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2006年份（19）

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SMT基本常识

SMT就是表面组装技术（Surface Mounted Technology的缩写），是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。 SMT有何特点：　组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%~60%，重量减轻60%~80%。可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。高频特性好。减少了电磁和射频干扰。易于实现自动化，提高生产效率。降低成本达30%~50%。节省材料、能源、设备、人力、时间等。为什么要用SMT：　电子产品追求小型化，以前使用的穿孔插件元件已无法缩小电子产品功能更完整，所采用的集成电路(IC)已无穿孔元件，特别是大规模、高集成IC，不得不采用表面贴片元件产品批量化，生产自动化，厂方要以低成本高产量，出产优质产品以迎合顾客需求及加强市场竞争力电子元件的发展，集成电路(IC)的开发，半导体材料的多元应用电子科技革命势在必行，追逐国际潮流 SMT工艺流程------双面组装工艺 A：来料检测èPCB的A面丝印焊膏（点贴片胶）è贴片è烘干（固化）èA面回流焊接è清洗è翻板èPCB的B面丝印焊膏（点贴片胶）è贴片è烘干è回流焊接（最好仅对B面è清洗è检测è返修）此工艺适用于在PCB两面均贴装有PLCC等较大的SMD时采用。 B：来料检测èPCB的A面丝印焊膏（点贴片胶）è贴片è烘干（固化）èA面回流焊接è清洗è翻板èPCB的B面点贴片胶è贴片è固化èB面波峰焊è清洗è检测è返修）此工艺适用于在PCB的A面回流焊，B面波峰焊。在PCB的B面组装的SMD中，只有SOT或SOIC（28）引脚以下时，宜采用此工艺。助焊剂产品的基本知识一.表面贴装用助焊剂的要求具一定的化学活性具有良好的热稳定性具有良好的润湿性对焊料的扩展具有促进作用留存于基板的焊剂残渣,对基板无腐蚀性具有良好的清洗性氯的含有量在0.2%(W/W)以下. 二.助焊剂的作用焊接工序:预热/焊料开始熔化/焊料合金形成/焊点形成/焊料固化作用:辅助热传异/去除氧化物/降低表面张力/防止再氧化说明:溶剂蒸发/受热,焊剂覆盖在基材和焊料表面,使传热均匀/放出活化剂与基材表面的离子状态的氧化物反应,去除氧化膜/使熔融焊料表面张力小,润湿良好/覆盖在高温焊料表面,控制氧化改善焊点质量. 三.助焊剂的物理特性助焊剂的物理特性主要是指与焊接性能相关的溶点,沸点,软化点,玻化温度,蒸气压, 表面张力,粘度,混合性等. 四.助焊剂残渣产生的不良与对策助焊剂残渣会造成的问题对基板有一定的腐蚀性降低电导性,产生迁移或短路非导电性的固形物如侵入元件接触部会引起接合不良树脂残留过多,粘连灰尘及杂物影响产品的使用可靠性使用理由及对策选用合适的助焊剂,其活化剂活性适中使用焊后可形成保护膜的助焊剂使用焊后无树脂残留的助焊剂使用低固含量免清洗助焊剂焊接后清洗五.QQ-S-571E规定的焊剂分类代号代号焊剂类型 S 固体适度(无焊剂) R 松香焊剂 RMA 弱活性松香焊剂 RA 活性松香或树脂焊剂 AC 不含松香或树脂的焊剂美国的合成树脂焊剂分类: SR 非活性合成树脂,松香类 SMAR 中度活性合成树脂,松香类 SAR 活性合成树脂,松香类 SSAR 极活性合成树脂,松香类六.助焊剂喷涂方式和工艺因素喷涂方式有以下三种: 1.超声喷涂: 将频率大于20KHz的振荡电能通过压电陶瓷换能器转换成机械能,把焊剂雾化,经压力喷嘴到PCB上. 2.丝网封方式:由微细,高密度小孔丝网的鼓旋转空气刀将焊剂喷出,由产生的喷雾,喷到PCB上. 3.压力喷嘴喷涂:直接用压力和空气带焊剂从喷嘴喷出喷涂工艺因素: 设定喷嘴的孔径,烽量,形状,喷嘴间距,避免重叠影响喷涂的均匀性. 设定超声雾化器电压,以获取正常的雾化量. 喷嘴运动速度的选择 PCB传送带速度的设定焊剂的固含量要稳定设定相应的喷涂宽度七.免清洗助焊剂的主要特性可焊性好,焊点饱满,无焊珠,桥连等不良产生无毒,不污染环境,操作安全焊后板面干燥,无腐蚀性,不粘板焊后具有在线测试能力与SMD和PCB板有相应材料匹配性焊后有符合规定的表面绝缘电阻值(SIR) 适应焊接工艺(浸焊,发泡,喷雾,涂敷等助焊剂常见状况与分析一、焊后PCB板面残留多板子脏: 1.焊接前未预热或预热温度过低(浸焊时，时间太短)。 2.走板速度太快(FLUX未能充分挥发)。 3.锡炉温度不够。 4.锡液中加了防氧化剂或防氧化油造成的。 5.助焊剂涂布太多。 6.元件脚和板孔不成比例（孔太大）使助焊剂上升。 9．FLUX使用过程中，较长时间未添加稀释剂。二、着火： 1.波峰炉本身没有风刀,造成助焊剂涂布量过多,预热时滴到加热管上。 2.风刀的角度不对(使助焊剂在PCB上涂布不均匀)。 3.PCB上胶条太多,把胶条引燃了。 4.走板速度太快(FLUX未完全挥发,FLUX滴下)或太慢(造成板面热温度太高)。 5.工艺问题(PCB板材不好同时发热管与PCB距离太近)。三、腐蚀（元器件发绿，焊点发黑） 1\预热不充分（预热温度低，走板速度快）造成FLUX残留多，有害物残留太多）。 2\使用需要清洗的助焊剂，焊完后未清洗或未及时清洗。四、连电，漏电（绝缘性不好） PCB设计不合理，布线太近等。 PCB阻焊膜质量不好，容易导电。五、漏焊，虚焊，连焊 FLUX涂布的量太少或不均匀。部分焊盘或焊脚氧化严重。 PCB布线不合理（元零件分布不合理）。发泡管堵塞，发泡不均匀，造成FLUX在PCB上涂布不均匀。手浸锡时操作方法不当。链条倾角不合理。波峰不平。六、焊点太亮或焊点不亮 1．可通过选择光亮型或消光型的FLUX来解决此问题）； 2．所用锡不好（如：锡含量太低等）。七、短路 1）锡液造成短路： A、发生了连焊但未检出。 B、锡液未达到正常工作温度，焊点间有“锡丝”搭桥。 C、焊点间有细微锡珠搭桥。 D、发生了连焊即架桥。 2） PCB的问题：如：PCB本身阻焊膜脱落造成短路八、烟大，味大： 1.FLUX本身的问题 A、树脂：如果用普通树脂烟气较大 B、溶剂：这里指FLUX所用溶剂的气味或刺激性气味可能较大 C、活化剂：烟雾大、且有刺激性气味 2.排风系统不完善九、飞溅、锡珠： 1）工艺 A、预热温度低（FLUX溶剂未完全挥发） B、走板速度快未达到预热效果 C、链条倾角不好，锡液与PCB间有气泡，气泡爆裂后产生锡珠 D、手浸锡时操作方法不当 E、工作环境潮湿 2）P C B板的问题 A、板面潮湿，未经完全预热，或有水分产生 B、PCB跑气的孔设计不合理，造成PCB与锡液间窝气 C、PCB设计不合理，零件脚太密集造成窝气十、上锡不好,焊点不饱满使用的是双波峰工艺，一次过锡时FLUX中的有效分已完全挥发走板速度过慢，使预热温度过高 FLUX涂布的不均匀。焊盘,元器件脚氧化严重，造成吃锡不良 FLUX涂布太少；未能使PCB焊盘及元件脚完全浸润 PCB设计不合理；造成元器件在PCB上的排布不合理，影响了部分元器件的上锡十一、FLUX发泡不好 FLUX的选型不对发泡管孔过大或发泡槽的发泡区域过大气泵气压太低发泡管有管孔漏气或堵塞气孔的状况,造成发泡不均匀稀释剂添加过多十二、发泡太好气压太高发泡区域太小助焊槽中FLUX添加过多未及时添加稀释剂,造成FLUX浓度过高十三、FLUX的颜色有些无透明的FLUX中添加了少许感光型添加剂，此类添加剂遇光后变色，但不影响FLUX的焊接效果及性能；十四、PCB阻焊膜脱落、剥离或起泡 1、80%以上的原因是PCB制造过程中出的问题 A、清洗不干净 B、劣质阻焊膜 C、PCB板材与阻焊膜不匹配 D、钻孔中有脏东西进入阻焊膜 E、热风整平时过锡次数太多 2、锡液温度或预热温度过高 3、焊接时次数过多 4、手浸锡操作时，PCB在锡液表面停留时间过锡膏印刷

本文介绍：“即使是最好的锡膏、设备和应用方法，也不一定充分保证得到可接受的结果。使用者必须控制工艺过程和设备变量，以达到良好的印刷品质。” 　　在表面贴装装配的回流焊接中，锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。有许多变量，如锡膏、丝印机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。在印刷锡膏的过程中，基板放在工作台上，机械地或真空夹紧定位，用定位销或视觉来对准。或者丝网(screen)或者模板(stencil)用于锡膏印刷。本文将着重讨论几个关键的锡膏印刷问题，如模板设计和印刷工艺过程。　　印刷工艺过程与设备　　在锡膏印刷过程中，印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。今天可购买到的丝印机分为两种主要类型：实验室与生产。每个类型有进一步的分类，因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如，一个公司的研究与开发部门(R&D)使用实验室类型制作产品原型，而生产则会用另一种类型。还有，生产要求可能变化很大，取决于产量。因为激光切割设备是不可能分类的，最好是选择与所希望的应用相适应的丝印机。　　在手工或半自动印刷机中，锡膏是手工地放在模板/丝网上，这时印刷刮板(squeegee)处于模板的另一端。在自动印刷机中，锡膏是自动分配的。在印刷过程中，印刷刮板向下压在模板上，使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时，锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。　　在锡膏已经沉积之后，丝网在刮板之后马上脱开(snap off)，回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的，大约0.020"~0.040"。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。　　如果没有脱开，这个过程叫接触(on-contact)印刷。当使用全金属模板和刮刀时，使用接触印刷。非接触(off-contact)印刷用于柔性的金属丝网。　　刮板(squeegee)类型　　刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量，应该仔细监测。对可接受的印刷品质，刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘，而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷，甚至可能损坏刮板和模板或丝网。过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏，引起焊锡圆角不够。常见有两种刮板类型：橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡胶刮板时，使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时，渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥，要求频繁的底部抹擦。为了防止底部渗透，焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。这取决于模板开孔壁的粗糙度。　　金属刮刀也是常用的。随着更密间距元件的使用，金属刮刀的用量在增加。它们由不锈钢或黄铜制成，具有平的刀片形状，使用的印刷角度为30~45°。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力，它们不会从开孔中挖出锡膏，还因为是金属的，它们不象橡胶刮板那样容易磨损，因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多，并可能引起模板磨损。　　使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种元件有很大的不同。密间距元件要求比标准表面贴装元件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。　　一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。其它工程师采用一种不同的方法 - 他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化，但这种方法要求改良的模板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业上变得更受欢迎，但是，使用双厚度印刷的橡胶刮板也还没有消失。　　模板(stencil)类型　　重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存模板宽度与厚度的适当的纵横比(aspect ratio)是重要的。推荐的纵横比为1.5。这对防止模板阻塞是重要。一般，如果纵横比小于1.5，锡膏会保留在开孔内。除了纵横比之外，如IPC-7525《模板设计指南》所推荐的，还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。IPC-7525可作为模板设计的一个良好开端。　　制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作模板的工艺：化学腐蚀、激光切割和加成(additive)工艺。　　化学腐蚀(chemically etched)模板　　金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀刻的。在这个过程中，蚀刻不仅在所希望的垂直方向进行，而且在横向也有。这叫做底切(undercutting) - 开孔比希望的较大，造成额外的焊锡沉积。因为50/50从两面进行蚀刻，其结果是几乎直线的孔壁，在中间有微微沙漏形的收窄。　　因为电蚀刻模板孔壁可能不平滑，电抛光，一个微蚀刻工艺，是达到平滑孔壁的一个方法。另一个达到较平滑孔壁的方法是镀镍层(nickel plating)。抛光或平滑的表面对锡膏的释放是好的，但可能引起锡膏越过模板表面而不在刮板前滚动。这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个模板表面来避免。镀镍进一步改善平滑度和印刷性能。可是，它减小了开孔，要求图形调整　　激光切割(laser-cut)模板　　激光切割是另一种减去(subtractive)工艺，但它没有底切问题。模板直接从Gerber数据制作，因此开孔精度得到改善。数据可按需要调整以改变尺寸。更好的过程控制也会改善开孔精度。激光切割模板的另一个优点是孔壁可成锥形。化学蚀刻的模板也可以成锥形，如果只从一面腐蚀，但是开孔尺寸可能太大。板面的开口稍微比刮板面的大一点的锥形开孔(0.001"~0.002"，产生大约2°的角度)，对锡膏释放更容易。　　激光切割可以制作出小至0.004"的开孔宽度，精度达到0.0005"，因此很适合于超密间距(ultra-fine-pitch)的元件印刷。激光切割的模板也会产生粗糙的边缘，因为在切割期间汽化的金属变成金属渣。这可能引起锡膏阻塞。更平滑的孔壁可通过微蚀刻来产生。激光切割的模板如果没有预先对需要较薄的区域进行化学腐蚀，就不能制成台阶式多级模板。激光一个一个地切割每一个开孔，因此模板成本是要切割的开孔数量而定。　　电铸成型(electroformed)模板　　制作模板的第三种工艺是一种加成工艺，最普遍地叫做电铸成型。在这个工艺中，镍沉积在铜质的阴极心上以形成开孔。一种光敏干胶片叠层在铜箔上(大约0.25"厚度)。胶片用紫外光通过有模板图案的遮光膜进行聚合。经过显影后，在铜质心上产生阴极图案，只有模板开孔保持用光刻胶(photoresist)覆盖。然后在光刻胶的周围通过镀镍形成了模板。在达到所希望的模板厚度后，把光刻胶从开孔除掉。电铸成型的镍箔通过弯曲从铜心上分开 - 一个关键的工艺步骤。现在箔片准备好装框，制作模板的其它步骤。　　电铸成型台阶式模板可以做得到，但成本增加。由于可达到精密的公差，电铸成型的模板提供良好的密封作用，减少了模板底面的锡膏渗漏。这意味着模板底面擦拭的频率显著地降低，减少潜在的锡桥。　　结论　　化学腐蚀和激光切割是制作模板的减去工艺。化学蚀刻工艺是最老的、使用最广的。激光切割相对较新，而电铸成型模板是最新时兴的东西。　　为了达到良好的印刷结果，必须有正确的锡膏材料(黏度、金属含量、最大粉末尺寸和尽可能最低的助焊剂活性)、正确的工具(印刷机、模板和刮刀)和正确的工艺过程(良好的定位、清洁拭擦)的结合。

