隨著IC技術(shù)的不斷進(jìn)步，IC的封裝技術(shù)也得到迅速發(fā)展，BGA器件就是順應(yīng)了集成電路多引出線的要求，并且具有良好的表面安裝工藝性。因此，近兩年來(lái)倍受電子工業(yè)界的青睞。本文介紹了BGA的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及其組裝和返修工藝。

隨著表面安裝技術(shù)的發(fā)展，I/O數(shù)不斷增加，間隙有斷減小，從通常的QFP(Quad Flat Package)四側(cè)引腳扁平封裝0.635mon到0.5mm、0.4mm甚至0.3mm或更小間距。一般0.5mm陶瓷QFP有304條引線，0.4mm陶瓷QFP有376條引線，估計(jì)這兩種封裝鈄成為90年代通用封裝的主流。但是由于受到器件引線框架加工精度的限制，一般認(rèn)為QFP間距析限為0.3mm，這大大限制了高密度封裝的發(fā)展。間距QFP對(duì)組裝工藝要求嚴(yán)格，推廣應(yīng)用困難。因此世界上一些公司已把注意力集中在開發(fā)和應(yīng)用比QFP優(yōu)越BGA上。

BGA是Ball Grid Array的縮寫，按字面可直譯為球柵陣列，BGA是貼裝IC的一種新的封裝形式，其引出端矩距陣狀分布在底面上，完全改變了引端分布在兩側(cè)或四邊的封裝形式，這樣相同引出端數(shù)的BGA其焊點(diǎn)分布要比PLCC、QFP引出腳間距疏松的多。如果維持相同間距則BGA的引出端QFP多得多。如果一個(gè)313引出端的PBGA在電路板上占用一個(gè)有304引出腳的PQFP封裝所占用的空間少34％，同時(shí)BGA的安裝高度也比PQFP小，313引出端的PBGA的高約2.1mm，304引出腳的FQFP的高度為3.7mm。因此普遍認(rèn)為BGA是高密度、高性能和I/O端子數(shù)的VISI封裝的最佳選擇。到目前為止，BGA的主要類型有：OMPAC(Over molded pad array carrier)和陶瓷BGA。另外根據(jù)引出端形狀的不同還有PGA(pin Grid Array直譯為針柵陣列)CGA(Column Grid Array直譯為柱柵陣列)、HGA(Hole Grid Array直譯為孔柵陣列)等。

1、BGA的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

BGA主要結(jié)構(gòu)分為三部分：主體基板、芯片和封裝。基板一面焊接面，另一面為芯片封裝面。焊接面上球形焊矩陣狀排列。基板為特別精細(xì)的印制線路板，有雙面板與多層板幾種形式。對(duì)于引出端數(shù)較多的基板一般為多層板，內(nèi)部為走線層與電源、接地層。對(duì)于引出數(shù)端較少的基板用雙面板即可。在芯片封裝面上IC芯片以COB方式與基板連接。

一般BGA具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

較好的共面性；焊球的大表面張力可以使器件在再流焊過(guò)程中自動(dòng)校準(zhǔn)中心；引出端間距增大，減少了由于焊膏印刷而引起的焊接問(wèn)題；沒(méi)有彎曲的器件引腳；良好的電性能；良好的熱性能；封裝產(chǎn)量高；較高的互連密度；較低的器件缺陷水平；較低的產(chǎn)品成本。當(dāng)然BGA也有缺點(diǎn)：新型封裝設(shè)計(jì)會(huì)面臨一定的阻力；對(duì)焊點(diǎn)的可靠性要求更嚴(yán)格；檢測(cè)花費(fèi)很大，需要使用X光；返修方法更困難，同時(shí)返修后不能再利用；對(duì)溫度敏感；小批量生產(chǎn)成本高。

2、BGA器件的安裝

因?yàn)槿藗円呀?jīng)習(xí)慣了使用小間距QFP，所以一種新的工藝出臺(tái)，必須需要有比細(xì)間QFP更加強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，人們才可能接受它。與細(xì)間距QFP封裝相比，BGA封裝很容易。這是因?yàn)榭梢允褂矛F(xiàn)有的表面安裝設(shè)備貼裝BGA，同時(shí)BGA封裝與其他多引腳封裝相比，所需要的資金較低。另外BGA也與現(xiàn)有的其它工藝方法相兼容，而且大部分不同尺寸的BGA元件都可以用盤和帶來(lái)裝配，它遠(yuǎn)比QFP器件結(jié)實(shí)牢固，這大大地減少了工藝過(guò)程中的損壞。

