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BGA焊點的坏处分析與工藝改進

时间:2014-04-21 15:06:48 来源:鼎华科技 点击: 2230次

BGA器件的應用越來越廣泛,現在良多新産品設計時大量地應用這種器件,由於衆所周知的启事,BGA的焊接後焊點的質量和靠得住性如何是令良多設計開發人員、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,在調試電路板發現阻碍時,他們經常會懷疑是BGA的焊接質量問題或BGA本人晶片的启事,那麽究竟什麽樣的BGA焊點是合格的,什麽樣的坏处會導致焊點见效或引起靠得住性問題靠得住性問題呢?本文將就BGA焊點的接管標準、坏处表現及靠得住性等問題展開論述,特別對有爭議的1種坏处   空洞進行較爲透徹的分析。

.BGA簡介
   BGA是1種球柵陳封裝的器件,它出現於20世紀90年代初,當時由於有引線封裝的器件引腳數越來越多,引線間距越來越小,最小的器件間距已經達到0.3妹妹(12mil), 這對於組裝來講,無論從可製造性或器件焊接的靠得住性都已經達到了極限,出錯的機會也越來越大。這時1種新型的球柵陣列封裝器件出現了,相對於同樣尺寸的QFP器件,BGA能夠提供多至幾倍的引腳數(對於BGA來講其晶片上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,大概大幅度地提高焊接合格率和1次得胜率。  



