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BGA組裝技術及要點分析



 

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          BGA組裝技術及要點分析,從BGA的封裝形式、PCB的設計、焊膏印刷、貼片、回流焊接工藝等方面分析了BGA組裝過程中應注意,的問題及其預防措施。以常用的PBGA和CBGA為例,分析了兩種不同封裝形式BGA的結構特點和組裝過程中應注意的問題,以焊膏Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5為例,分析了傳統的SnPb組裝工藝和無鉛組裝工藝的特點,以提高BGA組裝的質量。
    由于BGA封裝形式的特殊性,其返修需要特殊的返修工具,而且返修難度大,成功率低。對于電子組裝生產廠家來說,提高BGA 組裝質量,對于提高產品質量和降低成本具有重要的意義。

          BGA組裝技術及要點分析BGA的組裝工藝,在BGA 的組裝過程中,每一個步驟,每一個工藝參數都會對BGA的組裝造成影響,因此對于BGA組裝的每一個步驟都要嚴格控制。對于錫鉛和無鉛的電子組裝工藝而言,焊膏印刷、貼片工藝過程都沒有太大的差別,主要的區別在于回流過程中溫度曲線的設定,錫鉛回流焊接工藝與無鉛回流焊接工藝存在較大的差異。另外由于BGA的封裝形式的不同,存在的熱阻不同,為了滿足回流焊接溫度曲線的要求,其溫度設定與時間也存在一定的差異

