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BGA焊點的缺点剖析與工藝改進

时间:2013-08-20 14:15:20 来源:鼎华科技 点击: 2392次

BGA焊點的缺点剖析與工藝改進

 

 

    BGA器材的應用越來越廣泛,現在许多新産品設計時大量地應用這種器材,由於衆所周知的缘由,BGA的焊接後焊點的質量和可靠性怎么是令许多設計開發人員、組裝加工人員頗爲頭痛的問題。由於無法用常規的目視檢查BGA焊點的質量,在調試電路板發現毛病時,他們經常會懷疑是BGA的焊接質量問題或BGA自身晶片的缘由,那麽终究什麽樣的BGA焊點是合格的,什麽樣的缺点會導致焊點失效或导致可靠性問題可靠性問題呢?这篇文章將就BGA焊點的接纳標準、缺点表現及可靠性等問題展開論述,特別對有爭議的一種缺点   空泛進行較爲透徹的剖析。

.BGA簡介

  BGA是一種球柵陳封裝的器材,它出現於20世紀90年代初,當時由於有引線封裝的器材引腳數越來越多,引線間距越來越小,最小的器材間距已經達到0.3mm(12mil), 這對於組裝來講,無論從可製造性或器材焊接的可靠性都已經達到了極限,出錯的機會也越來越大。這時一種新式的球柵陣列封裝器材出現了,相對於同樣尺度的QFP器材,BGA能夠供给多至幾倍的引腳數(對於BGA來講其晶片下面的焊球就相當於引腳)而引腳的間距還比較大,這對於組裝來講是件功德,能够大幅度地进步焊接合格率和一次成功率。  

 

一般塑膠封裝的PBGA是應用在通讯産品和消費産品上最多的一種器材,它的焊球成分是一般的63n/37Pb,共晶焊料。軍品上有時應用陶瓷封裝的CBGA器材,它的焊球是一種高溫的10Pb/90 Sn的非共晶焊料。隨著BGA器材的不斷發展,在美國和日本都開發出了更小封裝的微型BGA,其封裝尺度只比晶片大不超過20%,一般被子稱作µBGA(microBGA)或CSP,它們的焊球最小已達到0.3mm(12mil,焊球間距最小已達到0.5mm(12mil).實際上,對於印製板製造廠來講,在如此小焊球間距間製作過孔是一項難度十分高的作业。

.BGA焊拉質量的檢查

對於BGA來講由於焊球在晶片的下面,焊接完结之後很難去判斷其焊接質量。在沒有檢查設備的情況下,先目視觀察最外面一圈焊的陷落是共同,再將晶片對著光看,若是每一排每一列都能透過光,那麽能够斷定沒有連焊,有時尺度大一點的焊錫也能看見。但用這種办法判斷是不是裏面的焊點是不是存在其他缺点或焊點裏面是不是有空泛。要想更清楚地判斷焊點的質量,還必須运用X光焊點檢查儀。

傳統的二維X射線直射式照相設備比較廉价,但其缺點是在PCB板的兩面的一切焊點都同時在一張相片上顯影,對於在同一方位兩面都有元件的情況下,這些焊錫构成的陰影會重疊起來,分不清是哪個面的元件,若是有缺点的話,也分不清是哪個層的問題。這樣,無法滿足精確地確定焊接缺点的需求。

别的一种HP 5DX電路板檢查儀是專門用來檢查焊點的X射線斷層掃描檢查設備。當然它不僅能夠檢查BGA,電路板上一切封裝的焊點它都能够檢查。雖然以前人們認爲這種設備太昂貴,用來進行焊點的檢查本钱太高,但隨著BGA器材的應用越來越廣泛,人們已經能承受這種昂貴的設備了。HP5DX採用的是X射線斷層照相,通過它能够把焊接球分層,産生斷層照相的效果。X射線斷層照相的圖片能夠根據CDA原始設計資料和用戶設置的參數進行自動剖析焊點,它即時地進行斷層掃描,能夠在幾十秒或2分鐘之內(視電路板焊點的數量及複雜程度纷歧样)對PCB的兩面的一切元件的一切焊點進行精確的對比剖析,得出焊接合格與否的結論。爲什麽斷層掃描的X射線照相能夠得到明晰度十分高的效果呢?這是由其作业原理決定的。HP 5DX系統的X射線是由位於設備上端的一個X射線管産生的。作业時,必須將電壓從220V升至160KV,電流爲100 mA。在高電壓下産生的電子束照射到金屬鎢上會産生X射線。這一束X射線斜著射下來,以760轉/秒的速度高速旋轉。同時在下面還纷歧個閃爍器平臺也以同樣的速度與X射線同步旋轉。閃爍器平臺實際上是一個對X光灵敏的接纳器。一般來講金屬,錫、鉛等重金屬X光不會透過,會构成深色的现象,而一般的物質則被X光穿透,什麽都看不到。X光在光源與閃爍器平臺之間的某一方位上集合,出現一個集合平面,集合平面上的物體或圖像會在閃爍器平臺上构成一個明晰的圖像,但不在集合平面上的物體或圖像在閃爍器平臺上則被子虛掉了,只需一個陰影。X射線的斷定層成像原理如圖所示。於是對於PCB上高度纷歧样的焊點進行斷層,想要檢查某一層的焊接情況,只需將這一層調整到集合平面的方位,就會很清楚地將掃描結果展現出來。這個明晰的相片會由設備下面的X光照相機拍下來。