一般塑膠封裝的PBGA是應用在通信産品和消費産品上至多的1種器件,它的焊球要素是泛泛的六3n/37Pb,共晶焊料。軍品上有時應用陶瓷封裝的CBGA器件,它的焊球是1種高溫的10Pb/90 Sn的非共晶焊料。隨著BGA器件的不斷發展,在美國和日本都開發出了更小封裝的微型BGA,其封裝尺寸只比晶片大不超過20%,1般被子稱作µBGA(microBGA)或CSP,它們的焊球最小已達到0.3妹妹(12mil,焊球間距最小已達到0.5妹妹(12mil).實際上,對於印製板製造廠來講,在云云小焊球間距間製作過孔是1項難度异常高的任务。
.BGA焊拉質量的檢查
對於BGA來講由於焊球在晶片的上面,焊接完成之後很難去判斷其焊接質量。在沒有檢查設備的情況下,先目視觀察最外观1圈焊的衰亡是1致,再將晶片對著光看,假定每1排每1列都能透過光,那麽大概斷定沒有連焊,有時尺寸大1點的焊錫也能看見。但用這種门径判斷能否裏面的焊點能否存在其余坏处或焊點裏面能否有空洞。要想更清楚明确地判斷焊點的質量,還必須操纵X光焊點檢查儀。
傳統的2維X射線直射式拍照設備比較便宜,但其缺點是在PCB板的兩面的扫数焊點都同時在1張照片上顯影,對於在同1地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,假定有坏处的話,也分不清是哪個層的問題。這樣,無法滿足精確地確定焊接坏处的乞求。
其余1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,電路板上扫数封裝的焊點它都大概檢查。雖然以古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器件的應用越來越廣泛,人們已經能蒙受這種昂貴的設備了。
HP 5DX採用的是X射線斷層拍照,通過它大概把焊接球分層,産生斷層拍照的效果。X射線斷層拍照的圖片能夠根據CDA原始設計資料和用戶設置的參數進行自動分析焊點,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分歧)對PCB的兩面的扫数元件的扫数焊點進行精確的對比分析,得出焊接合格與否的結論。爲什麽斷層掃描的X射線拍照能夠得到邃晓度异常高的效果呢?這是由其任务事理決定的。HP 5DX系統的X射線是由位於設備上真个1個X射線管産生的。任务時,必須將電壓從220V升至1六0KV,電流爲100 mA。在高電壓下産生的電子束映照到金屬鎢上會産生X射線。這1束X射線斜著射下來,以7六0轉/秒的速率高速旋轉。同時不才面還不1個閃爍器平臺也以同樣的速率與X射線同步旋轉。閃爍器平臺實際上是1個對X光机灵的接管器。1般來講金屬,錫、鉛等重金屬X光不會透過,會构成深色的情景,而1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1地位上撮合,出現1個撮合平面,撮合平面上的物體或圖像會在閃爍器平臺上构成1個邃晓的圖像,但不在撮合平面上的物體或圖像在閃爍器平臺上則被子虛掉了,只有1個陰影。X射線的斷定層成像事理如圖所示。於是對於PCB上高度分歧的焊點進行斷層,想要檢查某1層的焊接情況,只要將這1層調整到撮合平面的地位,就會很清楚明确地將掃描結果展現出來。這個邃晓的照片會由設備上面的X光拍照機拍下來。
3.BGA焊點的接管標準
非论用哪種檢查設備進行檢查,判斷焊點的質量能否合格都必須有依據。IPC-A-六10C 12.2.12專門對BGA焊點的接管標準進行了定義。優選的BGA焊點的乞求是焊點光滑、圓、邊界邃晓、無空洞,扫数焊點的直徑、體積、灰度和對比度均1樣,地位對準,無偏移或扭轉,無焊錫球。
焊接完成後,優選的標準是谋求的目標,但作爲合格焊點的判據,還大概比上述標準乞求略微放鬆。如地位對準,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,但焊錫球不克不及大於相鄰迩来的兩個焊球間距的25%。
4.BGA焊點的典范坏处
BGA的典范坏处征求:連焊、開路、焊球丟失、大空洞、大焊錫球和焊點邊緣晴明。上面列舉1張實際任务中遇到的X射線照片,征求了上述的大全部坏处。
.有爭議的1種坏处   空洞
目前尚存在爭議的1個問題是關於BGA中空洞的接管標準。空洞問題並不是BGA獨有的。在通孔插裝及名义貼裝及通孔插裝元件的焊點一般都大概用目視檢检查到空洞,而不必X射線。在BGA中,由於扫数的焊點隱藏在封裝的上面,只有操纵X射線材干檢查到這些焊點。當然,用X射線不僅大概檢查BGA的焊點,扫数的各種各樣的焊點都大概檢查,操纵X射線,空洞很容易即大概檢查出來。
那麽空洞1定對BGA的靠得住性有負面影響嗎?不1定。有些人以至說空洞對於靠得住性是有好處的。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委員會認爲有些尺寸异常小,不克不及彻底消除的空洞大要對於靠得住性是有好處的,但是多大的尺寸應該有1個界定的標準。
5.1
空洞的地位及构成启事
在BGA的焊點檢查中在什麽地位能發現空洞呢?BGA的焊球大概分爲三個層,1個是元件層(靠近BGA元件的基板),1個是焊盤層(靠近PCB的基板),再有1個即是焊球的中間層。根據分歧的情況,空洞大概發生在這三個層中的任何1個層。
