歐 鍇

（烽火通信科技股份有限公司，武漢 430073）

1 BGA封裝技術

BGA是美國摩托羅拉公司開發(fā)的一種器件封裝技術，它是在印制基板的背面按陣列方式排列制作出球形凸點，用以替代傳統的引腳，在印制基板的正面裝配LSI芯片，然后進行封裝。根據不同分類依據，BGA封裝有不同種類。根據襯底不同，有塑料BGA、陶瓷BGA和玻璃纖維環(huán)氧樹脂BGA等；根據內部芯片和襯底連接的不同，可分為倒裝片BGA、柔性BGA、載帶BGA、超級BGA等；根據引出端形狀的不同有PGA（針柵陣列）、CGA（柱柵陣列）、HGA（孔柵陣列）等。

2 返修基板的工藝特點

筆者以一款大尺寸通信基站板為例，對大型BGA的返修工藝進行分析和研究。該批次產品經過功能測試后，發(fā)現部分基板的性能指標存在問題，經過技術人員的排查分析，判定為主BGA芯片可能存在焊接不良，需要對故障基板進行返修。

基板情況說明：作為高速率通訊信號處理的核心板卡，該基板功能復雜，元器件的集成度非常高，電路板的層數達到二十多層，其選用的3片核心芯片為BGA封裝，而且尺寸較大，達到50 mm×50 mm，對外的I/O接口數量達到近4000個，與母板之間有29個高速率連接器，為了容納下如此多的連接器，電路板的整體長度達到610 mm，厚度達到4 mm。同時，為了保證基板與設備母板連接配合的機械精度，還安裝有專用定位銷座和加強筋等機械結構件，組裝后的整體質量達到3.2 kg?；景宀季秩鐖D1。

BGA芯片情況說明：該板的核心芯片采用PBGA封裝，用量為3顆，均分布在PCB的中央區(qū)域；芯片的數據處理速率達到3.2 Gbps，集成度很高，BGA器件的外形尺寸則達到50 mm×50 mm，厚度為3.23 mm；焊球的總數量為2389個，球間距為1 mm，球徑為0.6 mm。BGA封裝的外形尺寸資料如圖2、圖3所示。

圖1 電路板布局圖

圖2 BGA底視圖

圖3 BGA側視圖

3 返修工藝難點

針對大尺寸基板和大尺寸BGA的返修，與常規(guī)尺寸產品相比較存在以下工藝難點。

3.1 基板尺寸大

一般返修設備可處理基板尺寸在500 mm以內，對于610 mm的基板無法裝夾，需對設備進行適當改造。

3.2 熱容量大

基板的尺寸大，體積是普通基板的4~8倍，其積蓄熱量的能力也更大，因此，要將其加熱到焊接溫度，需要更多的熱量和更長的時間，如何選擇合適的焊接設備與工藝參數，需要進行探討。

3.3 變形量大

BGA的尺寸大，加熱的時間長，器件和電路板在達到玻璃態(tài)溫度后產生的尺寸變形會非常明顯。特別是在拆卸時采用局部加熱，相對變形量更大，有可能在焊錫尚未熔化時將焊球拉脫，對焊盤產生破壞，如何有效減少變形也是必須解決的問題。

3.4 電路板組件防護

基板成品上安裝有一些不耐高溫的元器件，如壓接元件、電源模塊、插件阻容、連接器等，對于無法拆卸的元件，在回流焊接時需要采取防護措施。

3.5 電路板高度超高

基板組裝完成后，整體高度大于回流爐爐膛內部的凈空高度，無法直接進入回流爐焊接，如何使高度降低、順利通過回流焊接也是需要克服的。

4 制定返修方案

為了提高返修品質，降低返修風險，根據基板和BGA的具體情況，制定相應的返修工藝方案。

4.1 基本工藝參數查詢

通過查詢器件資料，確定該芯片上部帶有金屬散熱器，焊球采用SAC305無鉛工藝，其焊接溫度曲線符合IPC/JEDEC J-STD-020規(guī)范；SMT回流焊接工藝采用有鉛工藝，焊膏為普通Sn63/Pb37材料，焊接溫度窗口采用向上兼容無鉛溫度的方式；PCB采用的表面處理生產工藝為鎳金，材質的TG溫度達到170 ℃。