.BGA焊點的接纳標準

不管用哪種檢查設備進行檢查,判斷焊點的質量是不是合格都必須有依據。IPC-A-610C 12.2.12專門對BGA焊點的接纳標準進行了定義。優選的BGA焊點的需求是焊點润滑、圓、邊界明晰、無空泛,一切焊點的直徑、體積、灰度和對比度均一樣,方位對準,無偏移或扭轉,無焊錫球。

焊接完结後,優選的標準是寻求的目標,但作爲合格焊點的判據,還能够比上述標準需求略微放鬆。如方位對準,允許BGA焊點相對於焊盤有不超過25%的偏移量,對於焊錫球也不是絕對不允許存在,但焊錫球不能大於相鄰近来的兩個焊球間距的25%。

.BGA焊點的典型缺点

BGA的典型缺点包含:連焊、開路、焊球丟失、大空泛、大焊錫球和焊點邊緣含糊。下面列舉一張實際作业中遇到的X射線相片,包含了上述的大多数缺点。

.有爭議的一種缺点空泛

当前尚存在爭議的一個問題是關於BGA中空泛的接纳標準。空泛問題並不是BGA獨有的。在通孔插裝及外表貼裝及通孔插裝元件的焊點一般都能够用目視檢查看到空泛,而不必X射線。在BGA中,由於一切的焊點隱藏在封裝的下面,只需运用X射線才干檢查到這些焊點。當然,用X射線不僅能够檢查BGA的焊點,一切的各種各樣的焊點都能够檢查,运用X射線,空泛很简单就能够檢查出來。

那麽空泛必定對BGA的可靠性有負面影響嗎?纷歧定。有些人乃至說空泛對於可靠性是有好處的。IPC-7095標準“實現BGA的設計和組裝過程”詳述了實現BGA和的設計及組裝技術。IPC-7095委員會認爲有些尺度十分小,不能彻底消除的空泛能够對於可靠性是有好處的,可是多大的尺度應該有一個界定的標準。

5.1空泛的方位及构成缘由

在BGA的焊點檢查中在什麽方位能發現空泛呢?BGA的焊球能够分爲三個層,一個是元件層(接近BGA元件的基板),一個是焊盤層(接近PCB的基板),再有一個即是焊球的中間層。根據纷歧样的情況,空泛能够發生在這三個層中的任何一個層。

空泛是什麽時候出現的呢?BGA焊球中能够自身在焊接前就帶有空泛,這樣在再流焊過程完结後就构成了空泛。這能够是由於焊球製作工藝中就引入了空泛,或是PCB外表塗覆的焊膏资料的問題導致的。别的電路板的設計也是构成空泛的一個首要缘由。例如,把過孔設計在焊盤的下面,在焊接的過程中,外界的空氣通過過孔進入熔溶狀態的焊球,焊接完结冷卻後焊球中就會留下空泛。

焊盤層中發生的空泛能够是由於焊盤上面打印的焊膏中的助焊劑在再流焊接過程中揮發,氣體從熔深的焊猜中逸出,冷卻後就构成了空泛。焊盤的鍍層欠好或焊盤外表有污染都能够是在焊盤層出現空泛的缘由。

一般發現空泛機率最多的方位是在元件層,也即是焊球的中心到BGA基板之間的有些。這有能够是因爲PCB上面BGA的焊盤在再流焊接的過程中,存在有空氣氣泡和揮發的助焊劑氣體,當BGA的共晶焊球與所施加的焊膏在再流焊過程中熔爲一體時构成空泛。若是再流溫度曲線在再流區時間不夠長,空氣氣泡和助焊劑中揮發的氣體來不及逸出,熔溶的焊炒已經進入冷卻區變爲固態,便构成了空泛。所以,再流溫度曲線是构成空泛的種缘由。共晶焊料63n/37Pb的BGA最易出現空泛,而成分爲10Sn/90Pb的非法共晶高熔點焊球的BGA,熔點爲302℃,一般基本上沒有空泛,這是因爲在焊膏熔化的再流焊接過程中BGA上的焊球不熔化。

