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2019-08-27

BGA封装芯片元件清洗剂合明科技分享:BGA封装元件种类及BGA封装返修工艺技术步骤

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:382

BGA封装芯片元件清洗剂合明科技分享:BGA封装元件种类及BGA封装返修工艺技术步骤

关键词导读:BGA芯片、元器件、BGA返修工艺、水基清洗剂

前言

随着SMD的发展,由于BGA具有很多优势,因此在目前电子工业中已被 广泛应用。BGA的封装形式有多种:塑料封装(PBGA)、陶瓷封装(CBGA)、 陶瓷柱状封装(CCBGA)、载带封装(TBGA)、微型BGA或CSP(y BGA)、超级 BGA (SBGA带散热金属外壳,球栅阵列达1500个以上)。

随着电子产品向小型化、便携化、网络化和高性能方向发展,对电路组装技术和I/O引线数提出了更高的要求,芯片体积越来越小,芯片引脚越来越多,给生产和返修带来困难。

 

一、BGA元件种类

原来SMT中广泛使用的QFP(四边扁平封装),封装间距的极限尺寸停留在0.3mm,这种间距引线容易弯曲、变形或折断,相应地对SMT组装工艺、设备精度、焊接材料提出严格的要求,即使如此,组装小间距细引线的QFP,缺陷率仍相当高,最高可达6000ppm,使大范围应用受到制约。近年出现的BGA(Ball Grid Array 球栅阵列封装器件),由于芯片引脚不是分布在芯片的周围而是在封装的底面,实际是将封装外壳基板原四面引出的引脚变成以面阵布局的pb/sn凸点引脚,这就可以容纳更多的I/O数,且可以较大的引脚间距如1.5、1.27mm代替QFP的0.4、0.3mm,很容易使用SMT与PCB上的布线引脚焊接互连,因此不仅可以使芯片在与QFP相同的封装尺寸下保持更多的封装容量,又使I/O引脚间距较大,从而大大提高了SMT组装的成品率,缺陷率仅为0.3~5ppm,方便了生产和返修,因而BGA封装技术在电子产品生产领域获得了广泛使用。

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随着引脚数增加,对于精细引脚在装配过程中出现的桥连、漏焊、缺焊等缺陷,利用手工工具很难进行修理,需用专门的返修设备并根据一定的返修工艺来完成。

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);

·CCBGA(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mBGA)。

(一)PBGA器件

PBGA是目前使用较多的BGA,它使用63Sn/37Pb成分的焊锡球,焊锡的熔化温度约为183℃。焊锡球在焊接前直径为0.75mm,回流焊以后,焊锡球高度减为0.46~0.41mm。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汽化导致芯片损坏,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。

(二)CBGA器件

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,因此它的焊锡熔化温度较PBGA高,较PBGA不容易吸潮,且封装更牢靠。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。

CCBGA焊锡柱直径为0.51mm,柱高度为2.2mm,焊锡柱间距一般为1.27mm,焊锡柱的成分是90Pb/10Sn。

(三)TBGA

TBGA焊锡球直径为0.76mm,球间距为1.27mm。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,除了体积小外,还有更短的导电通路、更低的电抗性,更容易达到频率为500~600MHz的范围。

 

(四)QFP与BGA芯片的比较

我们可以从以下同为304引脚的QFP与BGA芯片的比较看出BGA的优点:

概括起来,和QFP相比,BGA的特性主要有:

1.I / O引线间距大(如1.0,1.27,1.5mm),可容纳的I/O数目大(如1.27mm间距的 BGA在25mm边长的面积上可容纳350个I/O, 而0.5mm间距的QFP在40mm边长的面积上只容纳304个I/O)。

2.封装可靠性高(不会损坏引脚),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,当引脚间距小于0.4mm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.引脚水平面同一性较QFP容易保证, 因为焊锡球在熔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,另外由于引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。

大多数半导体器件的耐热温度为240~2600℃,对于BGA返修系统来说,加热温度和均匀性的控制非常重要。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.Engineering Co.,Ltd.的MS系列返修工作站很好的解决了这个问题。

二、BGA返修工艺技术

本文引用美国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:

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。

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)。

(一)BGA返修后清洗

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(水基清洗剂W3000D-2)。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或mBGA,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周围空间很小,就需使用免清洗焊剂。

 合明科技芯片清洗前后对比图,芯片清洗案例QQ截图20190827100817.jpg

合明科技芯片清洗前后对比图(图片版权归属合明科技)

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。

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,所以必须使用专门设备来对中。BGA-3592-G可进行精确的对中。

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,同时应注意升温速度。一般在100℃以前,最大升温速度不超过6 ℃/s,100℃以后最大升温速度不超过3℃ /s,在冷却区,最大冷却速度不超过6℃/s。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。加热有两个目的:避免由于PCB板单面受热而产生翘曲和变形;使焊锡膏溶化时间缩短。对大尺寸板返修BGA,底部加热尤其重要。BGA-3592-G返修设备的底部加热方式有两种,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。