通常在組裝BGA時(shí)，組裝前必須在PCB的焊盤上施加助焊劑，以減少焊盤和焊球上的氧化物。使用BGA則必在焊盤上加焊劑，因?yàn)楹盖蛑幸押械腿埸c(diǎn)的焊料，在再流焊中，直徑為30mil(1mil=千分之一英寸=0.0254cm)的整個(gè)焊球熔化，可提供足夠的焊料，按封裝的尺寸和焊球分布的不同，可給出18至22mil的焊點(diǎn)，這個(gè)焊點(diǎn)是足夠牢固的，甚至在提高再流溫度或PCB彎曲時(shí)，器件的焊接也是足夠牢固的。

貼裝BGA器件比貼裝細(xì)間距QFP器件簡(jiǎn)單，國(guó)為焊球至器件的邊緣公差很小優(yōu)于+2mil，以器件的輪廓為基準(zhǔn)，就能把器件放準(zhǔn)確；另外，由于BGA在再流焊中受熔化焊球的表面張力的作用，即使器件與焊盤的偏差達(dá)到50％，也會(huì)很好地自動(dòng)校準(zhǔn)。

雖然BGA與標(biāo)準(zhǔn)的SMT工藝設(shè)備相兼容，但是專門用于貼BGA的設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)上市了，有的設(shè)備采用向上觀看的激光器來(lái)對(duì)準(zhǔn)球柵陣列中心。有的設(shè)備采用分光棱鏡和立體顯微鏡或監(jiān)視器組成的光學(xué)系統(tǒng)投影到立體顯微鏡或監(jiān)視器內(nèi)，兩個(gè)影像發(fā)生重疊，通過(guò)顯微鏡或監(jiān)視就可以觀察到焊盤的相對(duì)位置。還有些機(jī)器能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)遺漏的焊球并判是否在一個(gè)平面上。

另外還需注意的是：通常BGA對(duì)潮濕非常敏感，尤其是OMPAC，它能使封裝器件與襯底裂開。這是由于粘模片的環(huán)氧樹脂吸附潮氣，當(dāng)器件被加熱到再流溫度時(shí)，它所吸附的潮氣就會(huì)汽化，在環(huán)氧樹脂內(nèi)造成大的應(yīng)力，水汽要模片下的襯底上形成氣泡，這將導(dǎo)致炸裂。如果吸附的潮氣很多，那么炸裂就會(huì)很厲害，可能會(huì)一直延伸到襯底的四周。因此最好在安裝前，把器件放在1250C的烤箱中烤24小時(shí)，這種烘烤最好能在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行。

3、BGA再流焊

BGA再流焊可采用紅外加熱爐，也可采用熱風(fēng)對(duì)流加熱爐，這一工藝與QFP表面安裝工藝非常相似。焊球開始時(shí)的直徑約是25mil，在再流焊中塌陷為3到7mil，這一過(guò)程也被叫做受控芯片載體塌陷連接。在BGA再流焊過(guò)程中，溫度控制是必不可少的，一定要依據(jù)BGA制造商提供的數(shù)據(jù)，否則可能損壞BGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)應(yīng)防止由于再流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成的器件損壞。一般再流焊條件為：最佳溫度2150C，最高溫度低于2400C，熔化溫度下保持60到90秒。

4、BGA焊點(diǎn)的檢測(cè)

因?yàn)樵贐GA焊接后，其焊點(diǎn)不容易看到，所以檢查BGA的焊點(diǎn)就比檢查其它表面安裝的焊點(diǎn)難多了，但與BGA的極高的安裝產(chǎn)量相比，這一缺點(diǎn)也就不算什么了。由于原子密度的不同，在檢測(cè)漏焊、虛焊和重焊時(shí)用X射線系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)焊點(diǎn)的開路虛焊，可在板子設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)焊盤形狀做一簡(jiǎn)單的修改，如在每一焊點(diǎn)的園焊盤旁加一與園焊盤連接的小標(biāo)記，這樣在再流焊期間，如果焊點(diǎn)是好的，那么來(lái)自焊球的焊料會(huì)充滿標(biāo)記區(qū)，否則該標(biāo)記上無(wú)焊料。

5、BGA返修

BGA的返修技術(shù)在于如何將BGA器件無(wú)損傷從PCB上拆卸下來(lái)，再將新的器件準(zhǔn)確地貼裝上去并高質(zhì)量地焊接。由于下面三個(gè)原因BGA的返修成本明顯地高于QFP：