印刷的相关术语 1开孔面积百分率 open mesh area percentage 　　丝网所有网孔的面积与相应的丝网总面积之比，用百分数表示。 2　模版开孔面积 open stencil area 　　　丝网印刷模版上所有图像区域面积的总和。 3　网框外尺寸 outer frame dimension 　　　在网框水平位置上，测得包括网框上所有部件在内的长与宽的乘积。 4　印刷头 printing head 　　　印刷机上通过靠着印版动作、为焊膏或胶水转移提供必要压力的部件。 5　焊膏或胶水　　　印刷过程中敷附于PCB板上的物质。 6　印刷面 printing side(lower side) 　　　丝网印版的底面，即焊膏或胶水与PCB板相接触的一面。 7 丝网 screen mesh 　　　一种带有排列规则、大小相同的开孔的丝网印刷模版的载体。 8 丝网印刷 screen printing 　　　使用印刷区域呈筛网状开孔印版的漏印方式。 9 印刷网框 screen printing frame 　　　固定并支撑丝网印刷模版载体的框架装置。 10 离网 snap-off 　　　印刷过程中，丝网印版与附着于PCB板上的焊膏或胶水的脱离。 11 刮刀 squeegee 　　　在丝网印刷中，迫使丝网印版紧靠PCB板，并使焊膏或胶水透过丝网印版的开孔转移到PCB板上，同时刮除印版上多余焊膏或胶水的装置。 12 刮刀角度 squeegee angle 　　　刮刀的切线方向与PCB板水平面或与压印辊接触点的切线之间的夹角，在刮刀定位后非受力或非运动的状态下测得。 13 刮刀 squeegee blade 　　　刮刀的刀状部分，直接作用于印版上的印刷焊膏或胶水，使焊膏或胶水附着在PCB板上。 14 刮区 squeegeeing area 　　　刮刀在印版上刮墨运行的区域。 15 刮刀相对压力 squeegee pressure, relative 　　　刮刀在某一段行程内作用于印版上的线性压力除以这段行程的长度。 16 丝网厚度 thickness of mesh 　　　丝网模版载体上下两面之间的距离。锡膏印刷质量控制在表面贴装装配的回流焊接中，锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。有许多变量，如锡膏、丝印机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。在印刷锡膏的过程中，基板放在工作台上，机械地或真空夹紧定位，用定位销或视觉来对准。或者丝网(screen)或者模板(stencil)用于锡膏印刷。本文将着重讨论几个关键的锡膏印刷问题，如模板设计和印刷工艺过程。　　印刷工艺过程与设备　　在锡膏印刷过程中，印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。今天可购买到的丝印机分为两种主要类型：实验室与生产。每个类型有进一步的分类，因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如，一个公司的研究与开发部门(R&D)使用实验室类型制作产品原型，而生产则会用另一种类型。还有，生产要求可能变化很大，取决于产量。因为激光切割设备是不可能分类的，最好是选择与所希望的应用相适应的丝印机。　　在手工或半自动印刷机中，锡膏是手工地放在模板/丝网上，这时印刷刮板(squeegee)处于模板的另一端。在自动印刷机中，锡膏是自动分配的。在印刷过程中，印刷刮板向下压在模板上，使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时，锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。　　在锡膏已经沉积之后，丝网在刮板之后马上脱开(snap off)，回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的，大约0.020"~0.040"。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。　　如果没有脱开，这个过程叫接触(on-contact)印刷。当使用全金属模板和刮刀时，使用接触印刷。非接触(off-contact)印刷用于柔性的金属丝网。　　刮板(squeegee)类型　　刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量，应该仔细监测。对可接受的印刷品质，刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘，而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷，甚至可能损坏刮板和模板或丝网。过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏，引起焊锡圆角不够。常见有两种刮板类型：橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡胶刮板时，使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时，渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥，要求频繁的底部抹擦。为了防止底部渗透，焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。这取决于模板开孔壁的粗糙度。　　金属刮刀也是常用的。随着更密间距元件的使用，金属刮刀的用量在增加。它们由不锈钢或黄铜制成，具有平的刀片形状，使用的印刷角度为30~45°。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力，它们不会从开孔中挖出锡膏，还因为是金属的，它们不象橡胶刮板那样容易磨损，因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多，并可能引起模板磨损。　　使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种元件有很大的不同。密间距元件要求比标准表面贴装元件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。　　一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。其它工程师采用一种不同的方法 - 他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化，但这种方法要求改良的模板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业上变得更受欢迎，但是，使用双厚度印刷的橡胶刮板也还没有消失。　　模板(stencil)类型　　重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存模板宽度与厚度的适当的纵横比(aspect ratio)是重要的。推荐的纵横比为1.5。这对防止模板阻塞是重要。一般，如果纵横比小于1.5，锡膏会保留在开孔内。除了纵横比之外，如IPC-7525《模板设计指南》所推荐的，还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。IPC-7525可作为模板设计的一个良好开端。　　制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作模板的工艺：化学腐蚀、激光切割和加成(additive)工艺。　　化学腐蚀(chemically etched)模板　　金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀刻的。在这个过程中，蚀刻不仅在所希望的垂直方向进行，而且在横向也有。这叫做底切(undercutting) - 开孔比希望的较大，造成额外的焊锡沉积。因为50/50从两面进行蚀刻，其结果是几乎直线的孔壁，在中间有微微沙漏形的收窄。　　因为电蚀刻模板孔壁可能不平滑，电抛光，一个微蚀刻工艺，是达到平滑孔壁的一个方法。另一个达到较平滑孔壁的方法是镀镍层(nickel plating)。抛光或平滑的表面对锡膏的释放是好的，但可能引起锡膏越过模板表面而不在刮板前滚动。这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个模板表面来避免。镀镍进一步改善平滑度和印刷性能。可是，它减小了开孔，要求图形调整　　激光切割(laser-cut)模板　　激光切割是另一种减去(subtractive)工艺，但它没有底切问题。模板直接从Gerber数据制作，因此开孔精度得到改善。数据可按需要调整以改变尺寸。更好的过程控制也会改善开孔精度。激光切割模板的另一个优点是孔壁可成锥形。化学蚀刻的模板也可以成锥形，如果只从一面腐蚀，但是开孔尺寸可能太大。板面的开口稍微比刮板面的大一点的锥形开孔(0.001"~0.002"，产生大约2°的角度)，对锡膏释放更容易。　　激光切割可以制作出小至0.004"的开孔宽度，精度达到0.0005"，因此很适合于超密间距(ultra-fine-pitch)的元件印刷。激光切割的模板也会产生粗糙的边缘，因为在切割期间汽化的金属变成金属渣。这可能引起锡膏阻塞。更平滑的孔壁可通过微蚀刻来产生。激光切割的模板如果没有预先对需要较薄的区域进行化学腐蚀，就不能制成台阶式多级模板。激光一个一个地切割每一个开孔，因此模板成本是要切割的开孔数量而定。　　电铸成型(electroformed)模板　　制作模板的第三种工艺是一种加成工艺，最普遍地叫做电铸成型。在这个工艺中，镍沉积在铜质的阴极心上以形成开孔。一种光敏干胶片叠层在铜箔上(大约0.25"厚度)。胶片用紫外光通过有模板图案的遮光膜进行聚合。经过显影后，在铜质心上产生阴极图案，只有模板开孔保持用光刻胶(photoresist)覆盖。然后在光刻胶的周围通过镀镍形成了模板。在达到所希望的模板厚度后，把光刻胶从开孔除掉。电铸成型的镍箔通过弯曲从铜心上分开 - 一个关键的工艺步骤。现在箔片准备好装框，制作模板的其它步骤。　　电铸成型台阶式模板可以做得到，但成本增加。由于可达到精密的公差，电铸成型的模板提供良好的密封作用，减少了模板底面的锡膏渗漏。这意味着模板底面擦拭的频率显著地降低，减少潜在的锡桥。　　结论　　化学腐蚀和激光切割是制作模板的减去工艺。化学蚀刻工艺是最老的、使用最广的。激光切割相对较新，而电铸成型模板是最新时兴的东西。　　为了达到良好的印刷结果，必须有正确的锡膏材料(黏度、金属含量、最大粉末尺寸和尽可能最低的助焊剂活性)、正确的工具(印刷机、模板和刮刀)和正确的工艺过程(良好的定位、清洁拭擦)的结合。

