在SMT貼片加工中貼BGA應(yīng)注意哪些?

  隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子組件朝著小型化和高密集成化的方向發(fā)展。BGA組件已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到SMT裝配技中來(lái)，并且隨著uBGA和CSP的出現(xiàn)，SMT加工裝配的難度是愈來(lái)愈大，工藝要求也愈來(lái)愈高。由于BGA的返修的難度頗大，故實(shí)現(xiàn)BGA的良好焊接是放在所有SMT工程人員的一個(gè)課題。這里就BGA的保存和使用環(huán)境以及焊接工藝等兩大方面同大家討論。

　　BGA的保存及使用

　　BGA組件是一種高度的溫度敏感組件，所以BGA必須在恒溫干燥的條件下保存，操作人員應(yīng)該嚴(yán)格遵守操作工藝流程，避免元器件在裝配前受到影響。一般來(lái)說，BGA的較理想的保存環(huán)境為200C-250C,濕度小于10%RH(有氮?dú)獗Ｗo(hù)更佳)。

　　大多數(shù)情況下，我們?cè)谠骷陌b未打開前會(huì)注意到BGA的防潮處理，同時(shí)我們也應(yīng)該注意到元器件包裝被打后用于安裝和焊接的過程中不可以暴露的時(shí)間，以防止元器件受到影響而導(dǎo)致焊接質(zhì)量的下降或元器件的電氣性能的改變。下表為濕度敏感的等級(jí)分類，它顯示了在裝配過程中，一旦密封防潮包裝被開，元器件必須被用于安裝，焊接的相應(yīng)時(shí)間。一般說來(lái)，BGA屬于5級(jí)以上的濕度敏感等級(jí)。

　　表1 濕度敏感等級(jí)。

　　等級(jí)    時(shí)間      時(shí)間

　　1       無(wú)限制     ≤30oC/85% RH

　　2     一年      ≤30oC/60% RH

　　2a      四周      ≤30oC/60% RH

　　3       168小時(shí)   ≤30oC/60% RH

　　4       72小時(shí)     ≤30oC/60% RH

　　5       48小時(shí)    ≤30oC/60% RH

　　5a      24小時(shí)     ≤30oC/60% RH

　　6    按標(biāo)簽時(shí)間規(guī)定  ≤30oC/60% RH

　　如果在元器件儲(chǔ)藏于氮?dú)獾臈l件下，那么使用的時(shí)間可以相對(duì)延長(zhǎng)。大約每4-5小時(shí)的干燥氮?dú)獾淖饔?，可以延長(zhǎng)1小時(shí)的空氣暴露時(shí)間。

　　在裝配的過程中我們常常會(huì)遇到這樣的情況，即元器件的包裝被打開后無(wú)法在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)使用完畢，而且暴露的時(shí)間超過了表1中規(guī)定的時(shí)間，那么在下一次使用之前為了使元器件具有良好的可焊性，我們建議對(duì)BGA組件進(jìn)行烘烤。烘烤條件下：溫度為125度，相對(duì)相濕度≤60% RH，烘烤時(shí)間參考表2。

　　烘烤的溫度最不要超過125度，因?yàn)檫^高的溫度會(huì)造成錫球與元器件連接處金相組織變化，而當(dāng)這些元器件進(jìn)入回流焊的階段時(shí)，容易引起錫球與元器件封裝處的脫節(jié)，造成SMT裝配質(zhì)量問題，我們卻會(huì)認(rèn)為是元器件本身的質(zhì)量問題造成的。但果烘烤的溫度過低，則無(wú)法起到除濕的作用。在條件允許情況下，我們建議在裝配前將元器件烘烤下，有利于消除BGA的內(nèi)部濕氣，并且提高BGA的耐熱性，減少元器件進(jìn)入回流焊受到的熱沖擊對(duì)器件的影響。BGA元器件在烘烤后取出，自然冷卻半小時(shí)才能進(jìn)行裝配作業(yè)。

　　表2 烘烤時(shí)間

　　封裝厚度 濕度敏感等級(jí) 烘烤時(shí)間

　　≤1.4MM 2a 4小時(shí)

　　3 7小時(shí)

　　4 9小時(shí)

　　5 10小時(shí)

　　5a 14小時(shí)

　　≤2.0MM 2a 18小時(shí)

　　3 24小時(shí)

　　3 31小時(shí)

　　5a 37小時(shí)

　　≤4.0MM 2a 48小時(shí)

　　3 48小時(shí)

　　3 48小時(shí)

　　3 48小時(shí)

　　5a 48小時(shí)

　　BGA的焊接工藝要求

　　在BGA的裝配過程中，每一個(gè)步驟，每一樣工具都會(huì)對(duì)BGA的焊接造成影響。

　　1.焊膏印刷

　　焊膏的優(yōu)劣是影響表面裝貼生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。選擇焊膏通常會(huì)考慮下幾個(gè)方面：良好的印刷性好的可焊性好的可焊性低殘留物。一般來(lái)說，我們采用焊膏的合金成分為含錫63%和含鉛37%的低殘留物型焊膏。

　　表3顯示了如何根據(jù)元器件的引腳間距選擇相應(yīng)的焊膏。從表中可以看出元器件的引腳間別具匠心越，焊膏的錫粉顆越小，相對(duì)來(lái)說印刷較發(fā)好。但并不是說選擇焊膏錫粉顆越小越好，因?yàn)閺暮附有Ч麃?lái)說，錫粉顆粒大的焊膏焊接效果要比錫粉顆粒小的焊膏好。因此，我們?cè)谶x擇時(shí)要從各方面因素綜合考慮。由于BGA的引腳間較小，絲網(wǎng)模板開孔較小，所以我們采用直徑為45M以下的焊膏，以保證獲得良好的印刷效果。