（1）BGA組裝的任何缺陷都需要返修，因?yàn)閱我坏亩搪坊蜷_路返修都是不可能的。

（2）返修一個(gè)BGA比QFP更困難，同時(shí)需要附加的工具投資。

（3）返修的BGA器件一般被扔掉，而有些QFP如果在拆卸時(shí)足夠小心的話還可再利用。不過(guò)隨著間隙變得更細(xì)，這一利用也將變得不再可能。

BGA器件的拆卸可采用傳導(dǎo)，對(duì)流及輻射三種方式，通常要求加熱溫度是可控制的，可通過(guò)設(shè)置最高溫度和加熱計(jì)時(shí)器來(lái)保證可重復(fù)性。如果采用傳導(dǎo)方式來(lái)拆卸BGA器件，需要設(shè)計(jì)一種專用的傳導(dǎo)工具，將該工具的加熱頭加熱到3160C后放在器件上，利用器件上傳熱量，便器件引出端的焊料再流，加到拆卸的目的；如果采用熱流方式，熱噴嘴應(yīng)置于要返修修的BGA表面上100mil處，并從頂部加熱，熱噴嘴尺寸應(yīng)小于或等于器件的塑模。一般不從器件底部加熱，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致剝離損壞，并使鄰近器件局部再流。如果要拆下的器件早已是壞的，就不用考慮熔化溫度和時(shí)間；如果要拆下的器件還準(zhǔn)備再用，那么為了避免爆裂，在拆下器件之前，先要在1250C溫度下烘烤24小時(shí)。在加熱和拆卸之前，在器件下面加一些液體助焊劑可使加熱均勻。為避免板子或其它器件的損，要小心地控制其加熱量、加熱方向和熱溢出量等。

器件拆卸后，必須為新器件的焊接做好準(zhǔn)備，清除遺留在板子上的焊料帶把它們吸走。高溫噴嘴和低溫接觸工具結(jié)合使用不會(huì)損壞PCB。同時(shí)為了保證焊盤陣列的共面性和清潔度，為新的BGA焊接創(chuàng)造良好的環(huán)境，還原對(duì)返修區(qū)進(jìn)行熱風(fēng)整平，首先施加一種認(rèn)可的焊劑，然后降低BGA拆卸噴嘴進(jìn)行熱風(fēng)對(duì)流，這將有效地清除任何遺留在PCB上微小焊毛刺及殘?jiān)瑥亩ＷC良好的可焊性。

當(dāng)重貼BGA器件時(shí)，必須使器件底面上的焊料球與PCB板上的膏相連接，在大部分返修操作期間，操作者處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，這時(shí)可把BGA器件翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)固定在一夾具上，然后降低和對(duì)準(zhǔn)焊膏模板，用一小刮刀印刷焊膏。BGA器件在安裝前后都要被稱重，稱重的目的為了測(cè)定印刷在焊盤上的焊膏量。每一個(gè)BGA焊盤陣列都有一個(gè)最小的焊膏容積Vmin，維持最低的焊膏體積Vmin 的目的有兩個(gè)：（1）為了保證有足夠的面積，該面積能使焊點(diǎn)有良好的導(dǎo)電性；（2）為BGA和基板間的不同熱膨脹應(yīng)力提供充足的焊膏容積。由于BGA引出端的間距較大，出現(xiàn)焊接橋接的可能性不大，所以最大焊膏量可有一定的伸縮性，推薦焊膏容積的范圍為：Vmin≤V≤2Vmin.

當(dāng)重貼DMPAC時(shí)，選用焊膏僅是一選擇方案，推薦使用焊劑，它可保證實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊點(diǎn)。

返修期間BGA器件的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題是最困難的，因?yàn)槊恳活愋虰GA都有其自已的貼裝考慮。對(duì)CBGA來(lái)說(shuō)，由于制造者不能保證從陶瓷基板過(guò)緣到球柵陣列恒不變，因此不能使用CBGA的邊緣進(jìn)行可靠的可視對(duì)準(zhǔn)。要求貼裝系統(tǒng)后能夠同時(shí)看到PCB的頂部和CBGA的底部，分步進(jìn)行X、Y、Q軸調(diào)節(jié)，然后準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)CBGA到焊盤陣列上。

OMPAC或PBGA貼裝相對(duì)容易，因?yàn)樗圃焓褂玫氖蔷o模壓公差，從BGA的邊緣到球柵陣列之間公差配合很緊，這樣通過(guò)使用PCB上的適當(dāng)標(biāo)志，大部分操作者都能把BGA貼放到焊盤囝列的25％范圍之內(nèi)。然后通過(guò)再流期間焊料的表面張力將BGA拉到適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

BGA器件的重貼再流與拆卸要示一樣，溫度控制是絕對(duì)必須的，一般再流溫度為2100C到2150C時(shí)間最長(zhǎng)75秒，同時(shí)還應(yīng)參照BGA制造者提供的再流參數(shù)，否則會(huì)損壞BGA器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另外再流焊期間通常要求惰性氣體和無(wú)清洗焊劑結(jié)合使用，因?yàn)锽GA器件下的充分清洗幾乎是不可能。最后使用X射線對(duì)返修的BGA器件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

結(jié)束語(yǔ)

BGA作為一個(gè)多引腳集成電路的新封裝形式，其貼裝、焊接與檢測(cè)在SMT技術(shù)領(lǐng)域中還都是新課題，隨著進(jìn)一步的深入研究，其成果必將會(huì)使SMT進(jìn)入一個(gè)新的階段。