空洞是什麽時候出現的呢?BGA焊球中大要本人在焊接前就帶有空洞,這樣在再流焊過程完成後就构成了空洞。這大假如由於焊球製作工藝中就引入了空洞,大概或许PCB名义塗覆的焊膏材料的問題導致的。其余電路板的設計也是构成空洞的1個主要启事。比喻,把過孔設計在焊盤的上面,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,焊接完成冷卻後焊球中就會留下空洞。
焊盤層中發生的空洞大假如由於焊盤上面印刷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,冷卻後就构成了空洞。焊盤的鍍層不好或焊盤名义有污染都大假如在焊盤層出現空洞的启事。
一般發現空洞機率至多的地位是在元件層,也即是焊球之处到BGA基板之間的全部。這有大假如因爲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1體時构成空洞。假定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,便构成了空洞。所以,再流溫度曲線是构成空洞的種启事。共晶焊料六3n/37Pb的BGA最易出現空洞,而要素爲10Sn/90Pb的不法共晶高熔點焊球的BGA,熔點爲302℃,1般根蒂上沒有空洞,這是因爲在焊膏消溶的再流焊接過程中BGA上的焊球不消溶。
5.2
空洞的接管標準
空洞中的氣體存在大要會在熱迴圈過程中産生收縮和膨脹的應力感召空洞存在之处便會成爲應力会集點,並有大要成爲産生應力裂紋的根来源基本因。
但是空洞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。具體減小几许還要視空洞的尺寸、地位、形狀等要素而定。
IPC-7095中規定空洞的接管/拒收標準主要考慮兩點:即是空洞的地位及尺寸。空洞不論是存在在什麽地位,是在焊料球中間大概或许在焊盤層或元件層,視空洞尺寸及數量分歧都會形成質量和靠得住性的影響。焊球內部允許有小尺寸的焊球存在。空洞所占空間與焊球空間的比例大概按如下门径計算:比喻空洞的直徑是焊球直徑的50%,那麽空洞所占的面積是焊球的面積的25%。IPC標準規定的接管標準爲:焊盤層的空洞不克不及大於10%的焊球面積,也即空洞的直徑不克不及超過30%的焊球直徑。當焊盤層空洞的面積超過焊球面積的25%時,就視爲1種坏处,這時空洞的存在會對焊點的機械或電的靠得住性形成隱患。在焊盤層空洞的面積在10%~25%的焊球面積時,應著力改進工藝,消除或減少空洞。
.結論   減少BGA坏处的工藝改進建議
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1體,這個過程分爲兩個階段的塌落。第1個階段的塌落是PCB板上的焊膏先消溶,元件塌下來,第2個階段是元件本人的錫球也消溶並與PCB板上的消溶的焊膏熔爲1體,錫球再次塌落,构成1個扁圓形的焊點。
要构成美满的焊點,應留神如下幾個方面:
1 操纵新鮮的焊膏,保證焊膏攪拌均勻,焊膏塗覆的地位準確,元件放置的地位準確。
對於塑膠封裝的PBGA要在焊接前以100℃烘乾六-8小時,有氮氣條件的話更好。
3 回流溫度曲線是1個异常弥留的要素。在焊接過程中,要保證焊接曲線過渡天然,使器件均勻受熱,尤其在焊接區,要保證扫数焊點匮乏消溶。否則將會由於溫度不夠构成冷焊點,焊點名义邃密,或第2次塌落階段沒有匮乏消溶,PCB名义的焊膏與元件本人的焊錫中間出現裂紋,形成虛焊或開焊。
4 塗覆的焊膏量必須適當,焊膏的粘度應起到對器件暫時静止的感召,還要保證在焊料消溶的焊接過程中不連焊。一般製作BGA模板時,BGA焊點的開孔尺寸一般爲焊盤尺寸的70~80%,模板厚度一般爲0.15妹妹(六mil)
5 設計PCBBGA的焊盤時1定要將扫数焊點的焊盤設計成1樣大,假定某些過也民必須設計到焊盤的上面,也應當到找合適的PCB製造廠,在該焊盤的地位鑽孔,而不克不及因爲鑽不了那麽小的過孔,就擅自將焊盤改大,這樣的話焊接後大焊盤和小焊盤上的錫量不1樣多,高度也不1致形成虛焊或開路。
此外,還要強調1點是關於PCB 製作時的阻焊膜問題。由於阻焊膜不同格形成的焊接失敗已經良多了,所以在焊接BGA从前要先檢查焊盤周圍的阻焊膜能否合格,焊接面焊盤周圍的過孔也1定要塗覆阻礙焊膜。假定製作時把阻焊膜加到了PCB的另1面就沒用了。加阻焊膜的指标是爲防范在焊接時空氣從上面進來构成空洞,同時也大概防范焊錫從通孔中流出。假定在印刷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,因爲過孔本人即是電鍍孔,但假定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”坏处。
返修BGA是迫不得已的辦法,雖然有大要修復1片焊接失敗的BGA晶片,但修復1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工具。植球的门径已經有良多論文在介紹了,但實際把持時植球的得胜率一般不是很高。有時爲了返修1片BGA要花費至多半天的時間,由此形成的資源浪費是顯而易見的。即使修復好了再焊接上来,這個晶片已經蒙受了至多4次的回流周期,這必定會影響焊接的靠得住性,比方會加快疲勞和蠕變见效。總之,在焊接BGA从前做好匮乏的準備,彻底有大要實現高的1次通過率,增加1次得胜的驾驭。
儘量減少或消除坏处,不返修,這才是我們所谋求的目標。

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