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BGA安装技术

时间:2014-04-23 14:30:36 来源:鼎华科技 点击: 2354次

一、

BGA安装技术是一种新型的表面安装技术,称作球栅阵列封装(Ball Grid Array)。它的引脚成球形阵列状分布在封装的底面上。因此,它可以有较大的脚间距和较多的引脚数量,而且使用SMT安装工艺,安装工艺简单,这正是人们所期望的SMD

二、 BGA的结构特点
    BGA
作为一种新的SMT(表面安装技术)封装形式是从PGA(Pin Grid Array)演变而来的,它通常是由膜片、基座、引线、封壳和球形引脚等组成的。BGA的特点有:
1.
更大的引脚封装数量
目前各种实用表面安装器件在相同的封装尺寸下,BGA有更大的引脚封装数量,通常其球形引脚数量在400个以上。例如一个32mm×32mm大小的BGA其球形引脚数量可达576个,而同样尺寸的 QFP(方型扁平封装)仅有184个引脚。

2.较小的占地面积


在大体相同的引脚数量下,BGA有较小的占地面积。我们把一个有304条引脚的QFP与一个有313条引脚的BGA进行比较,虽然BGA的引脚比QFP的引脚数略多一些,但其占地面积却比QFP少三分之一左右。


  3.
更低的安装高度


BGA
的安装高度低于其封装厚度与球栅高度之和,208脚或304脚的QFP高度为3.78mm,而225脚或313脚的BGA的高度只有约2.13mm。而且焊接后高度会更低,这是因为BGA的球形引脚在焊接时熔化的缘故。


    4.
较大的引脚间距


   
电子器件工程联合会(JEDEC)制定的BGA物理标准中,规定BGA的球形引脚间距为:1.5mm;1.27mm1.0mm。在相同的封装尺寸和引脚数量大体相同的条件下,QFP的引脚间距为0.5mm,而BGA的引脚间距为1.5mm


5.
良好的散热性


BGA
在工作时更接近环境温度,其芯片的工作温度较其它表面安装器件低。
6.
简单的SMT工艺兼容性
    BGA
的组装与标准的SMT工艺是兼容的,由于BGA的引脚间距较大,引脚的共面性好,没有弯曲的引脚,其组装工艺比其它SMD(表面安装器件)的组装更为简单。


7.
更好的电气性能


   
由于BGA的引脚高度短,组装密度高,其电气性能更优越,特别是在频率较高范围内使用,分布参数的影响会小。


8.
较低的生产技术


BGA
的多引脚封装,使得印刷电路板(PCB)体积变小,组装密度增大,相对降低了生产成本,特别是随着BGA产量增加和应用广泛,生产成本的降低会越来越明显。
9.
较高的可靠性和较低的质量缺陷
BGA
的焊锡球在焊接时,受表面张力的作用,焊接过程中产生自动校中作用,即使锡球与焊盘有50%的误差也能有良好的焊接效果,其焊接缺陷率通常小于1ppm
BGA
虽然有一些明显的优点,但也存在一些不足,主要不足有:
1.
对焊点的检测困难,通常使用X光机进行透视检验,因而设备费用较大。
2.
由于BGA的引脚以阵列形式焊于PCB上,返修时难度较大。
3.
部分BGA对潮湿非常敏感,使用时需要排潮。


三、 BGA的分类与引脚封装数量


BGA
的分类


通常BGA是由膜片、基座、引线、封壳和引脚等组成。根据膜片的放置、引脚的排列、基座的材料和密封方式的不同,BGA的封装结构也不同,大体分类如下:
1.
按膜片放置方式分类有:膜片表面方向向上和向下两种。
2.
按基座材分类有:塑胶(PBGA)、陶瓷(CBGA)、有机带(TBGA)、陶瓷柱(CGA)、中空金属(Gavity BGA)等。
3.
按引脚排列分类有:球栅阵列均匀全分布、球栅阵列交错全分布、球栅阵列周边分布、球栅阵列带中心散热和接地点的周边分布等。
4.
接密封方式分类有:模制密封和浇注密封等。
5.
从散热角度分类有:热增强型、膜腔向下和金属体BGAMBGA)等。


BGA
的引脚封装数量


    BGA
是继QFP之后的又一大容量引脚封装的SMD,通常BGA都能提供200条以上的引脚,多者可达上千条引脚。


四、 BGA的工艺要求


   
与传统的SMT工艺相比,BGA的组装工艺更为简单,这是因为它的引脚间距较大、引脚的共面性好、贴装简单,合格率高。下面简单介绍一下其安装工艺要求。


1. BGA
的防潮处理
有些BGA对潮湿非常敏感,这是由于BGA内粘膜片的环氧树脂在日常存放时能够吸附潮气,当它被加热时,吸附的潮气会汽化,在环氧树脂内造成较大的应力,水汽在膜片下的底衬上形成气泡,这将导致膜片与基座的开裂,潮气越多爆炸越利害。因此,在使用之前应考虑进行排潮处理。一些BGA的封装目前已达到潮湿灵敏度HEDEC等级的3级,相当于A112等级的3C级,即要求在3060%的相对湿度下允许放置48小时,焊接时不会出现裂纹。有些BGACBGA已经进行了改进,对温度已不敏感。因此,在组装过程中,应针对不同类型的BGA,视环境的温度与湿度情况,对所使用的BGA考虑进行排潮。具体的做法是,未使用时请不要打开密封包装,使用时若需要排潮可依包装情况和存放时间进行排潮,排潮时可将BGA放在125烘箱中烘24小时,存放条件最好是干燥箱。


