实现BGA的良好焊接

随着电子技术的发展，电子元件朝着小型化和高度集成化的方向发展。BGA元件已越来越广泛地应用到SMT装配技术中，并且随着BGA和CSP的出现，SMT装配的难度愈来愈大，工艺要求也愈来愈高。由于BGA的返修难度颇大，故实现BGA的良好焊接是放在所有SMT工程人员面前的一个课题。

BGA的保存及使用环境

　　BGA元件是一种高度的湿度敏感元件，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的较理想的保存环境为20℃~25℃，湿度为小于10%RH（有氮气保护措施更佳）。
　　大多数情况下，在元器件的包装未被打开前会注意到BGA的防潮处理，同时也应该注意到元器件包装被打开后用于安装和焊接的过程中不可以暴露时间过长，以防止元器件受到影响而导致焊接质量的下降或元器件的电气性能的改变。表1湿度敏感的等级分类，它显示了在装配过程中，一旦密封的防潮包装被打开，元器件必须被用于安装、焊接的相应的时间。一般说来，BGA属于5级以上。
　　如果在元器件储藏于氮气的条件下，那么使用的时间可以相对延长。大约每4~5小时的干燥氮气的作用，可以延长1小时的空气暴露时间。
　　在装配的过程中常常会遇到这样的情况，即元器件的包装被打开后无法在相应的时间内使用完毕，而且暴露的时间超过了规定的时间。那么在下一次使用之前为了使元器件具有良好的可焊性，建议对BGA元件进行烘烤。烘烤条件如下：温度一般为125℃（请参考元器件供应商提供的数据），相对湿度≤60%RH。烘烤的温度最好不要超过125℃，因为过高的温度会造成锡球和元器件连接处金相组织的变化。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装配的质量问题，却会被认为是元器件本身的质量问题造成的。但如果烘烤的温度过低，则无法起到除湿的作用。在条件允许的情况下，建议在装配前将元器件烘烤一下，有利于消除BGA的内部湿气，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，自然冷却半小时后才能进行装配作业。

BGA的焊接工艺要求

　　在BGA的装配过程中，每一个步骤，每一样工具都会对BGA的焊接造成影响。

1.焊膏印刷

　　焊膏的优劣是影响SMT生产的一个重要环节。选择焊膏通常会考虑以下几个方面：良好的印刷性；良好的可焊性；低残留物。一般来说，采用焊膏的合金成分为含锡63%和含铅37%的低残留物型焊膏。
　　表2显示了如何根据元器件的引脚间距选择相应的焊膏。可以看出元器件的引脚间距越细，焊膏的锡粉颗粒越小，相对来说印刷效果较好。但并不是选择焊膏时锡粉颗粒越小越好，因为从焊接效果来说，锡粉颗粒大的焊膏焊接效果要比锡粉颗粒小的焊膏好。因此，在选择焊膏时要从各方面因素综合考虑。由于BGA的引脚间距较小，丝网模板开孔较小，所以应采用颗粒直径为45M以下的焊膏，以保证获得较良好的印刷效果。
　　印刷的丝网模板一般采用不锈钢材料。由于BGA元器件的引脚间距较小，故而钢板的厚度较薄。一般钢板的厚度为0.12mm~0.15mm。BGA和CSP的引脚间距更小，钢板厚度更薄。钢板的开口视元器件的情况而定，通常情况下钢板的开口略小于焊盘。例如：外型尺寸为35mm，引脚间距为1.0mm的PBGA，焊盘直径为23mil。一般将钢板的开口的大小控制在21mil。
　　在印刷时，通常采用不锈钢制的60度金属刮刀。印刷的压力控制在3.5kg~10kg的范围内。压力太大和太小都对印刷不利。印刷的速度控制在10mm/秒~25mm/秒之间，元器件的引脚间距愈小，印刷速度愈慢。印刷后的脱离速度一般设置为1mm/秒，如果是BGA或CSP器件脱模速度应更慢，大约为0.5mm/秒。
　　另外，在印刷时要注意控制操作的环境。工作的场地温度控制在25℃左右，湿度控制在55%RH左右。印刷后的PCB尽量在半小时以内进入回流焊，防止焊膏在空气中暴露过久而影响产品质量。

2.器件的放置

　　BGA的准确贴放很大程度上取决于贴片机的精确度，以及镜像识别系统的识别能力。就目前市场上各种品牌的多功能贴片机而言，能够放置BGA的贴片机其贴片的精确度均达到了0.001mm左右，所以在贴片精度上不会存在问题。只要BGA器件通过镜像识别，就可以准确的安放在印制线路板上。
　　然而有时通过镜像识别的BGA并非100%焊球良好的器件，有可能某个焊球在Z方向上略小于其他焊球。为了保证焊接的良好性，通常可以将BGA的器件高度减去1~2mil，同时使用延时关闭真空系统约400毫秒，使BGA器件在安放时其焊球能够与焊膏充分接触。这样一来就可以减少BGA某个引脚空焊的现象。
　　对于BGA和CSP器件不建议采用上述方法，以防止出现桥接等不良焊接现象的产生。

3.回流焊接

　　回流焊接是BGA装配过程中最难控制的步骤。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。
　　在测量回流焊接的温度曲线时，对于BGA元件其测量点应在BGA引脚与线路板之间。尽量不要用高温胶带，而采用高温焊锡焊接固定，以保证获得较为准确的曲线数据。

　　总之，BGA的焊接是一门十分复杂的工艺，它还受到线路板设计，设备能力等各方面因素的影响，只顾及某一方面是远远不够的。还要在实际的生产过程中需要不断研究和探索，努力控制影响BGA焊接的各项因素，从而使BGA焊接能达到最好效果。