              BGA組裝技術及要點分析BGA的封裝形式,目前出現的BGA 封裝,按基板的種類,主要分為PBGA (塑料封裝的BGA)、CBGA (陶瓷封裝的BGA)和TBGA (載帶狀封裝的BGA)。PBGA封裝由安裝和互連到雙面或多層PCB基板的芯片組成,通孔將頂層表面的信號印制線互連到基板底部相應的焊盤上。在芯片粘結和引線鍵合之后,用遞模或注模工藝將組裝好的部分上模塑包封,是目前應用最為廣泛的一種BGA器件,主要應用在通信產品和消費產品上。由于其具有以下優點,因此廣泛應用于SMT 的組裝:高的I/O引出端數與封裝面積比:與環氧樹脂PCB的熱膨脹系數CTE相匹配,熱綜合性能良好:良好的電氣性能;高的互連密度;SMT組裝中較低的焊球共面性要求,一般為0.15~0.20 mm;SMT回流工程中具有自對中功能:消除了窄節距焊膏印刷;減小了焊盤之間橋連的可能。
    PBGA器件是一種高度的濕度敏感器件,其必須在恒溫干燥的條件下保存,避免元器件在組裝前受到影響。一般BGA較理想的保存環境為20—25℃,RH小于10% (有氮氣保護措施更佳)。故BGA密封的防潮包裝一旦被打開,必須在規定的時間內組裝到PCB上。PBGA芯片在拆封后必須使用的期限由芯片的敏感性等級所決定.
在組裝過程中,BGA的包裝被打開后無法在相應的時間內進行組裝,而且暴露的時間超過了表1中規定的時間,那么在下一次使用之前為了使BGA 具有良好的可焊性,建議對BGA 進行烘烤。烘烤溫度一般不要超過125℃,RH低于60%,因為過高的溫度會增加焊球和BGA 連接處金屬間化合物的厚度,在組裝過程中易產生裂紋導致BGA 組裝失效。烘烤時間與BGA的濕氣敏感性等級和BGA的厚度有著密切的關系。
    PBGA焊球成分一般為Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5等合金,焊球間距一般有1.5O,1.27,1.O,O.8,O.5 mIn,焊球直徑可根據不同應用對焊球間距要求的不同在O.75一O.30 mIn之間變化。對于間距越小的BGA,其封裝密度越高,對于BGA組裝
的工藝要求越高。CBGA的互連由Snl0Pb90高溫焊球和把該焊球通過Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5等低熔點焊料焊接到基板上完成的。焊球數組的間距為1.27 mIn時所用的焊球直徑為O.89 mIn,間距為1.Omm時所用的焊球直徑為O.64 rn/n。CBGA封裝的主
要優點包括:(1)封裝組件的可靠性高,性能優良:(2)共面性好,易于焊接;(3)對濕氣不敏感,存儲時間長;(4)電氣性能良好;(5)封裝密度高。CBGA存在的主要缺點是與PCB的熱膨脹系數CTE不匹配,易造成熱疲勞失效,因此熱可靠性差,而且封裝體邊緣與PCB焊盤對準困難,封裝成本較高。
    TBGA 是用銅/聚酰亞胺載帶作基板實現芯片與焊料球和PCB連接的一種封裝形式,TBGA封裝具以下特點:(1)和環氧樹脂電路板的熱匹配性好:(2)可通過封裝體邊緣與PCB焊盤對準;(3)對濕度和熱敏感,不同材料的多元聚合對可靠性產生不利影響。
2 PCB設計
    由于BGA封裝的特殊性,其焊點位于BGA封裝體下部的面陣結構,在組裝過程中PCB的微量變形就可能造成BGA焊球的開路。因此BGA的位置設計應在遠離PCB撓度很大的區域和高應力區,如PCB的四角、邊緣位置、接插件、安裝孔、槽、拼板的切割、豁口及拐角處。由于BGA的熱容量較大,為了使PCB表面元器件的熱均勻性,在BGA周圍5 mIn的區域內不應再布局元器件,以避免PCB組裝過程中溫度分布不均勻產生變形。
    為了減小PCB的變形,提高BGA組裝質量,良好的PCB材質是需要的,特別是對于適用于無鉛化電子組裝的焊接工藝,由于回流溫度的升高,對PCB材質提出了更高的要求。目前廣泛應用的改性FR4型基板,其 值大于170℃,基本上可以滿足無鉛和錫鉛回流焊接工藝的要求。
    BGA對應的PCB的焊盤設計,一般比焊球直徑小20%,每個焊球對應的焊盤應為實心銅盤,PCB焊盤的最大直徑為BGA器件底部焊球的焊盤直徑,最小直徑應為BGA器件底部焊盤直徑減去貼裝精度。焊盤周圍應設計阻焊膜,阻焊膜尺寸應比焊盤大O.1 O.15 mIn,防止焊料流失,引起短路或虛焊。焊盤旁邊應設計通孔,通孔在孔化電鍍后,必須采用介質材料或導電膠進行堵塞,高度不得超過焊盤高度。
3.1焊膏印刷
焊膏是合金焊料粉末、助焊劑系統和觸變劑系統均勻混合而成,具有觸變性能的膏狀流體 焊膏的貯存條件一般在2—5℃下保存3-6個月,貯存時不會發生化學變化,也不會出現焊料粉與焊劑分離現象,并保持其黏度和粘性不變。焊膏在印刷之前須自然回溫,一般回溫時間為4—8 h,在焊膏回溫到室溫前,切勿拆開容器或攪拌焊膏和強制加熱回溫,以免造成助焊劑等成分析出。以保證良好的印刷性和焊接性。