4.2 返修方案制定

筆者制定了3步返修的方案，以降低返修風險，提高返修成功率。

第一步：對故障的BGA芯片進行返修，在BGA底部加入助焊劑，然后進行整板重新回流加熱，使底部的焊球再次熔化；第二步：對二次回流沒有成功的基板，將故障BGA拆卸后重新植球，然后再次進行回流焊接；采用有鉛錫球進行返修；第三步：在上述步驟維修不成功的情況下，拆卸故障BGA芯片，然后使用全新的BGA器件重新進行回流焊接。

4.3 確定工藝參數

焊接工藝參數：BGA的芯片滿足IPC/JEDEC J-STD-020 規(guī)范，根據BGA器件的規(guī)格尺寸查詢規(guī)范，確定返修的回流焊接工藝窗口（見表1）。

表1 回流焊接溫度工藝窗口

拆卸工藝參數：BGA拆卸溫度和植球溫度相對較簡單，均使用專用的BGA返修工作站進行操作，采用三段式參數設置：預熱、升溫、回流。

5 工藝參數調制

5.1 返修設備選擇與改造

筆者使用的BGA返修工作站為紅外加熱方式，可返修PCB的最大尺寸達到460 mm×560 mm，最大BGA尺寸可達到60 mm×120 mm，底部整體加熱功率3 200 W，對于普通尺寸PCB的返修完全可以滿足。

為解決基板長度尺寸超出返修設備裝夾平臺能力的問題，需對現有BGA返修工作站進行局部改造。首先拆除設備自帶的固定裝置，擴大裝夾的尺寸，以便容納下610 mm的電路板；然后專門制作加長底部支撐頂針，以保證在電路板加熱拆卸BGA的過程中，板子在受熱變形時能夠得到有效的支撐，防止變形量過大。顯然，返修工作站加熱器無法滿足基板和器件整體焊接的熱容量及溫度參數控制的需要。因此，返修的前段選擇在返修工作站上完成，包括BGA拆卸、植球操作，而后段的回流焊接則選擇在熱容量更大的在線回流爐設備中完成。

5.2 返修過爐載具的設計

基板進行回流焊接前需解決兩個問題。第一，電路板完成組裝之后，整體高度達到37 mm，而現有回流爐的爐膛上部空間高度為30 mm，基板上的超高元件會撞到回流爐的上部熱風口，無法直接進入回流爐中進行焊接；第二，基站板上的壓接連接器無法耐受200 ℃以上的高溫，其塑料部分會因受熱發(fā)生變形損壞；若在焊接前拆卸壓接連接器，則會損壞連接器本身，同時連接器的壓接孔也可能損壞，從而引起基板報廢，因此要與基板一同經過回流焊接的高溫。

這兩個問題可以通過返修過爐載具的設計來解決，載具承托基板的平面采用下沉式設計，使電路板組件的整體下沉到載具中，低于回流爐鏈條的平面8 mm以上，降低上部進爐高度，使之小于爐膛上凈空的高度，避免器件與爐膛發(fā)生碰撞。同時，對連接器等非耐熱元器件設計了局部遮擋防護罩，過爐焊接時將器件完全遮擋，把器件的實際溫度控制在可接受的安全范圍。最終制作的載具如圖4所示。

5.3 工藝參數調制

返修爐溫參數的設置直接影響返修成敗，必須確保設置合理。然而基板加上過爐載具后，整體重量達到4.6 kg，而且由于高元件遮擋、載具吸熱、焊接平面下降等因素，均增加了焊接工藝難度，BGA的焊接工藝參數是否能夠滿足呢？

圖4 過爐載具

為了準確反映焊接過程的溫度曲線變化，必須采用實際樣板進行測溫，才能最接近真實溫度。而對于測溫點的選擇，主要考慮以下因素：

（1）滿足大尺寸BGA的回流工藝窗口，在BGA的底部和器件表面設置兩個測溫點：IC3與IC4；（2）對連接器外殼溫度進行監(jiān)測，在其塑料本體上設置一個測溫點：XS；（3）整體PCB的溫差控制，在電路板上設置一個測溫點：PCB；（4）普通元件的溫度控制，在阻容類元件上設置一個測溫點。

