊膏充分接触,从而避免BGA在回流过程中某个焊电开路的现象。
3.3 回流焊接
回流焊接是BGA 组装工艺中较难控制的流程,设定工艺参数,获得合适的温度曲线对于BGA 的良好焊接是非常重要的。由于BGA的封装形式的不同,CBGA的热阻比PBGA要大,因此达到相同的温度,CBGA比PBGA需要更高的温度设定和较长的预热时间。对于锡铅焊膏和无铅焊膏,其温度设定值和加热时间都有明显的不同。
预热阶段:预热的主要目的是使PCB及其元器件均匀受热,同时对PCB和元器件具有烘烤的作用,除去其中的水分,以及蒸发掉焊膏中适量的熔剂。预热阶段的升温速率不能过快,以防止PCB受热过快而产生较大的变形。一般升温速率控制在3℃/s,预热时间为60—90 s之间。
活化阶段:此阶段的主要目的是使焊膏中的助焊剂活化,除去焊盘表面和焊膏合金表面的氧化物,达到洁净的金属表面,为焊膏回流过程做好准备。同时蒸发掉焊膏中过多的助焊剂和对PCB进行预热,防止回流过程中升温过快造成PCB 的变形。对于锡铅焊接,此阶段的温度在150—180℃应保持60 120 S;对于无铅焊接,此阶段的温度在160~200℃应保持60~180 S,以便助焊剂能够充分发挥其作用。活化阶段的温升速率一般控制在0.3加.5℃/s。
    回流阶段:此阶段焊点的温度已经上升到焊膏的熔点温度以上,焊膏处于熔融状态。回流阶段的主要目的是使熔融的焊料润湿焊盘与元器件的引脚,达到良好的焊接要求。对于PBGA,其焊球为Sn63Pb37,Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5等合金,在回流过程中焊球与焊膏一起熔化混合熔融后形成焊点;对于CBGA,其焊球为Snl0Pb90高温合金,在回流过程中焊球是不熔化的,焊膏熔化与焊盘和高温焊球润湿形成焊点。因此需要合适的时间保证熔融的焊膏能够很好的润湿焊盘和焊料球,时间过短可能造成润湿不良形成虚焊,时间过长则可能使焊料与焊盘之间形成很厚的一层金属间化合物Cu6sn5和Cu3Sn,由于其脆性的特性易形成开裂造成焊点的失效。特别是对于无铅化电子组装,由于无铅焊料中合金元素Sn的含量高,更易在高温下形成较厚的金属问化合物导致焊点的失效 对于SnPb焊接,一般要求在熔点183℃以上的时间控制在60.-90 s,其中峰值温度210~225℃范围内的时间控制在10—20 s;对于无铅焊接,一般要求熔点217—219℃以上的时间控制在60 120 S,其中峰值温度
230—235℃范围内的时间控制在20—40 s为佳。
    冷却阶段:焊膏经过回流后助焊剂被完全消耗,形成了熔融的金属焊点。冷却阶段的主要目的是在焊点凝固的同时细化晶粒,抑制金属间化合物的增长,以提高焊点的强度。但由于过快的冷却速度会造成PCB的变形和电子元器件的热裂化,特别是BGA这样的吸热量大的元器件,冷却速率过快易造成内部封装的损坏,从而导致BGA 的失效。一般冷却速率控制在1~3℃/s以内。
4 结论
    BGA的组装是一个非常复杂的工艺过程,从BGA的封装形式、PCB的设计、焊膏的特性及其印刷工艺、贴片工艺和适宜的回流焊接温度曲线,任何一个工序出现问题都有可能造成BGA 组装的失败。因此在BGA组装过程中,必须严格控制组装工艺流程,从而提高BGA的组装质量。

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