SMT基本工艺构成要素丝印（或点胶）贴装（固化）回流焊接清洗检测返修丝印：其作用是将焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上，为元器件的焊接做准备。所用设备为丝印机（丝网印刷机），位于SMT生产线的最前端。点胶：它是将胶水滴到PCB的的固定位置上，其主要作用是将元器件固定到PCB板上。所用设备为点胶机，位于SMT生产线的最前端或检测设备的后面。贴装：其作用是将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置上。所用设备为贴片机，位于SMT生产线中丝印机的后面。固化：其作用是将贴片胶融化，从而使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所用设备为固化炉，位于SMT生产线中贴片机的后面。回流焊接：其作用是将焊膏融化，使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所用设备为回流焊炉，位于SMT生产线中贴片机的后面。清洗：其作用是将组装好的PCB板上面的对人体有害的焊接残留物如助焊剂等除去。所用设备为清洗机，位置可以不固定，可以在线，也可不在线。检测：其作用是对组装好的PCB板进行焊接质量和装配质量的检测。所用设备有放大镜、显微镜、在线测试仪（ICT）、飞针测试仪、自动光学检测（AOI）、X-RAY检测系统、功能测试仪等。位置根据检测的需要，可以配置在生产线合适的地方。返修：其作用是对检测出现故障的PCB板进行返工。所用工具为烙铁、返修工作站等。配置在生产线中任意位置。焊接材料焊锡作为所有三种级别的连接：裸片(die)、包装(package)和电路板装配(board assembly)的连接材料。另外，锡/铅(tin/lead)焊锡通常用于元件引脚和PCB的表面涂层。考虑到铅(Pb)在技术上已存在的作用与反作用，焊锡可以分类为含铅或不含铅。现在，已经在无铅系统中找到可行的、代替锡/铅材料的、元件和PCB的表面涂层材料。可是对连接材料，对实际的无铅系统的寻找仍然进行中。这里，总结一下锡/铅焊接材料的基本知识，以及焊接点的性能因素，随后简要讨论一下无铅焊锡。　　焊锡通常定义为液化温度在400°C(750°F)以下的可熔合金。裸片级的(特别是倒装芯片)锡球的基本合金含有高温、高铅含量，比如Sn5/Pb95或Sn10/Pb90。共晶或临共晶合金，如Sn60/Pb40，Sn62/Pb36/Ag2和Sn63/Pb37，也成功使用。例如，载体CSP/BGA板层底面的锡球可以是高温、高铅或共晶、临共晶的锡/铅或锡/铅/银材料。由于传统板材料，如FR-4，的赖温水平，用于附着元件和IC包装的板级焊锡局限于共晶，临共晶的锡/铅或锡/铅/银焊锡。在某些情况，使用了锡/银共晶和含有铋(Bi)或铟(In)的低温焊锡成分。　　焊锡可以有各种物理形式使用，包括锡条、锡锭、锡线、锡粉、预制锭、锡球与柱、锡膏和熔化状态。焊锡材料的固有特性可从三个方面考虑：物理、冶金和机械。物理特性对今天的包装和装配特别重要的有五个物理特性：冶金相化温度(Metallurgical phase-transition temperature)有实际的暗示，液相线温度可看作相当于熔化温度，固相线温度相当于软化温度。对给定的化学成分，液相线与固相线之间的范围叫做塑性或粘滞阶段。选作连接材料的焊锡合金必须适应于最恶劣条件下的最终使用温度。因此，希望合金具有比所希望的最高使用温度至少高两倍的液相线。当使用温度接近于液相线时，焊锡通常会变得机械上与冶金上“脆弱”。焊锡连接的导电性(electrical conductivity)描述了它们的电气信号的传送性能。从定义看，导电性是在电场的作用下充电离子(电子)从一个位置向另一个位置的运动。电子导电性是指金属的，离子导电性是指氧化物和非金属的。焊锡的导电性主要是电子流产生的。电阻 — 与导电性相反 — 随着温度的上升而增加。这是由于电子的移动性减弱，它直接与温度上升时电子运动的平均自由路线(mean-free-path)成比例。焊锡的电阻也可能受塑性变形的程度的影响(增加)。金属的导热性(thermal conductivity)通常与导电性直接相关，因为电子主要是导电和导热。(可是，对绝缘体，声子的活动占主要。) 焊锡的导热性随温度的增加而减弱。自从表面贴装技术的开始，温度膨胀系数(CTE, coefficient of thermal expansion)问题是经常讨论到的，它发生在SMT连接材料特性的温度膨胀系数(CTE)通常相差较大的时候。一个典型的装配由FR-4板、焊锡和无引脚或有引脚的元件组成。它们各自的温度膨胀系数(CTE)为，16.0 × 10-6/°C(FR-4); 23.0 × 10-6/°C(Sn63/Pb37); 16.5 × 10-6/°C(铜引脚); 和6.4 × 10-6/°C(氧化铝Al2O3无引脚元件)。在温度的波动和电源的开关下，这些CTE的差别增加焊接点内的应力和应变，缩短使用寿命，导致早期失效。两个主要的材料特性决定CTE的大小，晶体结构和熔点。当材料具有类似的晶格结构，它们的CTE与熔点是相反的联系。熔化的焊锡的表面张力(surface tension)是一个关键参数，与可熔湿性和其后的可焊接性相关。由于在表面的断裂的结合，作用在表面分子之间的吸引力相对强度比焊锡内部的分子力要弱。因此材料的自由表面比其内部具有更高的能量。对熔湿焊盘的已熔化的焊锡来说，焊盘的表面必须具有比熔化的焊锡表面更高的能量。换句话说，已熔化金属的表面能量越低(或金属焊盘的表面能量越高)，熔湿就更容易。冶金特性在焊锡连接使用期间暴露的环境条件下，通常发生的冶金现象包括七个不同的改变。塑性变形(plastic deformation)。当焊锡受到外力，如机械或温度应力时，它会发生不可逆变的塑性变形。通常是从焊锡晶体结合的一些平行平面开始，它可能在全部或局部(焊锡点内)进行，看应力水平、应变率、温度和材料特性而定。连续的或周期性的塑性变形最终导致焊点断裂。应变硬化(strain-hardening)，是塑性变形的结果，通常在应力与应变的关系中观察得到。回复过程(recovery process)是应变硬化的相反的现象，是软化的现象，即，焊锡倾向于释放储存的应变能量。该过程是热动力学过程，能量释放过程开始时快速，其后过程则较慢。对焊接点失效敏感的物理特性倾向于恢复到其初始的值。仅管如此，这不会影响微结构内的可见的变化。再结晶(recrystallization)是经常在使用期间观察到的焊接点内的另一个现象。它通常发生在相当较高的温度下，涉及比回复过程更大的从应变材料内释放的能量。在再结晶期间，也形成一套新的基本无应变的晶体结构，明显包括晶核形成和生长过程。再结晶所要求的温度通常在材料绝对熔点的三分之一到二分之一。溶液硬化(solution-hardening)，或固体溶液合金化过程，造成应力增加。一个例子就是当通过添加锑(Sb)来强化Sn/Pb成分。如图一所示。沉淀硬化(precipitaion-hardening)包括来自有充分搅拌的微沉淀结构的强化效果。焊锡的超塑性(superplasticity)出现在低应力、高温和低应变率相结合的条件下。　　机械特性　　焊锡的三个基本的机械特性包括应力对应力特性、懦变阻抗和疲劳阻抗。　　虽然应力可通过张力、压力或剪切力产生，大多数合金的剪切力比张力或压力要弱。剪切强度是很重要的，因为大多数焊接点在使用中经受剪切应力。　　懦变是当温度和应力(负荷)都保持常数时的一种全面塑性变形。这个依靠时间的变形可能在绝对零度以上的任何温度下发生。可是，懦变只是在“活跃”温度才变得重要。　　疲劳是在交变应力下的合金失效。在循环负荷下合金所能忍受的应力比静态负荷下小得多。因此，屈服强度，焊锡阻抗永久变形的静态应力，经常与疲劳强度无关。通常疲劳断裂开始于几个微小的裂纹，在重复应力作用下增长，造成焊接点截面的承载能力下降。　　电子包装与装配应用中等焊锡一般经受低频疲劳(疲劳寿命小于10,000周期)和高应力。温度机械疲劳是用来介定焊锡特性的另一个测试模式。材料受制于循环的温度极限，即温度疲劳测试模式。每个方法都有其独特的特性和优点，两者都影响焊锡上的应变循环。　　性能与外部设计　　人们都认识到焊锡点的可靠性不仅依靠内在的特性，而且依靠设计、要装配的元件与板、用以形成焊接点的过程和长期使用的环境。还有，焊接点表现的特性是有别于散装的焊锡材料。因此，一些已建立的散装焊锡与焊接点之间的机械及温度特性可能不完全相同。主要地，这是由于电路板层表面对焊锡量的高比率，在固化期间造成大量异相晶核座，以及当焊锡点形成时元素或冶金成分的浓度变化。任何一种情况都可能导致反应缺乏均匀性的结构。随着焊锡点厚度的减少，这种界面衰歇将更明显。因此，焊接点的特性可能改变，失效机制可能与从散装的焊锡得出的不一样。　　元件与板的设计也会对焊锡点特性有重要影响。例如，和焊盘有联系的阻焊的设计(如限定的或非限定的阻焊)，将影响焊锡点的性能以及失效机制。对每一种元件包装类型，观察和介定各自的焊接点失效模式。例如，翅形QFP的焊接点裂纹经常从焊点圆角的脚跟部开始，第二条裂纹在脚趾区域；BGA的焊点失效通常在焊锡球与包装的界面或焊锡球与板的界面发现。　　另一个重要因素是系统温度管理。IC芯片的散热要求在不断增加。运行期间产生的热量必须有效地从芯片带出到包装表面，然后到室温。在出现由于过热而引起的系统失效之前，IC的性能可能变得不稳定，和前面所说的温度与导电性之间的关系一样。元件的包装与电路板的设计都会影响到散热过程的效率。

焊锡节点比其替代品聚合胶的传导热量要有效得多。　　当焊锡点通过一个品质过程适当地形成后，与其使用寿命相联系的是懦变/疲劳的交互作用、金属化合的发展和微结构的进化。失效模式随系统的构成而变化，比如包装类型(PBGA、CSP、QFP 电容，等)、温度和应变水平、使用的材料、圆角体积焊锡点几何形状以及其它设计因素。更高功率的芯片和现在设计不断增加密度的电路更加要求焊点的更好的温度疲劳强度。　　无铅焊锡　　对无铅焊锡的兴趣随着时间发生变化，有激动也有冷漠。虽然还没有立法的影响，开发无铅焊锡的另一个、可能更重要的目标是把焊锡提高到一个新的性能水平。　　典型的PCB装配共晶锡/铅(Sn63/Pb37)焊锡点通常遇到累积的退化，造成温度疲劳。这个退化经常与焊点界面的金相粗糙有关，如图二所示，而它又与铅(Pb)或富铅(Pb-rich)金相更密切。　　如果取消铅，那无铅焊锡经受温度循环的损害机制会改变吗？在没有其它主要失效(金属间化合、粘合差、过多空洞，等)的条件下，温度疲劳环境中无铅焊锡点的失效机制很可能不会涉及与锡/铅相同程度的金相粗糙。实际上应该设计无铅合金以防止金相粗糙，因而提供更高的疲劳阻抗，因为有适当的微结构进化。图三比较受温度疲劳的无锡焊锡点的强度，显示两种无铅合金没有金相粗糙。　　已介绍各种无铅成分。多数似乎至少在一个区域失效：例如，可能缺少本身的性能来显示焊接期间即时流动和良好的熔湿性能；熔化温度可能太高，超出同用PCB的温度忍耐水平；或者可能展示机械性能不足。只有那些结合所希望的物理和机械特性与满足制造要求的能力的无铅焊锡才被认做可利用的材料。 SMT中表面安装元器件的选取摘要：本文主要从元器件的特性、封装形式及材料介绍各类元器件的选取，结合实际生产设备分析各种封装的优缺点，对产品设计者在SMT设计阶段确定表面组装元器件的封装形式和结构具有一定的参考价值。关键词：SMT 元器件封装选取一、概述　　表面安装元器件的选择和设计是产品总体设计的关键一环，设计者在系统结构和详细电路设计阶段确定元器件的电气性能和功能，在SMT设计阶段应根据设备及工艺的具体情况和总体设计要求确定表面组装元器件的封装形式和结构。表面安装的焊点既是机械连接点又是电气连接点，合理的选择对提高PCB设计密度、可生产性、可测试性和可靠性都产生决定性的影响。　　表面安装元器件在功能上和插装元器件没有差别，其不同之处在于元器件的封装。表面安装的封装在焊接时要经受奶高的温度其元器件和基板必须具有匹配的热膨胀系数。这些因素在产品设计中必须全盘考虑。选择合适的封装，其优点主要是：1）.有效节省PCB面积；2）.提供更好的电学性能；3）.对元器件的内部起保护作用，免受潮湿等环境影响；4）.提供良好的通信联系；5）.帮助散热并为传送和测试提供方便。二、表面安装元器件的选取　　表面安装元器件分为有源和无源两大类。按引脚形状分为鸥翼型和“J”型。下面以此分类阐述元器件的选取。　　1无源器件　　元源器件主要包括单片陶瓷电容器、钽电容器和厚膜电阻器，外形为长方形或园柱形。园柱形无源器件称为“MELF”，采用再流焊时易发生滚动，需采用特殊焊盘设计，一般应避免使用。长方形无源器件称为“CHIP”片式元器件，它的体积小、重量轻、抗菌素冲击性和抗震性好、寄生损耗小，被广泛应用于各类电子产品中。为了获得良好的可焊性，必须选择镍底阻挡层的电镀。　　表面安装电阻器的电容器封装有各种外形尺寸。在选取时应避免选择过小尺寸：<0.08英寸X0.05英寸以减小贴放难度，也要避免选择过大尺寸：>0英寸X0.12英寸以避免使用环氧玻璃基板FR-4时产生热膨胀系数（CTE）失配片式元件要求能在260℃温度下承受5-10S的焊接时间。　　(1)片式电阻器　　片式电阻器分为两大类：厚膜型和薄膜型。额定功率为1/16、1/8、1/4瓦，电阻值从1欧到1兆欧的电阻器具有各种尺寸规格，按外形尺寸分为0805（0。08英寸X0.05英寸）、1206（0.12英寸X0.06英寸）、1210（0.12英寸X0.10英寸）等。一般来说1/16、1/8和1/4瓦的电阻器相应于0805、1206及1210。选取时应首选1/8瓦、外形尺寸为1206的元件。　　（2）陶瓷电容器　　陶瓷电容器有三种不同的介质类型：COG或NPO、X7R和Z5U。它们的电容范围各不相同。COG或NPO用于在很宽的温度、电压和频率范围内有高稳定性的电路；X7R和Z5U介质电容器的温度和电压特性较差，主要应用于旁路和去耦场合。　　陶瓷电容器在波峰焊时容易开裂，原因是CTE失配。在焊接时电极和端接头的CTE高，受热比陶瓷快以致失配产生裂纹。解决的工艺办法是波峰焊之前预热电路板，减少热冲击。Z5U陶瓷电容器比X7R电容器更容易开裂，选取时应尽量采用X7R电容器。和片式电阻器一样，其外形尺寸应量选用1206的电容器。　　（3）电阻网络　　表面安装电阻器网络采用“SO”封装，管脚为欧翼形。其焊盘图形设计标准，可根据电路需要加以选用。　　现有最常用外形尺寸标准如下：150MIL宽外壳（SO）有8、14、16引脚；220MIL宽外壳（SOMC）有14、16引脚；300MIL宽外壳（SOL）有14、16、20、24、28引脚。　　（4）钽电容器　　表面安装钽电容器具有极高的体积效率和高可靠性。目前，该元件缺少标准化，一般使用字母标记。选择钽电容器最主要的是注意两头的端接头结构。它有两种主要的结构形式：一种是非压膜式，一端焊接短片触头；另一种是塑膜式，引脚触头向下卷。由于贴片机动性抓取非压膜式电容器时易出现贴片不准的问题，加上这种电容器的金属端接头会使焊点变脆，选取时应尽量选用塑膜式钽电容器。　　2、有源器件　　表面安装芯片载体有两大类：陶瓷和塑料。　　陶瓷芯片封装的优点是：1)气密性好，对内部结构有良好的保护作用 2)信号路径较短，寄生参数、噪声、延时特性明显改善 3)降低功耗。缺点是因为无引脚吸收焊膏溶化时所产生的应力，封装和基板之间CTE失配可导致焊接时焊点开裂。目前，最常用的陶瓷饼片载体是无引线陶瓷习片载体LCCC。　　塑料封装目前被广泛应用于军、民品生产上，具有良好的性价比。其封装形式分为：小外形晶体管SOT；小外形集成电路SOIC；塑封有引线芯片载体PLCC；小外形J封装；塑料扁平封装PQFP。　　为了有效缩小PCB面积，在器件功能和性能相同的情况下首选引脚数20以下的SOIC，引脚数20-84之间的PLCC，引脚数大于84的PQFP。