5.2空泛的接纳標準

空泛中的氣體存在能够會在熱迴圈過程中産生收縮和膨脹的應力效果空泛存在的地便利會成爲應力会集點,並有能够成爲産生應力裂紋的根本缘由。

可是空泛的存在由於減小了焊料球所申的過分間,也就減小了焊料球上的機械應力。具體減小多少還要視空泛的尺度、方位、形狀等要素而定。

IPC-7095中規定空泛的接纳/拒收標準首要考慮兩點:即是空泛的方位及尺度。空泛不論是存在在什麽方位,是在焊料球中間或是在焊盤層或元件層,視空泛尺度及數量纷歧样都會构成質量和可靠性的影響。焊球內部允許有小尺度的焊球存在。空泛所占空間與焊球空間的份额能够按如下办法計算:例如空泛的直徑是焊球直徑的50%,那麽空泛所占的面積是焊球的面積的25%。IPC標準規定的接纳標準爲:焊盤層的空泛不能大於10%的焊球面積,也即空泛的直徑不能超過30%的焊球直徑。當焊盤層空泛的面積超過焊球面積的25%時,就視爲一種缺点,這時空泛的存在會對焊點的機械或電的可靠性构成隱患。在焊盤層空泛的面積在10%~25%的焊球面積時,應著力改進工藝,消除或減少空泛。

.結論   減少BGA缺点的工藝改進建議

共晶焊料的BGA在焊接過程构成焊點時,PCB板上塗覆的焊膏和元件本揣的錫球要熔爲一體,這個過程分爲兩個階段的塌落。榜首個階段的塌落是PCB板上的焊膏先熔化,元件塌下來,第二個階段是元件自身的錫球也熔化並與PCB板上的熔化的焊膏熔爲一體,錫球再次塌落,构成一個扁圓形的焊點。

要构成完满的焊點,應注意以下幾個方面:

1 运用新鮮的焊膏,保證焊膏攪拌均勻,焊膏塗覆的方位準確,元件放置的方位準確。

2 對於塑膠封裝的PBGA要在焊接前以100℃烘乾6-8小時,有氮氣條件的話非常好。

3 回流溫度曲線是一個十分重要的要素。在焊接過程中,要保證焊接曲線過渡天然,使器材均勻受熱,尤其在焊接區,要保證一切焊點充沛熔化。否則將會由於溫度不夠构成冷焊點,焊點外表粗糙,或第2次塌落階段沒有充沛熔化,PCB外表的焊膏與元件自身的焊錫中間出現裂紋,构成虛焊或開焊。

4 塗覆的焊膏量必須適當,焊膏的粘度應起到對器材暫時固定的效果,還要保證在焊料熔化的焊接過程中不連焊。一般製作BGA模板時,BGA焊點的開孔尺度一般爲焊盤尺度的70~80%,模板厚度一般爲0.15mm(6mil)

5 設計PCBBGA的焊盤時必定要將一切焊點的焊盤設計成一樣大,若是某些過也民必須設計到焊盤的下面,也應當到找合適的PCB製造廠,在該焊盤的方位鑽孔,而不能因爲鑽不了那麽小的過孔,就私行將焊盤改大,這樣的話焊接後大焊盤和小焊盤上的錫量纷歧樣多,高度也不共同构成虛焊或開路。

6 此外,還要強調一點是關於PCB 製作時的阻焊膜問題。由於阻焊膜不合格构成的焊接失敗已經许多了,所以在焊接BGA之前要先檢查焊盤周圍的阻焊膜是不是合格,焊接面焊盤周圍的過孔也必定要塗覆阻礙焊膜。若是製作時把阻焊膜加到了PCB的另一面就沒用了。加阻焊膜的意图是爲防止在焊接時空氣從下面進來构成空泛,同時也能够防止焊錫從通孔中流出。若是在打印焊膏時不得返工的話,也不會有多餘的焊錫並不影響焊接質量,因爲過孔自身即是電鍍孔,但若是焊錫太多或産生拉尖、錫球之類的問題,就會留下短路的隱患,有人稱其爲“虛短”缺点。

返修BGA是无可奈何的辦法,雖然有能够修復一片焊接失敗的BGA晶片,但修復一片BGA要費較長的時間,還必須有合適的焊球和能夠精確對位的返修东西。植球的办法已經有不少論文在介紹了,但實際操作時植球的成功率一般不是很高。有時爲了返修一片BGA要花費至少半响的時間,由此构成的資源浪費是顯而易見的。即便修復好了再焊接上去,這個晶片已經承受了至少4次的回流周期,這必定會影響焊接的可靠性,比方會加快疲勞和蠕變失效。總之,在焊接BGA之前做好充沛的準備,彻底有能够實現高的一次通過率,添加一次成功的掌握。儘量減少或消除缺点,不返修,這才是我們所寻求的目標。

 

 

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