經過多次的在線調試，最終確定的回流爐參數設置及所測的回流溫度曲線見圖5。使用KIC測溫儀進行測試，從爐溫曲線可以看到，IC3、IC4的PWI指數均在±100%以內，BGA的返修焊接溫度滿足工藝窗口的要求。壓接連接器被保護罩遮蓋后，XS的最高溫度為165.2 ℃，器件的塑料部分未發(fā)現變形損壞，內部結構正常，因此返修溫度曲線的設置滿足基板返修要求。

6 BGA返修實施過程

在成功解決了5個工藝難點后，開始按返修方案進入實施階段，此時需要關注具體的操作細節(jié)。

圖5 返修回流爐溫曲線

6.1 返修前的準備

首先，對一些可拆卸的通孔元件、金工件等，進行手工拆卸，以減少元件損壞的幾率，同時降低基板的整體熱容量。由于基板的厚度大，在拆卸時，需要使用大功率烙鐵和外置預熱板進行輔助加熱，以防拆卸過程中損壞電路板。然后，對基板（如圖4）上大量的潮濕敏感器件（MSD），包括BGA器件本身，在返修前需進行烘焙除潮處理，否則可能會在焊接過程中出現爆米花效應，導致器件損壞。烘焙參數一般采用120 ℃，在烘箱中烘烤24 h。

6.2 BGA的二次回流焊接

BGA二次回流返修的目的是通過對BGA再次加熱，重新進行回流焊接，以達到改善焊點的效果；由于已焊接完成的BGA底部沒有助焊劑成分，需在焊接前將助焊劑加注到BGA底部，可將基板傾斜，用刷筆蘸取助焊劑涂到BGA一側的焊球部位，利用重力讓助焊劑充分流動到整個BGA底部區(qū)域，然后再將基板裝入過爐載具，進行整體回流焊接。

對經過二次回流焊接的基板重新進行功能測試，部分基板恢復正常，對未修復的基板轉入后續(xù)維修。

6.3 BGA的植球返修

BGA植球焊接工藝的返修流程如圖6所示。其工藝控制要點有4點。

圖6 BGA植球返修工藝流程圖

（1）焊盤清理：用烙鐵和吸錫帶清除BGA焊盤上的殘余焊錫，對于手工操作要非常小心，器件的焊盤數量多達近3000個，焊盤損壞的風險非常高，而且一旦損壞，將面臨基板報廢或芯片損壞的后果，因此需要安排焊接技術熟練的作業(yè)員操作；清理完成后應使用清洗劑清潔焊盤表面，然后用放大鏡檢查焊盤是否完好。

（2）焊膏印刷：BGA植球返修一般需要進行兩次焊膏印刷，包括BGA芯片植球前在器件本體上印刷焊膏，以及在BGA貼片前，在基板上的BGA焊盤上印刷焊膏，上述操作均為手工作業(yè)，要求在使用狀態(tài)良好的焊膏和印刷治具的情況下，操作時應保證網板、焊盤準確對位，同時在印刷后應在放大鏡下進行仔細檢查，焊膏的覆蓋率完全合格后，才能進行后續(xù)植球或貼片操作。

（3）植球操作：BGA的植球操作需要根據BGA的焊球直徑，選擇合適尺寸的錫球，同時要制作和使用合適的治具，并且在操作時應小心仔細，不能出現少球的缺陷。

（4）多次加熱對器件的損傷：一般BGA芯片廠家推薦的加熱次數為5次左右，而一次植球返修過程就包含了5次加熱，即首次焊接、拆卸、焊盤清理、植球、再次焊接，若返修失敗，器件失效的風險就會非常高，一般不建議再次植球使用。

圖7中，左邊BGA芯片經過2次植球，右邊為正常BGA芯片，通過對比可以看出，經過2次植球的BGA本體材質出現分層發(fā)白的現象，說明BGA已經損壞。

圖7 BGA對比圖

6.4 更換全新BGA

對植球返修后故障依舊的基板，必須更換全新的BGA元件。在更換前，將舊BGA拆除，并對焊盤進行清理；在局部印刷焊膏前，需要在顯微鏡下檢查基板的BGA焊盤區(qū)域，確認沒有基板分層、焊盤受損等問題后，再將新BGA貼裝到位，進行回流焊接，完成最終的返修。

7 結束語

大尺寸基板上的大型BGA器件返修，采用合適的返修設備與治具，設置合適的工藝參數，并對返修過程的操作細節(jié)進行嚴格管控，是可以解決器件及基板加熱形變、焊接溫度曲線控制、器件防護等問題的，返修的成功率也是可以接受的。

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