一、BGA的焊接工藝技術(shù)原理

BGA焊接采用的回流焊的原理。這里介紹一下錫球在焊接過程中的回流機(jī)理。

當(dāng)錫球至于一個(gè)加熱的環(huán)境中，錫球回流分為三個(gè)階段：

• 預(yù)熱

首先，用于達(dá)到所需粘度和絲印性能的溶劑開始蒸發(fā)，溫度上升必需慢（大約每秒5° C），以限制沸騰和飛濺，防止形成小錫珠，還有，一些元件對(duì)內(nèi)部應(yīng)力比較敏感，如果元件外部溫度上升太快，會(huì)造成斷裂。

• 回流

這個(gè)階段為重要，當(dāng)單個(gè)的焊錫顆粒全部熔化后，結(jié)合一起形成液態(tài)錫，這時(shí)表面張力作用開始形成焊腳表面，如果元件引腳與PCB焊盤的間隙超過4mil（1 mil = 千分之一英寸），則極可能由于表面張力使引腳和焊盤分開，即造成錫點(diǎn)開路。

• 冷卻

冷卻階段，如果冷卻快，錫點(diǎn)強(qiáng)度會(huì)稍微大一點(diǎn)，但不可以太快否則會(huì)引起元件內(nèi)部的溫度應(yīng)力。

二、溫區(qū)劃分BGA的焊接

對(duì)于BGA的焊接，我們是采用BGA Rework Station（BGA返修工作站）進(jìn)行焊接的。不同廠商生產(chǎn)的BGA返修工作站采用的工藝原理略有不同，但大致是相同的。這里先介紹一下溫度曲線的概念。BGA上的錫球，分為無鉛和有鉛兩種。有鉛的錫球熔點(diǎn)在183℃～220℃，無鉛的錫球熔點(diǎn)在235℃～245℃.

從以上兩個(gè)曲線可以看出，焊接大致分為預(yù)熱，保溫，回流，冷卻四個(gè)區(qū)間（不同的BGA返修工做站略有不同）無論有鉛焊接還是無鉛焊接，錫球融化階段都是在回流區(qū)，只是溫度有所不同，回流以前的曲線可以看作一個(gè)緩慢升溫和保溫的過程。明白了這個(gè)基本原理，任何BGA返修工作站都可以以此類推。這里，介紹一下這幾個(gè)溫區(qū)：

• 預(yù)熱區(qū)

也叫斜坡區(qū)，用來將PCB的溫度從周圍環(huán)境溫度提升到所須的活性溫度。在這個(gè)區(qū)，電路板和元器件的熱容不同，他們的實(shí)際溫度提升速率不同。電路板和元器件的溫度應(yīng)不超過每秒2～5℃速度連續(xù)上升，如果過快，會(huì)產(chǎn)生熱沖擊，電路板和元器件都可能受損，如陶瓷電容的細(xì)微裂紋。而溫度上升太慢，焊膏會(huì)感溫過度，溶劑揮發(fā)不充分，影響焊接質(zhì)量。爐的預(yù)熱區(qū)一般占整個(gè)加熱區(qū)長(zhǎng)度的15～25 %。

• 保溫區(qū)

有時(shí)叫做干燥或浸濕區(qū)，這個(gè)區(qū)一般占加熱區(qū)的30 ～ 50 %。活性區(qū)的主要目的是使PCB上各元件的溫度趨于穩(wěn)定，盡量減少溫差。在這個(gè)區(qū)域里給予足夠的時(shí)間使熱容大的元器件的溫度趕上較小元件，并保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發(fā)。到活性區(qū)結(jié)束，焊盤、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去，整個(gè)電路板的溫度達(dá)到平衡。應(yīng)注意的是PCB上所有元件在這一區(qū)結(jié)束時(shí)應(yīng)具有相同的溫度，否則進(jìn)入到回流區(qū)將會(huì)因?yàn)楦鞑糠譁囟炔痪a(chǎn)生各種不良焊接現(xiàn)象。一般普遍的活性溫度范圍是120～150℃，如果活性區(qū)的溫度設(shè)定太高，助焊劑（膏）沒有足夠的時(shí)間活性化，溫度曲線的斜率是一個(gè)向上遞增的斜率。雖然有的焊膏制造商允許活性化期間一些溫度的增加，但是理想的溫度曲線應(yīng)當(dāng)是平穩(wěn)的溫度。

• 回流區(qū)

有時(shí)叫做峰值區(qū)或后升溫區(qū)，這個(gè)區(qū)的作用是將PCB的溫度從活性溫度提高到所推薦的峰值溫度。活性溫度總是比合金的熔點(diǎn)溫度低一點(diǎn)，而峰值溫度總是在熔點(diǎn)上。典型的峰值溫度范圍是焊膏合金的熔點(diǎn)溫度加40℃左右，回流區(qū)工作時(shí)間范圍是20 - 50s。這個(gè)區(qū)的溫度設(shè)定太高會(huì)使其溫升斜率超過每秒2～5℃，或使回流峰值溫度比推薦的高，或工作時(shí)間太長(zhǎng)可能引起PCB的過分卷曲、脫層或燒損，并損害元件的完整性。回流峰值溫度比推薦的低，工作時(shí)間太短可能出現(xiàn)冷焊等缺陷。

• 冷卻區(qū)

這個(gè)區(qū)中焊膏的錫合金粉末已經(jīng)熔化并充分潤(rùn)濕被連接表面，應(yīng)該用盡可能快的速度來進(jìn)行冷卻，這樣將有助于合金晶體的形成，得到明亮的焊點(diǎn)，并有較好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會(huì)導(dǎo)致電路板的雜質(zhì)更多分解而進(jìn)入錫中,從而產(chǎn)生灰暗粗糙的焊點(diǎn)。在極端的情形下，其可能引起沾錫不良和減弱焊點(diǎn)結(jié)合力。冷卻段降溫速率一般為3～10 ℃/ S。

三、BGA的焊接生產(chǎn)工藝

在焊接BGA之前，PCB和BGA都要在80℃～90℃，10～20小時(shí)的條件下在恒溫烤箱中烘烤，目的是除潮，更具受潮程度不同適當(dāng)調(diào)節(jié)烘烤溫度和時(shí)間。沒有拆封的PCB和BGA可以直接進(jìn)行焊接。特別指出，在進(jìn)行以下所有操作時(shí)，要佩戴靜電環(huán)或者防靜電手套，避免靜電對(duì)芯片可能造成的損害。在焊接BGA之前，要將BGA準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)在PCB上的焊盤上。這里采用兩種方法：光學(xué)對(duì)位和手工對(duì)位。目前主要采用的手工對(duì)位，即將BGA的四周和PCB上焊盤四周的絲印線對(duì)齊。這里有個(gè)訣竅：在把BGA和絲印線對(duì)齊的過程中，即使沒有完全對(duì)齊，即使錫球和焊盤偏離30%左右，依然可以進(jìn)行焊接。因?yàn)殄a球在融化過程中，會(huì)因?yàn)樗秃副P之間的張力而自動(dòng)和焊盤對(duì)齊。在完成對(duì)齊的操作以后，將PCB放在BGA返修工作站的支架上，將其固定，使其和BGA返修工作站水平。選擇合適的熱風(fēng)噴嘴（即噴嘴大小比BGA大小略大），然后選擇對(duì)應(yīng)的溫度曲線，啟動(dòng)焊接，待溫度曲線完畢，冷卻，便完成了BGA的焊接。