2。2.1无引线陶瓷芯片载体LCCC 　　电极中心距有1.0mm和1.27mm两种。矩形有18、22、28、32个电极数；方形有16、20、24、28、44、56、68、84、100、124、156个电极数。由于目前采用的基板多为FR-4，CTE失配的情况比较严重，应尽量避免选用。　　2。2.2小外形晶体终究SOT 　　其常用的封装形式为三引脚的SOT23、SOT89，四引脚的SOT143，一般用于二、三极管。　　SOT23是最常用的三引脚封装，可容纳的最大芯片尺寸为0。030英寸X0.030英寸，按断面高低分为低位、中位、高位三种。为了得到较好的清洗效果，一般优选高位封装。　　SOT89一般用于功率较大的器件，可容纳的最大芯片尺寸为0.060英寸X0.060英寸。　　SOT143通常用于射频（FR）晶体管的情况下，可容纳的最大芯片尺寸为0.025英寸X0.025英寸。　　2.2.3小外形集成电路SOIC 　　采用欧翼形封装。对于引脚数不大于20的器件来说，采用此类封装可节省更大的覆盖面积。　　SOIC封装主要有两种不同的外壳宽度：150MIL和300MIL，主要有8、14、16、20、24、28个引脚数。　　在选取时应注意引脚的共面度最大为0.004英寸。　　2.2.4塑料扁平封装PQFP 　　采用欧翼形封装。主要应用于ASIC专用集成电路。管脚中心距分为1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.3mm几种，引脚数有84-304条。　　管脚中心距越小、管脚数越多，引脚越易损伤，共面度不易保持在0.004英寸范围内。选取时应尽量采用带角缓冲垫封装的器件（四角有四个比引脚长约2MIL的垫子），以便在安装、返修、测试过程中保护引脚。　　2.2.5塑封有引线芯片载体PLCC和小外形J封装　　均采用J形封装。具有可塑性，能吸收焊点的应力从而避免焊点开裂，形成良好的焊点。　　引脚数大于40时采用PLCC，占用覆盖面积小，不易变形、共面性好。　　PLCC按外形分矩形和方形两种。矩形引线数有18、22、28、32条；方形引线数有16、20、24、28、44、52、68、84、100、124、156条。　　小外形J封装是SOIC和PLCC的混合形式，结合了PLCC引线强度大、共面性好和SOIC空间存线率高的优点。主要用于高密度DRAM（1和4MB）. 三、欧翼形封装和J形封装器件引脚分析比较　　引脚的形状决定了形成的焊点，对产品的可靠性和可生产性都有着重要的影响。目前采用的主要两种形状为：欧翼形和J形，形成的焊点分别见图1和图2. 　　　　　　图2 　J型引脚焊点示意图引脚形状\性能欧翼形 J形封坚固性一般好对各种焊接方法的适应能力较强有局限性焊接后清洗的方便性一般较好焊接后检验的方便性一般一般覆盖面积率一般较好　　　　　　表1欧翼形和J形引脚分析比较　　由表1可看出两种封装形式各有段、缺点，但具体选择应根据SMT设备的具体情况加以选择。例如，采用PLCC的好处很多，但由于它对焊接方式的选择性较强，对于无强制对流的红外再流焊就无法形成良好的焊点，应慎重选择。　四、结论表面安装元器件的选取合理与否直接关系到产品的质量，在其电气性能确定后，还应根据具体设备从元器件材料、封装形式、可承受焊接温度、可焊性等各个方面加以综合考虑，只有这样，产品设计者设计出的电路才具有良好的可制造性和可靠性。 SMD:表面组装器件（Surface Mounted Devices）主要有片式晶体管和集成电路，集成电路又包括SOP、SOJ、PLCC、LCCC、QFP、BGA、CSP ，FC、MCM等。连接件(Interconnect)：提供机械与电气连接/断开，由连接插头和插座组成，将电缆、支架、机箱或其它PCB与PCB连接起来；可是与板的实际连接必须是通过表面贴装型接触。有源电子元件(Active)：在模拟或数字电路中，可以自己控制电压和电流，以产生增益或开关作用，即对施加信号有反应，可以改变自己的基本特性。无源电子元件(Inactive)：当施以电信号时不改变本身特性，即提供简单的、可重复的反应。异型电子元件(Odd-form)：其几何形状因素是奇特的，但不必是独特的。因此必须用手工贴装，其外壳(与其基本功能成对比)形状是不标准的，例如：许多变压器、混合电路结构、风扇、机械开关块，等。 Chip 片电阻, 电容等, 尺寸规格: 0201, 0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 2010, 等钽电容, 尺寸规格: TANA,TANB,TANC,TAND SOT 晶体管,SOT23, SOT143, SOT89等 melf 圆柱形元件, 二极管, 电阻等 SOIC 集成电路, 尺寸规格: SOIC08, 14, 16, 18, 20, 24, 28, 32 QFP 密脚距集成电路 PLCC 集成电路, PLCC20, 28, 32, 44, 52, 68, 84 BGA 球栅列阵包装集成电路, 列阵间距规格: 1.27, 1.00, 0.80 CSP 集成电路, 元件边长不超过里面芯片边长的1.2倍, 列阵间距<0.50的µBGA

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发表于:2006-4-12 14:31:55

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无铅焊接允收规范

有关PCBA焊接的各种允收规格，以IPC-A-610“电路板组装品质允收度”为最具权威性的国际规范，此610在2000年的C版是将焊接编在第六章，而2005年2月全新的610的D版则将提前到了第5章，由于无铅（LF）焊接即将到来，而其允收规格在整体上变动将不在少数，其详情如何早已被业者所密切注意，极欲深入了解以便及早应付。然而610D全册是涉及整体电子组装的总括性规格，通盘了解并非本文之目的。以下将专对焊接部分以简明易懂的文字加以说明。并分析其等更改内容的原委。

一、总论
1.1新工法的出现
首先在第五章前言中（原标记5），将C版原列的四种焊接方法之外，D版又增加了第5种代替焊接的全新PTH塞印锡膏的施工方法，其各种焊法分别为：
原有者
◎烙铁焊接Solder Irons
◎电阻发热式焊接 Resistance Solder Appatatus
◎波焊或拖焊Inruction Wave or Drag Soldering（注：原文指电磁感应产生电流而发热之波焊而言）
◎熔焊Reflow Soldering（注：原文是指将原始焊料熔融所得圆粒锡粉所再制成的锡膏，再一次加热熔融流动而完成SMT的焊接而言，日本称为回焊，台湾业者则直接引用为中文名词，大陆欲另译为再流焊，两者均性字面上的直译。事实上Reflow应是指锡膏中锡粒在高温中的熔融与贴焊之动作，故译为“熔焊”才是更贴切的译词）
新加者：
◎插入式熔焊（Intrusive Soldering）。
[诠译]无铅（LF）波焊的焊料以锡铜（SC；Sn99.3%、Cu0.7%，mp为227OC与锡银铜（SAC；Sn96.5%、Ag3.0%、Cu0.5%，mp为217OC）二者为主流，其等平均操作温度均尽量不敢设得太高（SC为270OC，SAC为260OC），才便搭配Reflow焊接等至少前后两次之强热操作，减少许多零组件与某些板材痛苦的双重煎熬，以便将操作降到最低。
凡是板面少数还必须执行PTH的插孔波焊者，似可改为通孔中先印入无铅锡膏，然后再将引脚挤入，于是只要经过一熔焊后，即可将贴脚与插脚同时焊牢，不过此种全新尝试，目前还在逐渐发展中。
1.2 接触角
之后在前言中的未尾新增四段文字，又将接触角（contact Angle）的示意图由后移前来到P.5-1中（C版原在P.6-3）。并明文指出无论焊料与焊垫间，或焊料与引脚间所形成的接触角，均不可超过90O（另在D版P.5-3中附有彩色之示意图）。
1.3无铅焊接的图面标示
前言中新增者，还对无铅焊点外观目检规格加以说明，并与锡铅者有所不同（事实上放松频多）。为了减少争议起见，D版中特别附列多张彩色图样做为对比，且在右下角分别加贴黑底红圈与白字之无铅标记以示区别。而且不定期以两则黑点单列之条文，明白指出无铅焊点的特征（实际上就是的缺点），其他品质则与有铅之允收规格相同。两则条文如下：
◎表面粗糙（颗粒状或灰暗）Surface roughness(grainy or dull)
◎接触角变大（Greater Wetting contact angles
二、无铅焊点表面粗糙
2.1外观与接触角
在D版5.1节中叙述对三级板类（Class1.2.3）就些二参数其均可允收（Acceptable）之各文字如下：
第一则黑点的文字中，说明无铅焊料若焊后冷却较慢（例20-30/sec）时，则其焊点外观将呈现灰暗与微裂，有如橘子皮般的颗粒外观，且明白指出此为正常现象，并可加以允收。
第二黑点则指明接触角不可超过900（见前图1）。
第三黑点更进一步说明，凡当焊料已爬行到焊垫边缘或到过绿漆边界时，冷却后若焊体接触角大于900且呈现凸出者，只能说是第二则的例外，对于三级板类均可加以允收：
另在本5-1节之后，更附有22张彩色图片（Fig5-4到5-25），做为有铅与无铅的目视对比，以及无铅（SAC）焊点的目视允收标准。
2.2橘子状颗粒外观的诠释
无铅焊料之主流者锡银铜SAC305或405，此等三元合金在热熔或冷固之过程中，很难达到共晶共熔组成（Eutectic Composition）的理想状态。一般熔焊操作的温时曲线（Profile），其峰温（Peak Temp）熔焊区段的升温与降温，保持正常情况时（30C/sec），则降温中SAC焊料中占最多量的锡（96.5% by wt)，会率先自得冷却（m.p2320C)而成为枝晶（Dendrite)之棒状突出物，其余仍处于液状的共晶（2170C）部份，且将随后冷却面成为较平滑的区间部分。因而总体外观上将出现许多颗粒状的突起，微切片中亦可清楚见到纯锡枝晶均匀分布的现象。而且另外形成Ag3Sn白色板条状（platelet)的IMC也是有目共睹。事实上结构中颗粒状的纯锡枝晶对强度与可靠度的负面影响不大，反而是共晶区的微裂与Ag3Sn的IMC，却是老化中开裂的起源

三、无铅焊点出现异常（Anomalies）时的允收规格
3.1各种焊垫外缘
其直立侧壁或引脚之截断面，未能沾锡且露铜者均可允收（见D版5.2.1）
3.2垫面或引脚
凡因皮膜破损或刮伤而未能沾锡，以致曝露底金属者，只要面积尚未10%者，均可允收（见D版5.2.1）
3.3镀通孔（PTH）插脚波焊
焊后发生吹孔（Blow Hole），或SMT贴焊点呈现见底的针孔（Pinhole），或外表之凹陷者，只要焊点尚能符合其他品质要求，则Class1可允收。但Class2与3却须视之为“制程警讯”（Process Indicator）。读者请注意，从品管与改善之原则看来，发生制程警讯时，客户方面必须见到改善方案与执行决心后，才能对现品考虑允收，是故“制程警讯”反而成了更为严肃的整体性问题（见D版5.2.2）
3.4锡膏熔焊后所得之焊点。
若其原始焊膏中锡粒尚可清楚辨识，而并未完成熔融愈合者，则（LF）三级板类均将视为缺点（见D版5.2.3）
[诠释]通常锡膏中之锡粒表面都可能会生长，会生长一层薄薄的氧化物，此薄层氧化物从好的方面讲，是可用以防圆粒彼此间的相互熔合（Cold weld），坏的方面是当热量不足时将无法顺利愈合成为整体。
3.5焊点发生不沾锡与缩锡等不良
凡无铅焊点出现不沾锡（Non-wetting）与缩锡（Dewiitting）等不良，而又未能达到品质要求者，均视为缺点而不建议允收。D板虽然已附列了7张图片，但欲表达了理念却相当含湖不清，必然会引发不同立场之间的无穷争议（见D版5.2.4及5.2.5），此时微切片对IMC的观察将大有帮助，缩锡处几乎都不会长出IMC来。
3.6发生锡球（Solder Balls）或锡碎
焊后出现此等不良现象，且已违反了（减少了）电性上起码应有的绝缘空距（Electrical Clearance）者，对无铅焊锡当然还是缺点（见D版5.2.6.1所已附列下图8之二图）
3.7波焊发生锡桥（Bridging）锡网与溅锡（Solder Webbing /Splashes）
当无铅波焊焊点发生此等不良时，主要原因就是焊料熔点升高，导致粘滞度太大流动性不足，拖泥带水之下进而造成搭桥挂网等严重异常，三组板类仍均视为缺点（见D版5.2.6.2及5.2.6.3所附列下图中之四图）
液态无铅焊料流动性不足的诠释：若将焊接峰温（Peak Temp）针对焊料熔点（m.p.）所高出的温度落差（△T），解释成为“火力”或流动性（Flow or Fluidity）时，对锡铅熔焊而言其火力平均为40OC，锡铅波焊平均可达67OC。但由于无铅焊料（SAC或SC）的熔点已较锡铅上升了34OC或44OC，为了防止零组件与板材被强热所烫伤起见，只好将无铅熔焊与波焊的火力减弱为28OC与48OC。如此一来在火力不旺流动性变慢以致黏滞度增大下，当然就容易发生搭桥短路的诸多缺点了。
而且无铅波焊之锡池中，一旦铜污染量超过0.1%by wt 时，则池中焊料的m.p.还将上升3OC。在不敢相对拉高峰温下，无铅焊接所需的火力当然就更为不足。此种液料动作之迟滞难免会发生拖泥带水的现象，于是各种狼狈不堪的锡桥锡网，等诸多不够干净利落的严重缺点，也都一一现形。在无法除铜下只好添加纯锡对铜污染予以稀释。
无铅波焊的焊温已高达265-270OC，对PCB板面上的各种铜件（Copper Feature）伤害极大。由于其熔（溶）铅（Dissolution）速率加快与铜污染增多下，造成熔点上升流性而更加变慢下，不但板面遍布破碎残锡外，而且焊点与锡池中所多的铜份，还会生成Cu6Sn5的针状结晶IMC（IMC即intermatallic Compound，此物本身具金属性，故材料界称之为介金属。不过也因写得出分子式，让化工界却另称为介面合金共化物）。此种异物经由马达的扬波带出后，每每使得板面呈现荆棘满地与遍布针状结晶的惨景，其后续还会引发更多的灾难。看样子无铅波焊快要走到了尽头，害在玩不下去了。日本焊料供应商NS公司曾在SC中另加少量的镍（0.07%by wt，已有专利），宣称可以解决问题。然而想要回到有铅波焊好么良好的境界，并还能够维持长泰久安的局面者，想必还不是那么容易。
3.8扰焊（Disturbed Solder）与SMT焊点开裂（Fractured Solder）
当焊料已不再是共晶共熔之组成者（Eutectic Composition），则热熔与冷凝过程中一定会出现浆态（Pasty range）。此种固相与液相并存的状态，事实上相当不稳定，一旦自动输送中受到振动抖动等外力干扰时，不但局部焊料（指纯锡部分）会快速凝固形成骨状枝晶（Ｄindrite），或者出现应力条纹（Stress Lines）等明显外观；其表面有如于筋曝露血管突起之形貌者，特称之为“扰焊”。无铅焊点原本表面就已不够平滑，但若出现应力条纹太多又过分明显者，仍然是扰焊所致，三级板类仍均视为缺点（见D版5.2.7，见图11）。
至于表面贴装焊点的开裂，其原因也多半出自软弱浆态的时段中，遇到了过大应力的冲击，进而造成无铅焊点冷却后的开裂。三级板类均视之为缺点（见图12）。
3.9锡尖或锡突（Solder Projection）
此等拖泥带水的缺点在目前锡铅焊料中，也偶尔会发生在波焊后的板面上，主要还是由于火力不足，流性迟缓，以致黏度增大所造成。不过当板面还同时存在绿漆硬化不足的缺失时，则还将助纣为虐而雪上加霜。三级板类无铅焊点出现此等现象，仍均视为缺点（见D版5.2.9见下图13）。
3.10 无铅波焊其焊点焊环之浮裂（Fillet lift）
由于PCB板厚Z方向的热胀系数（ZTE），在无铅波焊的强热下平均达55-60PPM/OC而已，以致尚未焊牢时就被CTE的差异所拉裂了，若不幸无铅焊点中又出现铅污染或铋污染时，则还更是落井下石惨上加惨，有时焊点较牢时连铜环的外缘也被拉起。D版对于无铅波焊朝上之主板面（Primary Side）浮裂者，三极板类均可允收。
然而朝下直接触及热波的焊锡面（Secondary Side，俗称Solder Side）者，一旦也发现焊点开裂时，D版认为对Class3板类而言就是缺点。但对Class2板类却另判为“制程警讯”（Process Indicador）。至于Class1板类则全未提及如何处理，想必还只能让供需双方另行决定（下图14左系出自D版之5.2.10）
事实上IPC各种规范均未涉及单面板的品质，主要原因是美国PCB与PCBA两大业界，多年来已不再生产单面板与单面板组装的产品，有所需求的美国品牌商，只要向亚洲业者购买最终之整机成为自己的品牌即可。因而单面板工艺所需的技术与品质文件都一向付之阙如。是故此D版之5.2.10节完全未提Class1（含单面板类）应该如何允收。而且对有PTH的Class2双面板与多层板，一旦发生焊点裂口或焊环浮离时，也就另采“制程警讯”的处理方法。由于单面板的各种焊点只分布在Solder Side上，连带双多层板，在此“焊接面”发生的问题如焊点分裂与焊环浮离均只字未提。事实上此种一旦焊锡面出现浮离时，其对品质的影响与组件面并无太大的不同，逻辑上仍然可以允收。
至于铜环自板材面浮起之案例，凡当外缘浮空的高度尚未超过铜环本身厚度时，D版并将（非孔环式）各种其他表面焊垫的浮离，也一并归纳在此处。（见D版10.2.9.2）
3.11 焊点之热裂与收口（Heat tear Shrink hole）
由于无铅焊料多半难以达到共晶组成，因而焊点在冷却固化的过程中，首先大部分纯锡会率先固化而成枝晶（Dentride）。此种高温中众多纯锡枝晶间，尚存在高黏度的液态共晶（Eutetic）式合金。一旦此种固液并存的浆态其维持之时间太长，或受到颇大外力振动干扰时，其最后待冷中央的液体部分，会形成强烈快速的冷却收缩，进而出现所谓的收口（Shrink hole见上图14右画面）。
D版对此种无铅焊接裂缝颇大收中（见上图右）的允收规格是：焊体裂口尚未太深仍可见到锡底；亦或此种裂口尚未触及到引脚、焊垫或孔铅壁等基底者，则仍可允收。倘若无铅焊点之收口或裂口已见不到锡底，或已直接碰触到引脚或焊垫者，则仍然视为缺点。至于有铅焊接者，其焊点一向不允许出现收口或热裂口。

