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在SMT貼片加工中貼BGA應注意哪些?

發布日期:2017-03-06
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  隨著電子技術的發展,電子組件朝著小型化和高密集成化的方向發展。BGA組件已越來越廣泛地應用到SMT裝配技中來,并且隨著uBGA和CSP的出現,SMT加工裝配的難度是愈來愈大,工藝要求也愈來愈高。由于BGA的返修的難度頗大,故實現BGA的良好焊接是放在所有SMT工程人員的一個課題。這里就BGA的保存和使用環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,操作人員應該嚴格遵守操作工藝流程,避免元器件在裝配前受到影響。一般來說,BGA的較理想的保存環境為200C-250C,濕度小于10%RH(有氮氣保護更佳)。


  大多數情況下,我們在元器件的包裝未打開前會注意到BGA的防潮處理,同時我們也應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間,以防止元器件受到影響而導致焊接質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,焊接的相應時間。一般說來,BGA屬于5級以上的濕度敏感等級。

  表1 濕度敏感等級。

  等級    時間      時間

  1       無限制     ≤30oC/85% RH

  2     一年      ≤30oC/60% RH

  2a      四周      ≤30oC/60% RH

  3       168小時   ≤30oC/60% RH

  4       72小時     ≤30oC/60% RH

  5       48小時    ≤30oC/60% RH

  5a      24小時     ≤30oC/60% RH

  6    按標簽時間規定  ≤30oC/60% RH

  如果在元器件儲藏于氮氣的條件下,那么使用的時間可以相對延長。大約每4-5小時的干燥氮氣的作用,可以延長1小時的空氣暴露時間。

  在裝配的過程中我們常常會遇到這樣的情況,即元器件的包裝被打開后無法在相應的時間內使用完畢,而且暴露的時間超過了表1中規定的時間,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BGA組件進行烘烤。烘烤條件下:溫度為125度,相對相濕度≤60% RH,烘烤時間參考表2。


  烘烤的溫度最不要超過125度,因為過高的溫度會造成錫球與元器件連接處金相組織變化,而當這些元器件進入回流焊的階段時,容易引起錫球與元器件封裝處的脫節,造成SMT裝配質量問題,我們卻會認為是元器件本身的質量問題造成的。但果烘烤的溫度過低,則無法起到除濕的作用。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的內部濕氣,并且提高BGA的耐熱性,減少元器件進入回流焊受到的熱沖擊對器件的影響。BGA元器件在烘烤后取出,自然冷卻半小時才能進行裝配作業。

  表2 烘烤時間

  封裝厚度 濕度敏感等級 烘烤時間

  ≤1.4MM 2a 4小時

  3 7小時

  4 9小時

  5 10小時

  5a 14小時

  ≤2.0MM 2a 18小時

  3 24小時

  3 31小時

  5a 37小時

  ≤4.0MM 2a 48小時

  3 48小時

  3 48小時

  3 48小時

  5a 48小時

  BGA的焊接工藝要求

  在BGA的裝配過程中,每一個步驟,每一樣工具都會對BGA的焊接造成影響。

  1.焊膏印刷

  焊膏的優劣是影響表面裝貼生產的一個重要環節。選擇焊膏通常會考慮下幾個方面: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顯示了如何根據元器件的引腳間距選擇相應的焊膏。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,相對來說印刷較發好。但并不是說選擇焊膏錫粉顆越小越好,因為從焊接效果來說,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,我們在選擇時要從各方面因素綜合考慮。由于BGA的引腳間較小,絲網模板開孔較小,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,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。壓力太大和太小都對印刷不利。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置為1MM/SEC之間,如果是uBGA或CSP器件脫模速度應更慢大約為0.5MM/SEC。另外,在印刷焊要注意控制操作的環境。工作的場溫度控制在250C左右,溫度控制在55%RH左右。印刷后的PCB盡量在半小時以內進入回流焊,防止焊膏在空氣中顯露過久而影響質量。


  2.SMT加工器件的放置

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


  然而有時通過鏡像識別的BGA并非100%的焊球良好的器件,有可能某個焊球的Z方向上略小于其它焊球。為了保證焊接的良好性,我們的通常可以將BGA的器件厚度減去1-2MM,同時便用延里關閉真空系統約400毫秒,使BGA器件在安放時其焊球能夠與焊膏充分接觸。這樣一來就可以減少BGA某個引腳空焊的現象。

  不過,對于u BGA和CSP的器件我們不建議采用目述方法,以防止出現焊接不良的焊接現象的產生。

  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線是得到BGA良好焊接的關鍵所在。


  ★ 預熱階段

  在這一段時間內使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。時間控制在60-90秒之間。

  ★ 浸潤階段

  這一階段助焊劑開始揮發。溫度在1500C-1800C之間應保持60-120秒,以便助焊劑能夠充分發揮其作用。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超過焊膏的溶點溫度,焊膏溶化成液體,元器件引腳上錫。該階段中溫度在1830C以上的時間應控制在60-90秒之間。如果時間太少或過長都會造成焊接的質量問題。其中溫度在210-2200C范圍內的時間控制相當關鍵,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造成線路板產生冷變形,它會引起BGA焊接的質量問題,特別是BGA外圈引腳的虛焊。


  在測量回流焊接的溫度曲線時,對于BGA組件其測量點應在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,以保證獲得較為準確的曲線數據。


  總之BGA的焊接是一門十分復雜的工藝,它還受到線路板設計,設備能力等各方面因素的影響,若只顧及某一方面是遠遠不夠的。我們還要在實際的生產過程中不斷研究和探索,努力控制影響BGA焊接的各項因素,從而使焊接能達到最好的效果。


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