4、要选择好的热风回流喷嘴。热风回流喷嘴属于非接触式加热,加热时依靠高温空气流使BGA芯片上各焊点的焊锡同时溶化。美国OK集团首先发明这种喷嘴,它将BGA元件密封,保证在整个回流过程中有稳定的温度环境,同时可保护相邻元件不被对流热空气加热损坏(如图1所示)。

在电子产品尤其是电脑与通信类电子产品的生产领域,半导体器件向微小型化、多功能化、绿色化发展,各种封装技术不断涌现,BGA/CSP是当今封装技术的主流。其优势在于进一步缩小半导体器件的封装尺寸,因而提高了高密度贴装技术水平,十分适合电子产品轻、薄、短、小及功能多样化的发展方向。

为满足迅速增长的对BGA封装技术电路板组装需求和生产者对丝网印刷、对中贴片和焊接过程控制精度的要求,提高BGA的组装焊接及返修质量,需选择更安全、更快、更便捷的组装与返修设备及工艺。

BGA的维修方法

一、BGA焊接点的短路的维修步骤与方法:

BGA检测——BGA拆除——焊盘清洁、清理——锡膏或助焊膏的涂覆 BGA贴片BGA焊接 BGA检验

1. BGA拆除

为了防止维修时PCB局部变形或器件因吸潮而引起的器件炸裂,对返修工作 站的性能有如下要求(目前已有很多返修工作站有以下功能甚至更好):

a. 有底部辅助加热功能

b. 有分段加热功能;调出翻修工作站中预先设定好的程序,将BGA拆下 由上图中可看出区域热供应能必须适当的分布,才能确保零件免受损。而整 个加温的过程必须配合着预热、松香活化、回焊、降温等5个步骤,整个过程 约3分多钟内完成(工艺工程师可根据情况调整参数)。避免了由于直接加热, 器件在遭受急速的高温冲击而损坏。

C.参数设定:

预热区:从室温到140°C为升温区,其升温速率保持在(1〜3. 0) °C/秒;

浸润区:从(130〜170) 1:为恒温区,其维持时间在(60〜90)秒;

回流区: 200—220°C维持时间为(20〜40)秒;

冷却区:降温速度小于4. 0°C/秒;最好终止温度不高于75°C;

根据以上要求设定程序:

注:参数设定后进行实际测温,根据实测温度做调整(以上程序仅供参考)。

2. 焊盘清洁、清理

将BGA焊接面用毛笔均匀的涂抹助焊剂,用铲型烙铁或刀型烙铁和吸锡编带 将BGA上的锡渣清除。为保证BGA焊盘不被破坏,清理锡渣时BGA固定在加 热板。加热板温度设定在100°C-120°C。清理后测量BGA电源与地是否已经击 穿,如已击穿此器件已报废更换新器件。如未击穿即可进下步维修(植球再 生BGA)。将已拆下BGA的PCB焊盘,用毛笔均匀的涂抹助焊剂,用铲型烙铁 或刀型烙铁和吸锡编带将BGA上的锡渣清除,在清除锡渣时,烙铁与吸锡编 带同时提起,避免由于烙铁先提起后,吸锡编带迅速降温而被焊在器件焊盘 上。清理、清洁后焊盘应平整,无拉尖及突起现象。

3. 锡膏或助焊膏的涂覆

方法①:将清理、清洁后的PCB焊盘上印刷锡膏,印刷锡膏时需对锡膏的印 刷质量进行检查,必修合格。

方法②:将清理、清洁后的PCB焊盘上均匀涂抹助焊膏然后用刀片刮去,只 留薄薄的一层即可。

4. BGA贴片

使用返修工作站上光学对位,锡球与PCB焊盘对应后进行贴片(目前已有很 多返修工作站有此功能)。

5. BGA焊接

调用已设定好的焊接程序进行焊接。(焊接程序与拆卸程序可用同一程序)

6. BGA检验(光学检测)

焊球成规则的椭圆型,表面润湿光亮。行列之间透光良好。有条件的最好使 用X射线检验。


BGA的再生主要难题是在锡球种植上,方法有很多种, 在此根据自身维修经验介绍其中一种效率高且比较实用的一种。

步骤如下:

1. 需要两个钢网一是印刷钢网(钢网孔径可一比一或略小)。二是植球钢网 (钢网孔径比所植锡球大出0. 1—0. 2mm);

2. 使用印刷钢网将已处理好的裸BGA上印刷焊膏。

3. 将植球钢网固定在工装上进行植球

将所需植球的BGA (已印刷锡膏)放置工装内并与上面钢网对准,将所需锡 球倒在钢网表面的孔上,然后用刀片或防静电毛刷将锡球扫入网孔内,多余 的锡球便会落在工装内,然后提起网板(锡球会粘在下面已印刷锡膏的BGA 上),小心取出已植完球的BGA检查是否有缺陷,如有缺陷有针对性修整,合 格后回收多余锡球。

4. 锡球焊接:

将植完球的BGA放在工装上(工装可用铝板),调出翻修工作站已设定好的程 序进行焊接,也可放入回流焊进行焊接。

文章来源:网络整理




以上一文,仅供参考!


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以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,在水基清洗、环保清洗方面有着丰富的经验,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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