图文版本下载请到这里，

另：这块俺一直没有成功上传过文件请大侠指点

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发表于:2006-4-12 12:01:33

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1

BGA封装芯片拆装全程纪实

在显卡报道中描述显存部分时，常常会出现“BGA封装”这个字眼，到底什么是“BGA封装”，“BGA封装”是什么样子，大家想不想亲眼看看。今天，笔者将带大家来到一个“解剖”现场，看看BGA封装的庐山真面。 :$S}d AH
Qiw&xaMp6
　在去现场之前，我们还是有必要复习一下BGA封装的理论知识（哎哟，谁扔的鸡蛋啊？）。BGA是一种芯片封装形式，英文全称为“Ball Grid Array Package”，也就是“球栅阵列封装”。我们最常接触到的BGA封装芯片就是显卡的显存了，不过显卡上都是以“微型球栅阵列”封装形式出现的（“Micro Ball Grid Array Package”），也就是我们所说的mBGA，它的体积要小于一般的BGA封装。BGA的引脚没有裸露在外，而是以微小锡球的形式寄生在芯片的底部，这种封装的优点就是杂讯少、散热性好、电气性能佳。因此我们常常说mBGA显存比TSOP显存优秀也是这个道理。 .?GJ9x#G&
l5-%nId_@X
其实除了显卡显存外，主板芯片组也是采用的BGA封装，笔者今天要带大家去的“解剖”现场也就是针对主板的。上图就是我们今天要解剖的VIA 691主板（主板是有点老，不过试验品嘛！。。。），“开刀”部分就是VIA 596南桥芯片。 A]Dg_at%
{y6 +(bN
★镜头骤然切换： !=#v~WY !
　　手术台上的VIA 691姑娘（挣扎状）：不要解剖我啊！求你了！ WM6).o#+/*
　　笔者（低头、闭眼、面微侧、很帅）：你不要怪我，这是大家的意思。 u`ds5HwC/
　　VIA 691姑娘（挣扎状明显减小）：那你可不可以轻点？ S5?V9 Z:
　　笔者（眼已睁开，微笑，还是很帅）：你放心，我很温柔的。 ?Y?gB~fh{
Zx@2tzFk
其实今天主刀的不是笔者，而是二手市场上一位熟练的师傅，我们这次解剖实际上是一个芯片的更换过程，用行话来说就是“植株”，说开始咱们就开始。首先，用高达一千多度的维修专用风枪将南桥芯片底部加热，这样可以让芯片很规整地取下。加热大约1分钟后，用尖嘴钳夹住芯片，往上轻轻一提，VIA 596南桥就被揭下来了。 Wo_V T
xud=2f0=
　从揭下来的芯片底部可以看到许多不规则的突起，这就是BGA中的“B（Ball）”——锡珠。锡珠本身为圆球状，在高温下熔化后变成了现在这模样。芯片与主板电路间就是靠锡珠接触的，这就是BGA封装，其实一点都不神秘 ;v'H2
"p/S
接下来再让我们看看南桥芯片的更换过程。由于没有新的VIA 596南桥芯片，因此师傅就把刚才更换下来的南桥芯片用刀将背部的残余锡珠刮掉，并将其假设为一块新的VIA 596南桥芯片用作演示，将该芯片放在专门的模具上压紧。这里要说明一下，套模具包括三部分，大金属块：用于固定芯片；小不锈钢网片：用于排布新的锡珠；专用的锡珠一瓶。不同类型的芯片大小是不一样的，因此金属固定块和不锈钢网片也有数套，另外，锡珠也有直径不同的两种，所有芯片都必须对号入座。 t~?[/61)VX
uqd*wb>x
　南桥芯片固定好后，上面就紧贴一张用于该型号芯片的不锈钢网片，然后倒上锡珠，效果如上图，只需用风枪加热，锡珠便粘贴在芯片上。然后取下芯片（已带锡珠），加热后贴在主板的南桥相应位置上就完成了。虽然说起来很容易，不过真要粘上去并且保证可以使用还不是件容易的事，必须要有相当熟练的技术才行。商家坦言他们这里只有一位师傅掌握了这一技术。 lYsAV`KR

是不是很有意思，感兴趣的朋友可以把自己的i865、NF2拿来解剖了，看看结构到底是不是一样（哎哟，别老拿鸡蛋扔我，有点创意好不好啊，什么？鸭蛋……）。

需要带图版的筒子们课到这里下载

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发表于:2006-4-6 9:03:31

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2

实现BGA的良好焊接

随着电子技术的发展，电子元件朝着小型化和高密集成化的方向发展。BGA元件已越来越广泛地应用到SMT装配技中来，并且随着u BGA和CSP的出现，SMT装配的难度是愈来愈大，工艺要求也愈来愈高。由于BGA的返修的难度颇大，故实现BGA的良好焊接是放在所有SMT工程人员的一个课题。这里就BGA的保存和使用环境以及焊接工艺等两大方面同大家讨论。

BGA的保存及使用
BGA元件是一种高度的温度敏感元件，所以BGA必须在恒温干燥的条件下保存，操作人员应该严格遵守操作工艺流程，避免元器件在装配前受到影响。一般来说，BGA的较理想的保存环境为200C-250C,湿度小于10%RH（有氮气保护更佳）。

大多数情况下，我们在元器件的包装未打开前会注意到BGA的防潮处理，同时我们也应该注意到元器件包装被打后用于安装和焊接的过程中不可以暴露的时间，以防止元器件受到影响而导致焊接质量的下降或元器件的电气性能的改变。下表为湿度敏感的等级分类，它显示了在装配过程中，一旦密封防潮包装被开，元器件必须被用于安装，焊接的相应时间。一般说来，BGA属于5级以上的湿度敏感等级。

表1 湿度敏感等级。
等级时间时间
1 无限制 ≤30oC/85% RH
2 一年 ≤30oC/60% RH
2a 四周 ≤30oC/60% RH
3 168小时 ≤30oC/60% RH
4 72小时 ≤30oC/60% RH
5 48小时 ≤30oC/60% RH
5a 24小时 ≤30oC/60% RH
6 按标签时间规定 ≤30oC/60% RH

如果在元器件储藏于氮气的条件下，那么使用的时间可以相对延长。大约每4-5小时的干燥氮气的作用，可以延长1小时的空气暴露时间。

在装配的过程中我们常常会遇到这样的情况，即元器件的包装被打开后无法在相应的时间内使用完毕，而且暴露的时间超过了表1中规定的时间，那么在下一次使用之前为了使元器件具有良好的可焊性，我们建议对BGA元件进行烘烤。烘烤条件下：温度为1250C，相对相湿度≤60% RH，烘烤时间参考表2。

烘烤的温度最不要超过1250C，因为过高的温度会造成锡球与元器件连接处金相组织变化，而当这些元器件进入回流焊的阶段时，容易引起锡球与元器件封装处的脱节，造成SMT装配质量问题，我们却会认为是元器件本身的质量问题造成的。但果烘烤的温度过低，则无法起到除湿的作用。在条件允许情况下，我们建议在装配前将元器件烘烤下，有利于消除BGA的内部湿气，并且提高BGA的耐热性，减少元器件进入回流焊受到的热冲击对器件的影响。BGA元器件在烘烤后取出，自然冷却半小时才能进行装配作业。

表2 烘烤时间
封装厚度湿度敏感等级烘烤时间
≤1.4MM 2a 4小时
3 7小时
4 9小时
5 10小时
5a 14小时
≤2.0MM 2a 18小时
3 24小时
3 31小时
5a 37小时
≤4.0MM 2a 48小时
3 48小时
3 48小时
3 48小时
5a 48小时

BGA的焊接工艺要求
在BGA的装配过程中，每一个步骤，每一样工具都会对BGA的焊接造成影响。
1.焊膏印刷

焊膏的优劣是影响表面装贴生产的一个重要环节。选择焊膏通常会考虑下几个方面：良好的印刷性好的可焊性好的可焊性低残留物。一般来说，我们采用焊膏的合金成分为含锡63％和含铅37％的低残留物型焊膏。

表3显示了如何根据元器件的引脚间距选择相应的焊膏。从表中可以看出元器件的引脚间别具匠心越，焊膏的锡粉颗越小，相对来说印刷较发好。但并不是说选择焊膏锡粉颗越小越好，因为从焊接效果来说，锡粉颗粒大的焊膏焊接效果要比锡粉颗粒小的焊膏好。因此，我们在选择时要从各方面因素综合考虑。由于BGA的引脚间较小，丝网模板开孔较小，所以我们采用直径为45M以下的焊膏，以保证获得良好的印刷效果。

表3 焊膏锡粉形状与颗粒直径
引脚间距（MM） 1.27 1 0.8 0.65 0.5 0.4
锡粉形状非球型球型球型球型
颗粒直径（um） 22-63 22-63 22-63 22-38

印刷的丝网模板一般采用不锈钢材料。由于BGA元器件的引脚间距较小，故而钢板的厚度较薄。一般钢板的厚度为0.12MM-0.15MM。钢板的开口视元器件的情况而定，通常情况下钢板的开口略小于焊盘。

例如：外型尺寸为35MM，引脚间别具匠心为1.0MM的PBGA，焊肋直径为23MIL。我们一般将钢板的开口的大小控制在21MIL.