2. BGA
的涂印
    BGA
的常用引脚锡球的高度约为25mil,其直径均为30mil。不同类型的BGA其锡球的合金成份是不同的,通常TBGACBGACGA等使用高熔点焊料(10Sn/90Pb62Sn/36Pb/2Ag)。而其它大多数BGA使用低熔点焊料(63Sn/37Pb62Sn/Pb/2Ag)。高温锡球的使用主要是为了防止再流焊接后支座坍塌。BGA的涂印通常是将助焊剂或焊膏涂印到印刷电路板(PCB)上,它们的作用就是清除焊盘上的氧化物,当锡球或焊锡膏熔化时与PCB形成良好的连接。如果焊后认为焊点较小可以增加一些焊膏,但一定要适量,否则有可能引起桥接和短路。同时较多的助焊剂在气化时易形成气泡而影响焊接质量。


3. BGA
的贴装
   
由于BGA的脚间距较大,给贴装提供了很大的方便,使贴装变得简单。目前一些新型贴片机有贴BGA的功能。同时,由于BGA在再流焊接过程中会自动向中心收缩,即使器件与焊盘的贴装偏差达50%时也能很好地自动校准,这样对贴片的精度要求并不很高,因此,使贴片的工艺性变得简单易操作。


4. BGA
的再流焊接
BGA
的再流焊接过程是一个C5过程,称作受控芯片载体塌陷连接,可以采用标准SMT的再流焊接工艺。BGA在再流焊炉内,经过加热使锡球或焊膏熔化塌陷形成连接,为了达到良好连接有必要认真调整炉内的温度曲线,调整方法与其它SMD相同。需要注意的是在进行BGA再流焊接时,对其焊球的成份要有了解,以便确定再流焊接的温度曲线。一般情况下,锡球成份是63Sn/37pb时,其共晶温度是183;锡球成份是62Sn/36Pb/2Ag时,其共晶温度是178。此时选择的再流焊温度最高不要超过240,最佳温度是215;保持时间为6090秒。


5. BGA
的焊后检查
    BGA
的焊后检查通常包括焊接检查和功能检测。焊接检查主要是检查焊接质量,由于BGA引脚的排列方式决定了目测是很困难的,需要使用X光机进行焊点的质量检查。功能检测在在线测试设备上进行,同其它封装的SMD的测试雷同。

6. BGA的返修
BGA的检查一样,BGA的返修也是比较困难的,需要专门的返修工具和设备。BGA返修时,首先拿掉已坏的BGA,拿掉后的PCB上的焊盘要经过修整并涂覆适量的焊剂,新的BGA要经过预处理后及时完成焊接。需要注意的是在返修前应对返修的费用和器件的价格等进行比较,看返修是否合算。一般不鼓励重新焊装。


五、BGA的发展
BGA
从实用开始到现在仅仅几年的时间中,出现了超乎寻常的高速发展。BGA进入实用阶段不到三年时间就动摇了以QFP为代表的表面安装器件的主导地位,大有取代QFP之势,在今后的几年内,BGA将会主导SMT的发展和应用。
随着电子信息化产业的飞速发展,人们对集成电路(IC)芯片的封装有了更新的要求,虽然BGA在相同的封装尺寸下有着更大的引脚封装数量,但是我们希望体积更小、引脚数量更多的表面安装器件出现。因此,BGA有了更新的发展,这就是封装尺寸更小的μBGACSP
μBGA
是一种微型的BGA,是美国在BGA基础上,进一步缩小BGA的封装尺寸,基本上是在芯片基础上进行封装,封装尺寸比被封装芯片略大一些,称得上是芯片规模的封装。日本在表面安装器件的封装上一直是以QFP为主,但当BGA封装给SMT带来极大活力时,他们研制开发出类似μBGA的芯片尺寸封装的表面安装器件,简称为CSPChip Scale Package Chip Size Package)。
CSP
也好,μBGA也好都是在BGA的基础上进一步缩小封装尺寸,按芯片大小进行芯片规模封装的表面安装器件。为了让大家对μBGACSP有一个简单的印象,我们将μBGACSPBGA作一个简单的比较:BGA的锡球中心距为1.5mm1.0mmμBGACSP的锡球中心距为1.0mm0.5mmBGA的锡球直径为Ф1.0mmФ0.6mmμBGACSP的锡球直径为Ф0.5mmФ0.2mm;在相同引脚数下μBGACSP的占地面积较BGA减少四倍以上。

μBGACSP的出现在IC封装领域引起了革命性的冲击,这次革命的意义在于μBGACSP解决了长期以来在微电子封装中存在的芯片尺寸小封装尺寸大的矛盾。在IC各种制作过程中,IC芯片可以做得很小,但封装后的IC体积却很大,这个矛盾在μBGACSP未出现时一直没有得到较好的解决,BGA的出现只是在相同体积下增加了引脚的封装容量。由于μBGACSP封装不仅增加了引脚的数量,而且减小了封装尺寸,又因为μBGACSP是在BGA基础上发展起来的表面安装技术,可以沿用现有的SMT工艺,不需要对现有的SMT工艺和设备进行规模改造,因此进一步推动了SMT的发展,同时,μBGACSP促进了MCM的工业化的规模生产,为电子信息产业提供更好的硬件支持。

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