　　表3 焊膏錫粉形狀與顆粒直徑

　　引腳間距(MM) 1.27 1 0.8 0.65 0.5 0.4

　　錫粉形狀 非球型 球型 球型 球型

　　顆粒直徑(um) 22-63 22-63 22-63 22-38

　　印刷的絲網(wǎng)模板一般采用不銹鋼材料。由于BGA元器件的引腳間距較小，故而鋼板的厚度較薄。一般鋼板的厚度為0.12MM-0.15MM。鋼板的開口視元器件的情況而定，通常情況下鋼板的開口略小于焊盤。

　　例如：外型尺寸為35MM，引腳間別具匠心為1.0MM的PBGA，焊肋直徑為23MIL。我們一般將鋼板的開口的大小控制在21MIL.

　　在印刷時(shí)，通常采用不銹鋼制的60度金屬刮刀。印刷的壓力控制有3.5KG-10KG的范圍內(nèi)。壓力太大和太小都對(duì)印刷不利。印刷的速度控制在10MM/SEC-25MM/SEC之間，元器件的引腳間距愈小，印刷速度愈慢。印刷后的脫離速度一般設(shè)置為1MM/SEC之間，如果是uBGA或CSP器件脫模速度應(yīng)更慢大約為0.5MM/SEC。另外，在印刷焊要注意控制操作的環(huán)境。工作的場(chǎng)溫度控制在250C左右，溫度控制在55%RH左右。印刷后的PCB盡量在半小時(shí)以內(nèi)進(jìn)入回流焊，防止焊膏在空氣中顯露過久而影響質(zhì)量。

　　2.SMT加工器件的放置

　　BGA的準(zhǔn)確貼放很大程度上取決于貼片機(jī)的精確度，以及鏡像識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別能力。就目前市場(chǎng)上各種品牌的多功能貼片機(jī)而言，能夠放置BGA的貼片機(jī)其貼片的精確度達(dá)到0.001MM左右，所以在貼片精度上不會(huì)存在問題。只要BGA器件通過鏡像識(shí)別，就可以準(zhǔn)確的安放在印制線路板上。

　　然而有時(shí)通過鏡像識(shí)別的BGA并非100%的焊球良好的器件，有可能某個(gè)焊球的Z方向上略小于其它焊球。為了保證焊接的良好性，我們的通?？梢詫GA的器件厚度減去1-2MM，同時(shí)便用延里關(guān)閉真空系統(tǒng)約400毫秒，使BGA器件在安放時(shí)其焊球能夠與焊膏充分接觸。這樣一來(lái)就可以減少BGA某個(gè)引腳空焊的現(xiàn)象。

　　不過，對(duì)于u BGA和CSP的器件我們不建議采用目述方法，以防止出現(xiàn)焊接不良的焊接現(xiàn)象的產(chǎn)生。

　　3. 回流焊

　　回流焊接是BGA裝配過程中最難控制的步驟。因此獲得較佳的回流風(fēng)線是得到BGA良好焊接的關(guān)鍵所在。

　　★ 預(yù)熱階段

　　在這一段時(shí)間內(nèi)使PCB均勻受熱溫，并刺激助焊劑活躍。一般升溫的速度不要過快，防止線路弧受熱過快而產(chǎn)生較大的變形。我們盡量升溫度控制在30C/SEC以下,較理想的升溫速度為20C/SEC。時(shí)間控制在60-90秒之間。

　　★ 浸潤(rùn)階段

　　這一階段助焊劑開始揮發(fā)。溫度在1500C-1800C之間應(yīng)保持60-120秒，以便助焊劑能夠充分發(fā)揮其作用。升溫的速度一般在0.3-0.50C/SEC。

　　★ 回流階段

　　這一階段的溫度已經(jīng)超過焊膏的溶點(diǎn)溫度，焊膏溶化成液體，元器件引腳上錫。該階段中溫度在1830C以上的時(shí)間應(yīng)控制在60-90秒之間。如果時(shí)間太少或過長(zhǎng)都會(huì)造成焊接的質(zhì)量問題。其中溫度在210-2200C范圍內(nèi)的時(shí)間控制相當(dāng)關(guān)鍵，一般控制在10-20秒為最佳。

　　★ 冷卻階段

　　這一階段焊膏開始凝固，元器件被固定在線路板上。同樣的是降溫的速度也不能夠過快，一般控制在40C/SEC以下，較理想的降溫速度為30C/SEC。由于過快的降溫速度會(huì)造成線路板產(chǎn)生冷變形，它會(huì)引起B(yǎng)GA焊接的質(zhì)量問題，特別是BGA外圈引腳的虛焊。

　　在測(cè)量回流焊接的溫度曲線時(shí)，對(duì)于BGA組件其測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在BGA引腳與線路板之間。BGA盡量不要用高溫膠帶，而采用高溫焊錫焊接與熱電偶相固定，以保證獲得較為準(zhǔn)確的曲線數(shù)據(jù)。

　　總之BGA的焊接是一門十分復(fù)雜的工藝，它還受到線路板設(shè)計(jì)，設(shè)備能力等各方面因素的影響，若只顧及某一方面是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們還要在實(shí)際的生產(chǎn)過程中不斷研究和探索，努力控制影響B(tài)GA焊接的各項(xiàng)因素，從而使焊接能達(dá)到最好的效果。