在印刷时，通常采用不锈钢制的60度金属刮刀。印刷的压力控制有3.5KG-10KG的范围内。压力太大和太小都对印刷不利。印刷的速度控制在10MM/SEC-25MM/SEC之间，元器件的引脚间距愈小，印刷速度愈慢。印刷后的脱离速度一般设置为1MM/SEC之间，如果是 u BGA 或CSP器件脱模速度应更慢大约为0.5MM/SEC。另外，在印刷焊要注意控制操作的环境。工作的场温度控制在250C左右，温度控制在55％RH左右。印刷后的PCB尽量在半小时以内进入回流焊，防止焊膏在空气中显露过久而影响质量。

2.器件的放置

BGA的准确贴放很大程度上取决于贴片机的精确度，以及镜像识别系统的识别能力。就目前市场上各种品牌的多功能贴片机而言，能够放置BGA的贴片机其贴片的精确度达到0.001MM左右，所以在贴片精度上不会存在问题。只要BGA器件通过镜像识别，就可以准确的安放在印制线路板上。

然而有时通过镜像识别的BGA并非100％的焊球良好的器件，有可能某个焊球的Z方向上略小于其他焊球。为了保证焊接的良好性，我们的通常可以将BGA的器件厚度减去1-2MM，同时便用延里关闭真空系统约400毫秒，使BGA器件在安放时其焊球能够与焊膏充分接触。这样一来就可以减少BGA某个引脚空焊的现象。

不过，对于u BGA和CSP的器件我们不建议采用目述方法，以防止出现焊接不良的焊接现象的产生。

3. 回流焊

回流焊接是BGA装配过程中最难控制的步骤。因此获得较佳的回流风线是得到BGA良好焊接的关键所在。

★ 预热阶段
在这一段时间内使PCB均匀受热温，并刺激助焊剂活跃。一般升温的速度不要过快，防止线路弧受热过快而产生较大的变形。我们尽量升温度控制在30C/SEC以下,较理想的升温速度为20C/SEC。时间控制在60-90秒之间。

★ 浸润阶段
这一阶段助焊剂开始挥发。温度在1500C-1800C之间应保持60-120秒，以便助焊剂能够充分发挥其作用。升温的速度一般在0.3-0.50C/SEC。

★ 回流阶段
这一阶段的温度已经超过焊膏的溶点温度，焊膏溶化成液体，元器件引脚上锡。该阶段中温度在1830C以上的时间应控制在60-90秒之间。如果时间太少或过长都会造成焊接的质量问题。其中温度在210-2200C范围内的时间控制相当关键，一般控制在10-20秒为最佳。

★ 冷却阶段
这一阶段焊膏开始凝固，元器件被固定在线路板上。同样的是降温的速度也不能够过快，一般控制在40C/SEC以下，较理想的降温速度为30C/SEC。由于过快的降温速度会造成线路板产生冷变形，它会引起BGA焊接的质量问题，特别是BGA外圈引脚的虚焊。

在测量回流焊接的温度曲线时，对于BGA元件其测量点应在BGA引脚与线路板之间。BGA尽量不要用高温胶带，而采用高温焊锡焊接与热电偶相固定，以保证获得较为准确的曲线数据。

总之BGA的焊接是一门十分复杂的工艺，它还受到线路板设计，设备能力等各方面因素的影响，若只顾及某一方面是远远不够的。我们还要在实际的生产过程中不断研究和探索，努力控制影响BGA焊接的各项因素，从而使焊接能达到到最好的效果。

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发表于:2006-4-6 9:02:21

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1

新一代器件—BGA的组装与返修

随着表面安装技术的发展，I/O数不断增加，间隙有断减小，从通常的QFP0.635mon到0.5mm、0.4mm甚至0.3mm或更小间距。一般0.5mm陶瓷QFP有304条引线，0.4mm陶瓷QFP有376条引线，估计这两种封装钭成为90年代通用封装的主流。但是由于受到器件引线框架加工精度的限制，一般认为QFP间距析限为0.3mm这大大限制了高密度封装的发展。间距QFP对组装工艺要求严格，推广应用困难。因此世界上一些公司已把注意力集中在开发和应用比QFP优越BGA上。

BGA是Ball Grid Array的缩写，按字面可直译为球栅阵列，BGA是贴装IC的一种新的封装形式，其引出端矩距阵状分布在底面上，完全改变了引端分布在两侧或四边的封装形式，这样相同引出端数的BGA其焊点分布要比PLCC、QFP引出脚间距疏松的多。如果维持相同间距则BGA的引出端QFP多得多。如果一个313引出端的PBGA在电路板上占用一个有304引出脚的PQFP封装所占用的空间少34％，同时BGA的安装高度也比PQFP小，313引出端的PBGA的高约2.1mm，304引出脚的FQFP的高度为3.7mm。因此普遍认为BGA是高密度、高性能和I/O端子数的VISI封装的最佳选择。到目前为止，BGA的主要类型有：OMPAC(Over molded pad array carrier)和陶瓷BGA.另外根据引出端形状的不同还有PGA(pin Grid Array直译为针栅阵列)CGA(Column Grid Array直译为柱栅阵列)、HGA(Hole Grid Array直译为孔栅阵列)等。

1 BGA的结构与特点

BGA主要结构分为三部分；主体基板、芯片和封装。基板一面焊接面，另一面为芯片封装面。焊接面上球形焊矩阵状排列。基板为特别精细的印制线路板，有双面板与多层板几种形式。对于引出端数较多的基板一般为多层板，内部为走线层与电源、接地层。对于引出数端较少的基板用双面板即可。在芯片封装面上IC芯片以COB方式与基板连接。

一般BGA具有以下一些优点：

较好的共面性。

焊球的大表面张力可以使器件在再流焊过程中自动校准中心。

引出端间距增大，减少了由于焊膏印刷而引起的焊接问题。

没有弯曲的器件引脚。

良好的电性能。

良好的热性能。

封装产量高。

较高的互连密度。

较低的器件缺陷水平。

较低的产品成本。

当然BGA也有缺点：

新型封装设计会面临一定的阻力。

对焊点的可靠性要求更严格。

检测花费很大，需要使用X光。

返修方法更困难，同时返修后不能再利用。

对温度敏感。

小批量生产成本高。

BGA器件的安装

因为人们已经习惯了使用小间距QFP,所以一种新的工艺出台，必须需要有比细间QFP更加强大的优点，人们才可能接受它。与细间距QFP封装相比，BGA封装很容易。这是因为可以使用现有的表面安装设备贴装BGA。同时BGA封装与其他多引脚封装相比，所需要的资金较低。另外BGA也与现有的其它工艺方法相兼容，而且大部分不同尺寸的BGA元件都可以用盘和带来装配，它远比QFP器件结实牢固，这大大地减少了工艺过程中的损坏。

通常在组装QFP时，组装前必须在PCB的焊盘上施加助焊剂，以减少焊盘和焊球上的氧化物。使用BGA则必在焊盘上加焊剂，因为焊球中已含有低熔点的焊料，在再流焊中，直径为30mil的整个焊球熔化，可提供足够的焊料，按封装的尺寸和焊球分布的不同，可给出18至22mil的焊点，这个焊点是足够牢固的，甚至在提高再流温度或PCB弯曲时，器件的焊接也是足够牢固的。

贴装BGA器件比贴装细间距QFP器件简单，国为焊球至器件的边缘公差很小优于+2mil，以器件的轮廓为基准，就能把器件放准确，另外，由于BGA在再流焊中受熔化焊球的表面张力的作用，即使器件与焊盘的偏差达到50％，也会很好地自动校准。

虽然BGA与标准的SMT工艺设备相兼容，但是专门用于贴BGA的设备现在已经上市了，有的设备采用向上观看的激光器来对准球栅阵列中心。有的设备采用分光棱镜和立体显微镜或监视器组成的光学系统投影到立体显微镜或监视器内，两个影像发生重叠，通过显微镜或监视就可以观察到焊盘的相对位置。还有些机器能实现检测遗漏的焊球并判是否在一个平面上。

另外还需注意的是：通常BGA对潮湿非常敏感，尤其是OMPAC，它能使封装器件与衬底裂开。这是由于粘模片的环氧树脂吸附潮气，当器件被加热到再流温度时，它所吸附的潮气就会汽化，在环氧树脂内造成大的应力，水汽要模片下的衬底上形成气泡，这将导致炸裂。如果吸附的潮气很多，那么炸裂就会很厉害，可能会一直延伸到衬底的四周。因此最好在安装前，把器件放在1250C的烤箱中烤24小时，这种烘烤最好能在惰性气体环境中进行。

BGA再流焊

BGA再流焊可采用红外加热炉，也可采用热风对流加热炉，这一工艺与QFP表面安装工艺非常相似。焊球开始时的直径约是25mil，在再流焊中塌陷为3到7mil，这一过程也被叫做受控芯片载体塌陷连接。在BGA再流焊过程中，温度控制是必不可少的，一定要依据BGA制造商提供的数据，否则可能损坏BGA的内部结构。同时应防止由于再流时间过长而造成的器件损坏。一般再流焊条件为：最佳温度2150C，最高温度低于2400C，熔化温度下保持60到90秒。

BGA焊点的检测

因为在BGA焊接后，其焊点不容易看到，所以检查BGA的焊点就比检查其它表面安装的焊点难多了，但与BGA的极高的安装产量相比，这一缺点也就不算什么了。由于原子密度的不同，在检测漏焊、虚焊和重焊时用X射线系统来检测焊点的开路虚焊，可在板子设计时对焊盘形状做一简单的修改，如在每一焊点的园焊盘旁加一与园焊盘连接的小标记，这样在再流焊期间，如果焊点是好的，那么来自焊球的焊料会充满标记区，否则该标记上无焊料。

BGA返修

BGA的返修技术在于如何将BGA器件无损伤从PCB上拆卸下来，再将新的器件准确地贴装上去并高质量地焊接。由于下面三个原因BGA的返修成本明显地高于QFP;（1）BGA组装的任何缺陷都需要返修，因为单一的短路或开路返修都是不可能的；（2）返修一个BGA比QFP更困难，同时需要附加的工具投资；（3）返修的BGA器件一般被扔掉，而有些QFP如果在拆卸时足够小心的话还可再利用。不过随着间隙变得更细，这一利用也将变得不再可能。

BGA器件的拆卸可采用传导，对流及辐射三种方式，通常要求加热温度加热温度是可控制的，可通过设置最高温度和加热计时器来保证可重复性。如果采用传导方式来拆卸BGA器件，需要设计一种专用的传导工具，将该工具的加热头加热到3160C后放在器件上，利用器件上传热量，便器件引出端的焊料再流，加到拆卸的目的；如果采用热流方式，热喷嘴应置于要返修修的BGA表面上100mil处，并从顶部加热，热喷嘴尺寸应小于或等于器件的塑模。一般不从器件底部加热，因为这样会导致剥离损坏，并使邻近器件局部再流。如果要拆下的器件早已是坏的，就不用考虑熔化温度和时间；如果要拆下的器件还准备再用，那么为了避免爆裂，在拆下器件之前，先要在1250C温度下烘烤24小时。在加热和拆卸之前，在器件下面加一些液体助焊剂可使加热均匀。为避免板子或其它器件的损，要小心地控制其加热量、加热方向和热溢出量等。

器件拆卸后，必须为新器件的焊接做好准备，清除遗留在板子上的焊料带把它们吸走。高温喷嘴和低温接触工具结合使用不会损坏PCB.同时为了保证焊盘阵列的共面性和清洁度，为新的BGA焊接创造良好的环境，还原对返修区进行热风整平，首先施加一种认可的焊剂，然后降低BGA拆卸喷嘴进行热风对流，这将有效地清除任何遗留在PCB上微小焊毛刺及残渣，从而保证良好的可焊性。

当重贴BGA器件时，必须使器件底面上的焊料球与PCB板上的膏相连接，在大部分返修操作期间，操作者处理的是一元件密件的PCB，再使用初始的模板印刷膏是不可能的，这时可把BGA器件翻转过来固定在一夹具上，然后降低和对准焊膏模板，用一小刮刀印刷焊膏。BGA器件在安装前后都要被称重，称重的目的为了测定印刷在焊盘上的焊膏量。每一个BGA焊盘阵列都有一个最小的焊膏容积Vmin，维持最低的焊膏体积Vmin 的目的有两个：（1）为了保证有足够的面积，该面积能使焊点有良好的导电性；（2）为BGA和基板间的不同热膨胀应力提供充足的焊膏容积。由于BGA引出端的间距较大，出现焊接桥接的可能性不大，所以最大焊膏量可有一定的伸缩性，推荐焊膏容积的范围为：Vmin≤V≤2Vmin.

当重贴DMPAC时，选用焊膏仅是一选择方案，推荐使用焊剂，它可保证实现高质量的焊点。

返修期间BGA器件的对准问题是最困难的，因为每一类型BGA都有其自已的贴装考虑。对CBGA来说，由于制造者不能保证从陶瓷基板过缘到球栅阵列恒不变，因此不能使用CBGA的边缘进行可靠的可视对准。要求贴装系统后能够同时看到PCB的顶部和CBGA的底部，分步进行X、Y、Q轴调节，然后准确对准CBGA到焊盘阵列上。

OMPAC或PBGA贴装相对容易，因为它制造使用的是紧模压公差，从BGA的边缘到球栅阵列之间公差配合很紧，这样通过使用PCB上的适当标志，大部分操作者都能把BGA贴放到焊盘囝列的25％范围之内。然后通过再流期间焊料的表面张力将BGA拉到适当的位置。

BGA器件的重贴再流与拆卸要示一样，温度控制是绝对必须的，一般再流温度为2100C到2150C时间最长75秒，同时还应参照BGA制造者提供的再流参数，否则会损坏BGA器件的内部结构。另外再流焊期间通常要求惰性气体和无清洗焊剂结合使用，因为BGA器件下的充分清洗几乎是不可能。最后使用X射线对返修的BGA器件进行无损检测。

结束语

BGA作为一个多引脚集成电路的新封装形式，其贴装、焊接与检测在SMT技术领域中还都是新课题，随着进一步的深入研究，其成果必将会使SMT进入一个新的阶段。

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发表于:2006-4-6 9:01:03

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BGA器件及其焊点的质量控制

随着科学技术的不断发展，现代社会与电子技术息息相关，超小型移动电话、超小型步话机、便携式计算机、存储器、硬盘驱动器、光盘驱动器、高清晰度电视机等都对产品的小型化、轻型化提出了苛刻的要求。要达到达一目标，就必须在生产工艺、元器件方面着手进行深入研究。 SMT(Surface Mount Technology 表面安装)技术顺应了这一潮流，为实现电子产品的轻、薄、短、小打下了基础。
SMT技术进入90年代以来，走向了成熟的阶段，但随着电子产品向便据式／小型化、网络化和多媒体化方向的迅速发展，对电子组装技术提出了更高的要求，新的高密度组装技术不断涌现，其中BGA(Ball Grid Array 球栅阵列封装)就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。本文试图就BGA器件的组装特点以及焊点的质量控制作一介绍。

