一、BGA的焊接工藝技術原理

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理。

當錫球至于一個加熱的環境中，錫球回流分為三個階段：

• 預熱

首先，用于達到所需粘度和絲印性能的溶劑開始蒸發，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，一些元件對內部應力比較敏感，如果元件外部溫度上升太快，會造成斷裂。

• 回流

這個階段為重要，當單個的焊錫顆粒全部熔化后，結合一起形成液態錫，這時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，即造成錫點開路。

• 冷卻

冷卻階段，如果冷卻快，錫點強度會稍微大一點，但不可以太快否則會引起元件內部的溫度應力。

二、溫區劃分BGA的焊接

對于BGA的焊接，我們是采用BGA Rework Station（BGA返修工作站）進行焊接的。不同廠商生產的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。有鉛的錫球熔點在183℃～220℃，無鉛的錫球熔點在235℃～245℃.

從以上兩個曲線可以看出，焊接大致分為預熱，保溫，回流，冷卻四個區間（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，只是溫度有所不同，回流以前的曲線可以看作一個緩慢升溫和保溫的過程。明白了這個基本原理，任何BGA返修工作站都可以以此類推。這里，介紹一下這幾個溫區：

• 預熱區

也叫斜坡區，用來將PCB的溫度從周圍環境溫度提升到所須的活性溫度。在這個區，電路板和元器件的熱容不同，他們的實際溫度提升速率不同。電路板和元器件的溫度應不超過每秒2～5℃速度連續上升，如果過快，會產生熱沖擊，電路板和元器件都可能受損，如陶瓷電容的細微裂紋。而溫度上升太慢，焊膏會感溫過度，溶劑揮發不充分，影響焊接質量。爐的預熱區一般占整個加熱區長度的15～25 %。

• 保溫區

有時叫做干燥或浸濕區，這個區一般占加熱區的30 ～ 50 %。活性區的主要目的是使PCB上各元件的溫度趨于穩定，盡量減少溫差。在這個區域里給予足夠的時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。到活性區結束，焊盤、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去，整個電路板的溫度達到平衡。應注意的是PCB上所有元件在這一區結束時應具有相同的溫度，否則進入到回流區將會因為各部分溫度不均產生各種不良焊接現象。一般普遍的活性溫度范圍是120～150℃，如果活性區的溫度設定太高，助焊劑（膏）沒有足夠的時間活性化，溫度曲線的斜率是一個向上遞增的斜率。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當是平穩的溫度。

• 回流區

有時叫做峰值區或后升溫區，這個區的作用是將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溫度低一點，而峰值溫度總是在熔點上。典型的峰值溫度范圍是焊膏合金的熔點溫度加40℃左右，回流區工作時間范圍是20 - 50s。這個區的溫度設定太高會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，或工作時間太長可能引起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，工作時間太短可能出現冷焊等缺陷。

• 冷卻區

這個區中焊膏的錫合金粉末已經熔化并充分潤濕被連接表面，應該用盡可能快的速度來進行冷卻，這樣將有助于合金晶體的形成，得到明亮的焊點，并有較好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會導致電路板的雜質更多分解而進入錫中,從而產生灰暗粗糙的焊點。在極端的情形下，其可能引起沾錫不良和減弱焊點結合力。冷卻段降溫速率一般為3～10 ℃/ S。

三、BGA的焊接生產工藝

在焊接BGA之前，PCB和BGA都要在80℃～90℃，10～20小時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調節烘烤溫度和時間。沒有拆封的PCB和BGA可以直接進行焊接。特別指出，在進行以下所有操作時，要佩戴靜電環或者防靜電手套，避免靜電對芯片可能造成的損害。在焊接BGA之前，要將BGA準確的對準在PCB上的焊盤上。這里采用兩種方法：光學對位和手工對位。目前主要采用的手工對位，即將BGA的四周和PCB上焊盤四周的絲印線對齊。這里有個訣竅：在把BGA和絲印線對齊的過程中，即使沒有完全對齊，即使錫球和焊盤偏離30%左右，依然可以進行焊接。因為錫球在融化過程中，會因為它和焊盤之間的張力而自動和焊盤對齊。在完成對齊的操作以后，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。選擇合適的熱風噴嘴（即噴嘴大小比BGA大小略大），然后選擇對應的溫度曲線，啟動焊接，待溫度曲線完畢，冷卻，便完成了BGA的焊接。