2.1 BGA元器件的种类 按封装材料的不同,BGA元件 主要有以下几种: PBGA(plastic BGA?塑料封装的BGA) CBGA(ceramic BGA?陶瓷封装的BGA) CBGA?ceramic column BGA?陶瓷柱状封装的BGA? TBGA(tape BGA? 载带状封装的BGA) CSP(Chip Scale Package或μBGA) PBGA是目前使用较多的BGA,它使用63Sn/37Pb成分的焊锡球,焊锡的溶化温度约为 183°C。焊锡球直径在焊接前直径为0.75毫米,回流焊以后,焊锡球高度减为0.46-0.41毫米。PBGA的优点是成本较低,容易加工,不过应该注意,由于塑料封装,容易吸潮,所以对于普通的元件,在开封后一般应该在8小时内使用,否则由于焊接时的迅速升温,会使芯片内的潮气马上气化导致芯片损坏,有人称此为“ 苞米花” 效应。按照JEDEC的建议,PBGA芯片在拆封后必须使用的期限由芯片的敏感性等级决定(见表1): 表1 PBGA芯片拆封后必须使用的期限 敏感性等级 芯片拆封后置放环境条件 拆封后必须使用的期限 1级 =< 30 C , < 90% RH 无限制 2级 =< 30 C , < 60% RH 1年 3级 =< 30 C , < 60% RH 168小时 4级 =< 30 C , < 60% RH 72小时 5级 =< 30 C , < 60% RH 24小时 CBGA焊球的成分为90Pb/10Sn ?它与PCB连接处的焊锡成分仍为63Sn/37Pb?? CBGA的焊锡球高度较PBGA高,因此它的焊锡溶化温度较PBGA高,较PBGA不容易吸潮,且封装的更牢靠。CBGA芯片底部焊点直径要比PCB上的焊盘大,拆除CBGA芯片后,焊锡不会粘在PCB的焊盘上,见表2。
表2 PBGA与CBGA焊接锡球的区别 特性 PBGA CBGA 焊锡球成分 63Sn/37Pb 90Pb/10Sn 焊锡球溶化温度 183°C 302°C 溶化前焊锡球直径 0.75毫米 0.88毫米 溶化后焊锡球直径 0.4-0.5毫米 0.88毫米 CCBGA的焊锡柱直径为0.51毫米,柱高度为2.2毫米,焊锡柱间距一般为1.27毫米,焊锡柱的成分是90Pb/10Sn。 TBGA的焊锡球直径为0.76毫米,球间距为1.27毫米。与CBGA相比,TBGA对环境温度要求控制严格,因芯片受热时,热张力集中在4个角,焊接时容易有缺陷。 CSP芯片的封装尺寸仅略大于裸芯片尺寸?不超过20%?,这是CSP与BGA的主要区别。 CSP较BGA,除了体积小之外,还有更短的导电通路、更低的电抗性,更容易达到频率为500MHz-600MHz的范围。
2.2 BGA元器件的特性 我们可以从不同为304管脚的QFP与BGA芯片的比较上看出BGA的优点: BGA QFP 封装尺寸(平方毫米) 525 1600 脚间距(毫米) 1.27 0.5 组装损坏率(ppm/管肢) 0.6 100 元件管脚间信号干扰 1.0X 2.25X 概括起来,和QFP相比,BGA的特性主要有以下几点: 1〕I/O引线间距大(如1.0,1.27,1.5毫米),可容纳的I/O数目大(如1.27毫米间距的 BGA在25毫米边长的面积上可容纳350个I/O?而0.5毫米间距的QFP在40毫米边长的面积上只容纳 304个I/O)。 2〕封装可靠性高(不会损坏管脚),焊点缺陷率低(<1ppm/焊点),焊点牢固。 3〕QFP芯片的对中通常由操作人员用肉眼来观察,当管脚间距小于0.4毫米时,对中与焊接十分困难。而BGA芯片的脚间距较大,借助对中放大系统,对中与焊接都不困难。 4〕容易对大尺寸电路板加工丝网板。 5〕管脚水平面同一性较QFP容易保证? 因为焊锡球在溶化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。 