焊膏印刷的量要適宜,過多容易產生橋連等焊接缺陷,過少又容易產生開路或虛焊等焊接缺陷。焊膏E0,~U量的控制取決于印刷范本的厚度、刮刀壓力的大小和印刷速度。印刷范本一般采用不銹鋼材料,對于BGA范本開口直徑,一般略小于焊盤直徑,其厚度一般為O.12 O.15 mm,以保證適量的焊膏印刷。
印刷焊膏時,一般采用6O。不銹鋼刮刀,刮刀壓力一般控制在35—100 N,壓力太小使焊膏轉移量不足,太大又使所印刷焊膏太薄,增加焊膏污染范本反面和PCB基板的可能性。印刷速度一般為10-25 mllfS,太快易造成刮刀滑行、漏印,太慢易造成焊膏印跡邊緣不齊,污染PCB基板表面。BGA焊點間距越小,印刷速度愈慢,才能保證良好的印刷質量。印刷后的脫模速度一般設定為O.5~1.0 mllfS,焊點間距愈小,脫模速度應愈慢。目前有研究表明,將脫模速度設定為可加速的,即從零逐漸加速,可避免等速脫模時焊膏塌陷和焊膏與范本分離不良,其脫模效果良好。
    另外,在印刷時要注意控制操作的環境,溫度控制在25℃左右,濕度控制在RH55%左右,印刷后的PCB應在30min以內進行回流焊工藝,防止焊膏在空氣中暴露過久而影響組裝質量。
3.2 貼片
    貼片的主要目的是使BGA 上的每一個焊球與PCB上的每一個對應的焊盤對正。由于BGA上的焊球位于其封裝體的底部,必須采用專門的設備來對中。放置BGA的貼片機其貼片的精確須達到0.001 rain左右,BGA器件通過鏡像識別,可以準確的放置在PCB板上。由于BGA焊球的共面性存在一定的偏差以及焊膏印刷存在一定的差異,為了保證良好的焊接質量,一般將BGA高度減去25-41—50.80 pm,同時使用延時關閉真空系統約400 ms,使BGA在貼裝時其焊球能夠與焊膏充分接觸,從而避免BGA在回流過程中某個焊電開路的現象。
3.3 回流焊接
回流焊接是BGA 組裝工藝中較難控制的流程,設定工藝參數,獲得合適的溫度曲線對于BGA 的良好焊接是非常重要的。由于BGA的封裝形式的不同,CBGA的熱阻比PBGA要大,因此達到相同的溫度,CBGA比PBGA需要更高的溫度設定和較長的預熱時間。對于錫鉛焊膏和無鉛焊膏,其溫度設定值和加熱時間都有明顯的不同。
預熱階段:預熱的主要目的是使PCB及其元器件均勻受熱,同時對PCB和元器件具有烘烤的作用,除去其中的水分,以及蒸發掉焊膏中適量的熔劑。預熱階段的升溫速率不能過快,以防止PCB受熱過快而產生較大的變形。一般升溫速率控制在3℃/s,預熱時間為60—90 s之間。
活化階段:此階段的主要目的是使焊膏中的助焊劑活化,除去焊盤表面和焊膏合金表面的氧化物,達到潔凈的金屬表面,為焊膏回流過程做好準備。同時蒸發掉焊膏中過多的助焊劑和對PCB進行預熱,防止回流過程中升溫過快造成PCB 的變形。對于錫鉛焊接,此階段的溫度在150—180℃應保持60 120 S;對于無鉛焊接,此階段的溫度在160~200℃應保持60~180 S,以便助焊劑能夠充分發揮其作用。活化階段的溫升速率一般控制在0.3加.5℃/s。
    回流階段:此階段焊點的溫度已經上升到焊膏的熔點溫度以上,焊膏處于熔融狀態。回流階段的主要目的是使熔融的焊料潤濕焊盤與元器件的引腳,達到良好的焊接要求。對于PBGA,其焊球為Sn63Pb37,Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5等合金,在回流過程中焊球與焊膏一起熔化混合熔融后形成焊點;對于CBGA,其焊球為Snl0Pb90高溫合金,在回流過程中焊球是不熔化的,焊膏熔化與焊盤和高溫焊球潤濕形成焊點。因此需要合適的時間保證熔融的焊膏能夠很好的潤濕焊盤和焊料球,時間過短可能造成潤濕不良形成虛焊,時間過長則可能使焊料與焊盤之間形成很厚的一層金屬間化合物Cu6sn5和Cu3Sn,由于其脆性的特性易形成開裂造成焊點的失效。特別是對于無鉛化電子組裝,由于無鉛焊料中合金元素Sn的含量高,更易在高溫下形成較厚的金屬問化合物導致焊點的失效 對于SnPb焊接,一般要求在熔點183℃以上的時間控制在60.-90 s,其中峰值溫度210~225℃范圍內的時間控制在10—20 s;對于無鉛焊接,一般要求熔點217—219℃以上的時間控制在60 120 S,其中峰值溫度
230—235℃范圍內的時間控制在20—40 s為佳。
    冷卻階段:焊膏經過回流后助焊劑被完全消耗,形成了熔融的金屬焊點。冷卻階段的主要目的是在焊點凝固的同時細化晶粒,抑制金屬間化合物的增長,以提高焊點的強度。但由于過快的冷卻速度會造成PCB的變形和電子元器件的熱裂化,特別是BGA這樣的吸熱量大的元器件,冷卻速率過快易造成內部封裝的損壞,從而導致BGA 的失效。一般冷卻速率控制在1~3℃/s以內。
4 結論
    BGA的組裝是一個非常復雜的工藝過程,從BGA的封裝形式、PCB的設計、焊膏的特性及其印刷工藝、貼片工藝和適宜的回流焊接溫度曲線,任何一個工序出現問題都有可能造成BGA 組裝的失敗。因此在BGA組裝過程中,必須嚴格控制組裝工藝流程,從而提高BGA的組裝質量。

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