1 BGA 技术简介
    BGA技术的研究始于60年代，最早被美国IBM公司采用，但一直到90年代初，BGA 才真正进入实用化的阶段。
    在80年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了更高的要求。虽然SMT使电路组装具有轻、薄、短、小的特点，对于具有高引线数的精细间距器件的引线间距以及引线共平面度也提出了更为严格的要求，但是由于受到加工精度、可生产性、成本和组装工艺的制约，一般认为 QFP(Quad Flat Pack 方型扁平封装)器件间距的极限为0.3mm，这就大大限制了高密度组装的发展。另外，由于精细间距QFP器件对组装工艺要求严格，使其应用受到了限制，为此美国一些公司就把注意力放在开发和应用比QFP器件更优越的BGA器件上。
     精细间距器件的局限性在于细引线易弯曲、质脆而易断，对于引线间的共平面度和贴装精度的要求很高。 BGA技术采用的是一种全新的设计思维方式，它采用将圆型或者柱状点隐藏在封装下面的结构，引线间距大、引线长度短。这样， BGA就消除了精细间距器件中由于引线问题而引起的共平面度和翘曲的问题。
    JEDEC(电子器件工程联合会)(JC-11)的工业部门制定了BGA封装的物理标准，BGA与QFD相比的最大优点是I/O引线间距大，已注册的引线间距有1.0、1.27和1.5mm，而且目前正在推荐由1.27mm和1.5mm间距的BGA取代0.4mm-0.5mm的精细间距器件。
      BGA器件的结构可按焊点形状分为两类：球形焊点和校状焊点。球形焊点包括陶瓷球栅阵列 CBGA(Ceramic Ball Grid Array)、载带自动键合球栅阵列 TBGA(Tape Automatec Ball Grid Array)塑料球栅阵列PBGA(Plastic Ball Array)。 CBGA、TBGA和PBGA是按封装方式的不同而划分的。柱形焊点称为CCGA(Ceramic Column Grid Array)。
    BGA技术的出现是IC器件从四边引线封装到阵列焊点封装的一大进步，它实现了器件更小、引线更多，以及优良的电性能，另外还有一些超过常规组装技术的性能优势。这些性能优势包括高密度的I/O接口、良好的热耗散性能，以及能够使小型元器件具有较高的时钟频率。
    由于BGA器件相对而言其间距较大，它在再流焊接过程中具有自动排列定位的能力，所以它比相类似的其它元器件，例如QFP，操作便捷，在组装时具有高可靠性。据国外一些印刷电路板制造技术资料反映， BGA器件在使用常规的SMT工艺规程和设备进行组装生产时，能够始终如一地实现缺陷率小于20(PPM)，而与之相对应的器件，例如QFP，在组装过程中所形成的产品缺陷率至少要超过其10倍。
     综上所述， BGA器件的性能和组装优于常规的元器件，但是许多生产厂家仍然不愿意投资开发大批量生产BGA器件的能力。究其原因主要是BGA器件焊接点的测试相当困难，不容易保证其质量和可靠性。

2 BGA器件焊接点检测中存在的问题
    目前，对以中等规模到大规模采用BGA器件进行电子组装的厂商，主要是采用电子测试的方式来筛选BGA器件的焊接缺陷。在BGA器件装配期间控制装配工艺过程质量和鉴别缺陷的其它办法，包括在焊剂漏印(Paste Screening)上取样测试和使用X射线进行装配后的最终检验，以及对电子测试的结果进行分析。
    满足对BGA器件电子测试的评定要求是一项极具挑战性的技术，因为在BGA器件下面选定溯试点是困难的。在检查和鉴别BGA器件的缺陷方面，电子测试通常是无能为力的，这在很大程度上增加了用于排除缺陷和返修时的费用支出。
     据一家国际一流的计算机制造商反映，从印刷电路板装配线上剔除的所有BGA器件中的50％以上，采用电子测试方式对其进行测试是失败的，它们实际上并不存在缺陷，因而也就不应该被剔除掉。电子测试不能够确定是否是BGA器件引起了测试的失效，但是它们却因此而被剔除掉。对其相关界面的仔细研究能够减少测试点和提高测试的准确性，但是这要求增加管芯级电路以提供所需的测试电路。
    在检测BGA器件缺陷过程中，电子测试仅能确认在BGA连接时，判断导电电流是通还是断?如果辅助于非物理焊接点测试，将有助于组装工艺过程的改善和SPC(Statistical Process Control统计工艺控制)。
     BGA器件的组装是一种基本的物理连接工艺过程。为了能够确定和控制这样一种工艺过程的质量，要求了解和测试影响其长期工作可靠性的物理因素，例如：焊料量、导线与焊盘的定位情况，以及润湿性，否则试图单单基于电子测试所产生的结果进行修改，令人格忧。

3 BGA器件检测方式的探索
    测试 BGA器件连接点的物理特性和确定如何才能始终如一地在装配工艺过程中形成可靠连接的能力，在开始进行工艺过程研究期间显得特别的重要。这些测试所提供的反馈信息影响到每个工艺过程的调整，或者要变动焊接点的参数。
    物理测试能够表明焊剂漏印的变化情况，以及BGA器件连接点在整个再流工艺过程中的情况，也可以表明在一块板上所有BGA的情况，以及从一块板到另一块板的BGA情况。举例来说，在再流焊接期间，极度的环境湿度伴随着冷却时间的变化，将在BGA焊接点的空隙数量和尺寸大小上迅速反映出来。在BGA器件生产好以后，大量的测试对于组装过程控制而言仍然是关键，但是可以考虑降低检查的深入程度。
     可以用于对整个BGA器件组装工艺过程进行精确测量和质量检测的检验设备非常少，自动化的激光检测设备能够在元器件贴装前测试焊剂的涂覆情况，但是它们的速度缓慢，不能用来检验BGA器件焊接点的再流焊接质量。
    目前许多生产厂商用于分析电子测试结果的X射线设备，也存在能否测试BGA器件焊接点再流焊特性的问题。采用X射线装置，在焊盘层焊料的图象是“阴影”，这是由于在焊接点焊料处在它上方的缘故。在不可拆( non-collapsible) BGA器件中，由于前置焊球的缘故，也会出现“阴影”现象。例如：当BGA中接触点升浮在印刷电路板焊盘的上方，产生断路现象时，由于前面的前置焊球使得确定这一现象显得非常困难。
    这是由于焊料或者前置焊球所引发的“阴影”效果限制了X射线设备的检测工作，使之仅能粗略地反映BGA的工艺过程缺陷，例如：桥接现象。同时也影响到检测边缘部份的工艺缺陷，像焊料不足，或者由于污染引起的断路现象。
    仅有横截面X射线检测技术，例如:X射线分层法，能够克服上述条件的制约。横截面X射线检测技术具有能够查出隐藏的焊接点缺陷的能力，通过对焊盘层焊接点的聚焦，能够揭示出BGA焊接点的连接情况。在同样的情况下，采用X射线设各所获得的图像中，实际情况可能被隐藏掉了，从而不能够反映出真实的情况。
    焊料的数量以及它在连接点的分布情况，通过在BGA连接点的二个或更多个不同的高度(例如：在印制电路板焊盘接触面，在元器件接触面，或者在元器件和印刷电路板之间的一半高度)所产生的横截面图像或者“水平切片”予以直接测量，再结合同类BGA连接点的多次切片测量，能够有效地提供三维测试，可以在对BGA连接点不进行物理横截面操作的情况下进行检测。
    根据BGA连接点的常规结构，在每个横截面X射线图像“切片”内，具体连接点的特征被进行分离并予于以测量，从而提供定量的统计工艺控制(SPC)测量，SPC测量能够用于追踪过程偏移，以及将其特征归入对应的缺陷范畴。
    如图1所示，超过三个图像切片就能够获得不可拆BGA的焊接点情况，在图1中“印刷电路权焊料切片”中心定位于印刷电路板焊盘界面上，低共熔点焊料焊接轮廓内，“焊料球切片”中心定位引线焊球( lead solder ball)内，“元器件焊盘切片”中心定位于元器件界面的低共熔点焊料焊接轮廓线内。可拆卸BGA焊接点，通过两个或者更少的图像“切片”就可以反映其全部特征，图像“切片”中心可以定价于印刷电路板的焊盘界面处，也可以是在元器件界面处或者仅仅是在元器件和印刷电路板之间的一半位置处。
    通过X射线分层法切片，在BGA焊接点处可以获取如下四个基本的物理超试参数：
    ①焊接点中心的位置
    焊接点中心在不同图像切片中的相对位置，表明元器件在印刷电路扳焊盘上的定位情况。
    ②焊接点半径
    焊接点半径测量表明在特定层面上焊接点中焊料的相应数量，在焊盘层的半径测量表明在焊剂漏印(PasteScreening)工艺过程中以及因焊盘污染所产生的任何变化，在球层(ball level)的半径测量表明跨越元器件或者印刷电路板的焊接点共面性问题。
    ③以焊接点为中心取若干个环线，测量每个环线上焊料的厚度
    环厚度测量和它们的各种变化率，展示焊接点内的焊料分布情况，利用这些参数在辩别润湿状况优劣和空隙存在情况时显得特别的有效。
    ④焊接点形状相对于圆环的误差(也称为圆度)
    焊接点的圆度显示焊料围绕焊接点分布的匀称情况，作为同一个园相比较，它反映与中心对准和润湿的情况。
总的来说，上述测试所提供的信息数据，对于确定焊接点结构的完整姓，以及了解BGA装配工艺实施过程中每个步骤的性能情况是非常重要的。掌握了这些在BGA组装过程中所提供的信息和这些物理测试之间的相互关系，能够用于防止位移现象的产生，另外可改善相关的工艺过程，以消除缺陷现象的产生。图2示出了采用x射线分层法控制BGA焊接质量的情况。采用x射线分层法能够反映BGA组装工艺过程中任何一个阶段所发生的缺陷。

4 两种常见的缺陷
4.1 不可拆BGA焊接点的断路
    不可拆BGA焊接点处所发生的断路现象，通常是由于焊盘污染所引起的，由于焊料不能润湿印刷电路板上的焊盘，它向上“爬”到焊料球一直到元器件界面上。如前面所叙，电子测试能够确定断路现象的存在，但是不能区别：这是由于焊盘污染所引起的呢?还是由于焊料漏印工艺过程控制不住所引起的？利用X射线设备进行测试，也不能揭示断路现象，这是因为受到前置焊科球“阴影”的影响。
    利用横截面X射线检测技术，能够通过在焊盘层和元器件层中间获取的图像切片,辩别出这种由于污染所引起的断路现象。由于污染所引起的断路现象，会产生细小的焊盘半径和较大的元器件半径尺寸，所以可以利用元器件半径和焊盘半径的差异来区分断路现象是否是由于污染引起的。由于焊料不足所引起的断路现象其半径之间的差异是非常小的，只有利用横截面x射线检测设备才能够辩别出这一差异。
4.2 可拆卸BGA焊接中空隙
    可拆卸BGA焊接中的空隙是由于流动的蒸汽被截留在低共熔点焊料焊接处所产生的。在可拆卸BGA焊接点处出现空隙是一种主要的缺陷现象。在再流焊接期间，由于空隙所产生的浮力影响集中作用在元器件的界面上，因此所涉及到的绝大数焊接点失效现象，也都发生在那里。
    所出现的空隙现象可以通过在实施再流焊接工艺过程期间进行预加热，以及通过增加短暂的预热时间和较低的预热温度予以消除。当空隙超过一定的尺寸大小、数量或者密度时可靠性将明显降低，不过现在也有一种说法认为，不要对空隙予以限制，而是要加速其破裂扩散，使其早日失效并予以剔除。可拆卸BGA焊接中的空隙，可以通过在元器件层获取的横截面x射线图像切片中清晰地农现出来。有些空隙在这些图像内能够被确定和测量，或者通过左DGA焊接点半径处所产生的显著增加现象而被间接地表现出来。

5 结束语
本文简述了BGA器件的组装特点以及其焊接点处的检测。随着BGA器件在电子产品中愈来愈受到广泛的应用，能否制造出优质的BGA器件成为人们极关注的，也是BGA器件满足当今市场需求所必须做到的。在减小BGA尺寸，简化装配工艺过程的同时，对改善BGA性能的要求也在同步地增加。由于在印刷电路板装配线上BGA器件的数量显著增加，这就要求我们能够有效地评定BGA焊接点是否具有长期可靠性，而不仅仅满足于确定电路是通还是断。
通过横截面x射线图像的分析，能够对BGA焊接点的质量情况提供定量的SPC测量。它能够有效地降低缺陷串和改善整个装配工艺过程。特别需要指出的是，使用横截面X射线检测能够改善工艺过程和降低费用，以满足大批量的生产要求，最终以电子产品的高可靠性来增强其市场竞争能力，取得更好的经济效益。