6〕回流焊时,焊点之间的张力产生良好的自对中效果?允许有50%的贴片精度误差。 7〕有较好的电特性,由于引线短,导线的自感和导线间的互感很低,频率特性好。 8〕能与原有的SMT贴装工艺和设备兼容,原有的丝印机,贴片机和回流焊设备都可使用 当然,BGA也有缺点,主要是芯片焊接后需X射线检验,另外由于管脚呈球状栏栅状排列,需多层电路板布线,使电路板制造成本增加。 3 BGA返修工艺 大多数半导体器件的耐热温度为240?2600C,对于BGA返修系统来说,加热温度和均匀性的控制显得非常重要。美国OK集团的热风回流焊接及返修系统BGA-3592-G/CSP-3502-G和日本M.S.EngineeringCo.?Ltd.的MS系列返修工作站很好的解决了这个问题。 本文以美国OK集团的热风回流焊接及返修系统BGA-3592-G 为例简要说明BGA的返修工艺: 3.1 电路板、芯片预热 电路板、芯片预热的主要目的是将潮气去除,如果电路板和芯片内的潮气很小(如芯片刚拆封),这一步可以免除。 3.2 拆除芯片 拆除的芯片如果不打算重新使用,而且PCB可承受高温,拆除芯片可采用较高的温度(较短的加热周期)。 3.3 清洁焊盘 清洁焊盘主要是将拆除芯片后留在PCB表面的助焊剂、焊锡膏清理掉,必须使用符合要求的清洗剂。为了保证BGA的焊接可靠性,一般不能使用焊盘上旧的残留焊锡膏,必须将旧的焊锡膏清除掉,除非芯片上重新形成BGA焊锡球。由于BGA芯片体积小,特别是CSP(ChipScale Package或μBGA),芯片体积更小,清洁焊盘比较困难,所以在返修CSP芯片时,如果CSP的周围空间很小,就需使用免清洗焊剂。 3.4 涂焊锡膏,助焊剂 在PCB上涂焊锡膏对于BGA的返修结果有重要影响。通过选用与芯片相符的模板,可以很方便地将焊锡膏涂在电路板上。用OK集团的BGA-3592-G设备微型光学对中系统可以方便地检验焊锡膏是否涂的均匀。处理CSP芯片,有3种焊锡膏可以选择:RMA焊锡膏,非清洗焊锡膏,水剂焊锡膏。使用RMA焊锡膏,回流时间可略长些,使用非清洗焊锡膏,回流温度应选的低些。 3.5 贴片 贴片的主要目的是使BGA芯片上的每一个焊锡球与PCB上每一个对应的焊点对正。由于BGA芯片的焊点位于肉眼不能观测到的部位,所以必须使用专门的设备来对中。BGA-3592-G可进行精确的对中。 3.6 热风回流焊 热风回流焊是整个返修工艺的关键。其中,有几个问题比较重要: 1)芯片返修回流焊的曲线应当与芯片的原始焊接曲线接近,热风回流焊曲线可分成四个区间:预热区,加热区,回流区,冷却区,四个区间的温度,时间参数可以分别设定,通过与计算机连接,可以将这些程序存储和随时调用。 2)在回流焊过程中要正确选择各区的加热温度和时间,同时应注意升温的速度。一般,在100oC以前,最大的升温速度不超过6 oC/秒,100oC以后最大的升温速度不超过3oC/秒, 在冷却区,最大的冷却速度不超过6oC/秒。因为过高的升温速度和降温速度都可能损坏PCB和芯片,这种损坏有时是肉眼不能观察到的。不同的芯片,不同的焊锡膏,应选择不同的加热温度和时间。如CBGA芯片的回流温度应高于PBGA的回流温度,90Pb/10Sn应较63Sn/37Pb焊锡膏选用更高的回流温度。对免洗焊膏,其活性低于非免洗焊膏,因此,焊接温度不宜过高,焊接时间不宜过长,以防止焊锡颗粒的氧化。 3)热风回流焊中,PCB板的底部必须能够加热。这种加热的目的有二个:避免由于PCB板的单面受热而产生翘曲和变形;使焊锡膏溶化的时间缩短。对大尺寸板返修BGA,这种底部加热尤其重要。BGA-3592-G返修设备的底部加热方式有2种,一种是热风加热,一种是红外加热。热风加热的优点是加热均匀,一般返修工艺建议采用这种加热。红外加热的缺点是PCB受热不均匀。
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