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BGA元器件及其返修工艺

　　１概述
　　随着电子产品向小型化、便携化、网络化和高性能方向的发展，对电路组装技术和Ｉ／Ｏ引线数提出了更高的要求，芯片的体积越来越小，芯片的管脚越来越多，给生产和返修带来了困难。原来ＳＭＴ中广泛使用的ＱＦＰ（四边扁平封装），封装间距的极限尺寸停留在０．３ｍｍ，这种间距其引线容易弯曲、变形或折断，相应地对ＳＭＴ组装工艺、设备精度、焊接材料提出严格的要求，即使如此，组装窄间距细引线的ＱＦＰ，缺陷率仍相当高，最高可达６０００ｐｐｍ，使大范围应用受到制约。近年出现的ＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ球栅阵列封装器件），由于芯片的管脚不是分布在芯片的周围而是分布在封装的底面，实际是将封装外壳基板原四面引出的引脚变成以面阵布局的ｐｂ／ｓｎ凸点引脚，这就可以容纳更多的Ｉ／Ｏ数，且可以较大的引脚间距如１．５、１．２７ｍｍ代替ＱＦＰ的０．４、０．３ｍｍ，很容易使用ＳＭＴ与ＰＣＢ上的布线引脚焊接互连，因此不仅可以使芯片在与ＱＦＰ相同的封装尺寸下保持更多的封装容量，又使Ｉ／Ｏ引脚间距较大，从而大大提高了ＳＭＴ组装的成品率，缺陷率仅为０．３５ｐｐｍ，方便了生产和返修，因而ＢＧＡ元器件在电子产品生产领域获得了广泛使用。
　　随着引脚数增加，对于精细引脚在装配过程中出现的桥连、漏焊、缺焊等缺陷，利用手工工具很难进行修理，需用专门的返修设备并根据一定的返修工艺来完成。
　　２ＢＧＡ元器件的种类与特性
　　２．１ＢＧＡ元器件的种类
　　按封装材料的不同，ＢＧＡ元件主要有以下几种：
　　ＰＢＧＡ（ｐｌａｓｔｉｃＢＧＡ塑料封装的ＢＧＡ）
　　ＣＢＧＡ（ｃｅｒａｍｉｃＢＧＡ陶瓷封装的ＢＧＡ）
　　ＣＢＧＡｃｅｒａｍｉｃｃｏｌｕｍｎＢＧＡ陶瓷柱状封装的ＢＧＡ　
　　ＴＢＧＡ（ｔａｐｅＢＧＡ 载带状封装的ＢＧＡ）
　　ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｅ或μＢＧＡ）
　　ＰＢＧＡ是目前使用较多的ＢＧＡ，它使用６３Ｓｎ／３７Ｐｂ成分的焊锡球，焊锡的溶化温度约为
１８３°Ｃ。焊锡球直径在焊接前直径为０．７５毫米，回流焊以后，焊锡球高度减为０．４６－０．４１毫米。ＰＢＧＡ的优点是成本较低，容易加工，不过应该注意，由于塑料封装，容易吸潮，所以对于普通的元件，在开封后一般应该在８小时内使用，否则由于焊接时的迅速升温，会使芯片内的潮气马上气化导致芯片损坏，有人称此为“ 苞米花” 效应。按照ＪＥＤＥＣ的建议，ＰＢＧＡ芯片在拆封后必须使用的期限由芯片的敏感性等级决定（见表１）：

表1 PBGA芯片拆封后必须使用的期限

敏感性等级芯片拆封后置放环境条件拆封后必须使用的期限
1级 =< 30 C , < 90% RH 无限制
2级 =< 30 C , < 60% RH 1年
3级 =< 30 C , < 60% RH 168小时
4级 =< 30 C , < 60% RH 72小时
5级 =< 30 C , < 60% RH 24小时

　　ＣＢＧＡ焊球的成分为９０Ｐｂ／１０Ｓｎ 它与ＰＣＢ连接处的焊锡成分仍为６３Ｓｎ／３７Ｐｂ　 ＣＢＧＡ的焊锡球高度较ＰＢＧＡ高，因此它的焊锡溶化温度较ＰＢＧＡ高，较ＰＢＧＡ不容易吸潮，且封装的更牢靠。ＣＢＧＡ芯片底部焊点直径要比ＰＣＢ上的焊盘大，拆除ＣＢＧＡ芯片后，焊锡不会粘在ＰＣＢ的焊盘上，见表２。

表2 PBGA与CBGA焊接锡球的区别

特性 PBGA CBGA
焊锡球成分 63Sn/37Pb 90Pb/10Sn
焊锡球溶化温度 183°C 302°C
溶化前焊锡球直径 0.75毫米 0.88毫米
溶化后焊锡球直径 0.4-0.5毫米 0.88毫米

　　ＣＣＢＧＡ的焊锡柱直径为０．５１毫米，柱高度为２．２毫米，焊锡柱间距一般为１．２７毫米，焊锡柱的成分是９０Ｐｂ／１０Ｓｎ。
　　ＴＢＧＡ的焊锡球直径为０．７６毫米，球间距为１．２７毫米。与ＣＢＧＡ相比，ＴＢＧＡ对环境温度要求控制严格，因芯片受热时，热张力集中在４个角，焊接时容易有缺陷。
　　ＣＳＰ芯片的封装尺寸仅略大于裸芯片尺寸不超过２０％　，这是ＣＳＰ与ＢＧＡ的主要区别。ＣＳＰ较ＢＧＡ，除了体积小之外，还有更短的导电通路、更低的电抗性，更容易达到频率为５００ＭＨｚ－６００ＭＨｚ的范围。

　　2.2 BGA元器件的特性

　　我们可以从不同为304管脚的QFP与BGA芯片的比较上看出BGA的优点：
BGA QFP
　　封装尺寸(平方毫米) 525 1600
　　脚间距(毫米) 1.27 0.5
　　组装损坏率(ppm/管肢) 0.6 100
　　元件管脚间信号干扰 1.0X 2.25X

　　概括起来，和ＱＦＰ相比，ＢＧＡ的特性主要有以下几点：
　　１〕Ｉ／Ｏ引线间距大（如１．０，１．２７，１．５毫米），可容纳的Ｉ／Ｏ数目大（如１．２７毫米间距的ＢＧＡ在２５毫米边长的面积上可容纳３５０个Ｉ／Ｏ 而０．５毫米间距的ＱＦＰ在４０毫米边长的面积上只容纳３０４个Ｉ／Ｏ）。
　　２〕封装可靠性高（不会损坏管脚），焊点缺陷率低（＜１ｐｐｍ／焊点），焊点牢固。
　　３〕ＱＦＰ芯片的对中通常由操作人员用肉眼来观察，当管脚间距小于０．４毫米时，对中与焊接十分困难。而ＢＧＡ芯片的脚间距较大，借助对中放大系统，对中与焊接都不困难。
　　４〕容易对大尺寸电路板加工丝网板。
　　５〕管脚水平面同一性较ＱＦＰ容易保证 因为焊锡球在溶化以后可以自动补偿芯片与ＰＣＢ之间的平面误差。
　　６〕回流焊时，焊点之间的张力产生良好的自对中效果允许有５０％的贴片精度误差。
　　７〕有较好的电特性，由于引线短，导线的自感和导线间的互感很低，频率特性好。
　　８〕能与原有的ＳＭＴ贴装工艺和设备兼容，原有的丝印机，贴片机和回流焊设备都可使用
　　当然，ＢＧＡ也有缺点，主要是芯片焊接后需Ｘ射线检验，另外由于管脚呈球状栏栅状排列，需多层电路板布线，使电路板制造成本增加。
　　３ＢＧＡ返修工艺
　　大多数半导体器件的耐热温度为２４０２６００Ｃ，对于ＢＧＡ返修系统来说，加热温度和均匀性的控制显得非常重要。美国ＯＫ集团的热风回流焊接及返修系统ＢＧＡ－３５９２－Ｇ／ＣＳＰ－３５０２－Ｇ和Ｍ．Ｓ．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．的ＭＳ系列返修工作站很好的解决了这个问题。
　　本文以美国ＯＫ集团的热风回流焊接及返修系统ＢＧＡ－３５９２－Ｇ为例简要说明ＢＧＡ的返修工艺：
　　３．１电路板、芯片预热
电路板、芯片预热的主要目的是将潮气去除，如果电路板和芯片内的潮气很小（如芯片刚拆封），这一步可以免除。
　　３．２拆除芯片
　　拆除的芯片如果不打算重新使用，而且ＰＣＢ可承受高温，拆除芯片可采用较高的温度（较短的加热周期）。
　　３．３清洁焊盘
清洁焊盘主要是将拆除芯片后留在ＰＣＢ表面的助焊剂、焊锡膏清理掉，必须使用符合要求的清洗剂。为了保证ＢＧＡ的焊接可靠性，一般不能使用焊盘上旧的残留焊锡膏，必须将旧的焊锡膏清除掉，除非芯片上重新形成ＢＧＡ焊锡球。由于ＢＧＡ芯片体积小，特别是ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｅ或μＢＧＡ），芯片体积更小，清洁焊盘比较困难，所以在返修ＣＳＰ芯片时，如果ＣＳＰ的周围空间很小，就需使用免清洗焊剂。
　　３．４涂焊锡膏，助焊剂
　　在ＰＣＢ上涂焊锡膏对于ＢＧＡ的返修结果有重要影响。通过选用与芯片相符的模板，可以很方便地将焊锡膏涂在电路板上。用ＯＫ集团的ＢＧＡ－３５９２－Ｇ设备微型光学对中系统可以方便地检验焊锡膏是否涂的均匀。处理ＣＳＰ芯片，有３种焊锡膏可以选择：ＲＭＡ焊锡膏，非清洗焊锡膏，水剂焊锡膏。使用ＲＭＡ焊锡膏，回流时间可略长些，使用非清洗焊锡膏，回流温度应选的低些。
　　３．５贴片
　　贴片的主要目的是使ＢＧＡ芯片上的每一个焊锡球与ＰＣＢ上每一个对应的焊点对正。由于ＢＧＡ芯片的焊点位于肉眼不能观测到的部位，所以必须使用专门的设备来对中。ＢＧＡ－３５９２－Ｇ可进行精确的对中。
　　３．６热风回流焊
　　热风回流焊是整个返修工艺的关键。其中，有几个问题比较重要：
　　１）芯片返修回流焊的曲线应当与芯片的原始焊接曲线接近，热风回流焊曲线可分成四个区间：预热区，加热区，回流区，冷却区，四个区间的温度，时间参数可以分别设定，通过与计算机连接，可以将这些程序存储和随时调用。
　　２）在回流焊过程中要正确选择各区的加热温度和时间，同时应注意升温的速度。一般，在１００ｏＣ以前，最大的升温速度不超过６ｏＣ／秒，１００ｏＣ以后最大的升温速度不超过３ｏＣ／秒，在冷却区，最大的冷却速度不超过６ｏＣ／秒。因为过高的升温速度和降温速度都可能损坏ＰＣＢ和芯片，这种损坏有时是肉眼不能观察到的。不同的芯片，不同的焊锡膏，应选择不同的加热温度和时间。如ＣＢＧＡ芯片的回流温度应高于ＰＢＧＡ的回流温度，９０Ｐｂ／１０Ｓｎ应较６３Ｓｎ／３７Ｐｂ焊锡膏选用更高的回流温度。对免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接温度不宜过高，焊接时间不宜过长，以防止焊锡颗粒的氧化。　　３）热风回流焊中，ＰＣＢ板的底部必须能够加热。这种加热的目的有二个：避免由于ＰＣＢ板的单面受热而产生翘曲和变形；使焊锡膏溶化的时间缩短。对大尺寸板返修ＢＧＡ，这种底部加热尤其重要。ＢＧＡ－３５９２－Ｇ返修设备的底部加热方式有２种，一种是热风加热，一种是红外加热。热风加热的优点是加热均匀，一般返修工艺建议采用这种加热。红外加热的缺点是ＰＣＢ受热不均匀。
　　４）要选择好的热风回流喷嘴。热风回流喷嘴属于非接触式加热，加热时依靠高温空气流使ＢＧＡ芯片上的各焊点的焊锡同时溶化。美国ＯＫ集团首先发明这种喷嘴，它将ＢＧＡ元件密封，保证在整个回流过程中有稳定的温度环境，同时可保护相邻元件不被对流热空气加热损坏（如图１所示）。

图1 OK集团的热风回流喷嘴

　　４结束语
　　在电子产品尤其是电脑与通信类电子产品的生产领域，元器件向微小型化、多功能化、绿色化发展，各式封装技术不断涌现，ＢＧＡ／ＣＳＰ是当今封装技术的主流。ＢＧＡ／ＣＳＰ元器件的优势在于进一步提高元器件的集成度，并缩小其封装尺寸，因而提高了高密度贴装技术的水平，十分适合电子产品轻、薄、短、小及功能多样化的发展方向。
　　为满足迅速增长的对ＢＧＡ元器件电路板组装需求和生产者对丝网印刷、对中贴片和焊接过程控制精度的要求，提高ＢＧＡ的组装焊接及返修质量，需选择更安全、更快、更便捷的组装与返修设备及工艺。

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发表于:2006-4-6 8:50:57

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微型BGA与CSP的返工工艺

包装尺寸和锡球间距的减少，伴随PCB上元件密度的增加，带来了新的装配与返工的挑战。

随着电子装配变得越来越小，密间距的微型球栅列阵(microBGA)和片状规模包装(CSP)满足了更小、更快和更高性能的电子产品的要求。这些低成本的包装可在许多产品中找到，如：膝上型电脑、蜂窝电话和其它便携式设备。包装尺寸和锡球间距的减少，伴随PCB上元件密度的增加，带来了新的装配与返工的挑战。如果使用传统的返工工艺而不影响邻近的元件，紧密的元件间隔使得元件的移动和更换更加困难，CSP提供更密的引脚间距，可能引起位置纠正和准确元件贴装的问题，轻重量、低质量的元件恐怕会中心不准和歪斜，因为热风回流会使元件移位。本文描述的工艺是建立在一个自动热风系统上，用来返工一些microBGA和CSP元件。返工元件的可靠性和非返工元件的可靠性将作一比较。

工艺确认

本方案的目的是检验工业中流行的microBGA和CSP的标准SMT装配和返工工艺。最初的CSP装配已在工业中变得越来越流行，但是元件返工的作品却很少发表。由于小型元件尺寸、减少的球间距和其它元件的紧密接近，对板级返工的挑战要求返工工艺的发展和优化。本研究选择了几种元件(表一)。这些元件代表了各种输入/输出(I/O)数量、间距和包装形式。

内存芯片包装通常是低I/O包装，如包装1、2和4。通常这些包装用于双面或共享通路孔的应用。包装3，有144个I/O，典型地用于高性能产品应用。所以CSP都附着有锡/铅(Sn/Pb)共晶焊锡球，其范围是从0.013"到0.020"。所有包装都缝合以允许可靠性测试。

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