BGA返修&快克BGA返修系统

BGA返修 & QUICK

BGA返修系统

随着IC技术的不断进步，IC的封装也得到了迅速发展，BGA器件顺应了这一发展，以其良好的表面安装工艺性，倍受电子工业界的青睐。

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针栅阵列)、CGA(Column Grid Array柱栅阵列)、HGA(Hole Grid Array孔栅阵列)等。两种最常见的BGA封装是塑封BGA(PBGA)和陶瓷BGA封装(CBGA)。第三种BGA封装为载带球栅阵列封装(TBGA)，这种封装现在越来越多地用于要求更轻、更薄器件的高性能组件中。

BGA的返工和返修与操作人员有着密切关系，成功的BGA返修要求操作人员具备

封装拆除和重贴方面的经验和知识，同时具备 BGA结构、热特性和创建曲线的知识，还必须能正确操作设备及严格地按照工艺进行操作，从而保证工艺的一致性和BGA的成功返修。

一、BGA返修

（一）、BGA的结构和特点：

BGA主要分为三部分：主体基板、芯片和封装。基板一面为焊接面，另一面为芯片封

装面。焊接面上球形焊点呈矩阵状排列。基板有双面板与多层板几种形式。对于引出线较多的基板一般为多层板，内部为走线层、电源层和接地层。对于引出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具有以下优点： 较好的共面性、 焊球的表面张力大 、引出端间距大、 没有弯曲的器件引脚、 良好的电性能、 良好的热性能。而且BGA的封装产量高，同时具有较高的互连密度和较低的器件缺陷水平。 当然BGA也有缺点：对焊点的可靠性要求更严格，返修更困难。

另外还需注意的是：通常BGA对潮湿非常敏感，因此在组装之前要采取预处理措施。建议所有的封装在24小时内完成全部组装和回流焊。器件离开抗静电保护袋的时间过长将会损坏器件。

（二）、BGA返修基本步骤

1、 为每个元件建立一条温度曲线

在回流工艺中有几个关键性的考虑因素：1、在BGA整个表面和PCB的焊盘上，热分布和热传导均匀。2、加热工艺和温度设定必须使BGA到达回流，随着锡球熔化，均匀地降落到焊盘上，与焊盘形成金属间化合物。

2、拆除元件

在BGA再流焊过程中，温度控制必不可少，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。

3、去除残留焊膏并清洗这一区域

贴装BGA之前，应清洗返修区域。这一步骤一般以人工进行操作为主，因此技术人员的技巧非常重要。如果清洗不充分，新的BGA将不能正确回流，基板和阻焊膜也可能被损坏而不能修复。

4、贴装BGA器件（在某些情况下，BGA器件可以重复使用。）

贴装BGA时，其对位的精度是非常重要的，尽管BGA存在较好的表面张力，如果有较高的贴装精度作保证，更能保证BGA的成功返修。

5、回流焊

二、 QUICK BGA红外返修系统

(QUICK2005系列&QUICK2015系列)

为使BGA更具成本效益，必须达到高合格率，并能有效地返修组件。适当地培训返修技术人员，采用恰当的返修设备，了解BGA返修的关键工序，都有助于实现稳定、有效的返修。一个开放式的IR系统，它可以有效地消除返工过程中的“盲目性”。通过在返工中实时地光学监测回流过程，可以保证元件锡球的均匀塌落。这种BGA元件工艺受控的修理是今天工业中的最热门话题之一。

对BGA元件的返修，QUICKBGA返修系统提供了理想的热传导和热分布，顶部和底部均采用中等波长的暗红外加热器加热，热分布均匀，同时采用闭环控制回流焊技术，通过非接触式红外温度传感器来控制BGA表面的温度，温度控制准确、灵敏，满足无铅焊接的工艺窗口要求。 此外，QUICK BGA返修系统可以和电脑联机，通过IRSOFT可以进行温度参数的设置、可以控制BGA返修系统工作，可以记录流程中任何时候的温度曲线和温度值，使用灵活，用户界面友好、成本较低。有了这样一个理想的返修解决方案，

就不会再害怕BGA了吧。相对于返修系统，其工艺参数的设置是非常关键的。

QUICK2005系列

QUICK2015系列

（一） 、QUICK红外系列返修系统的温度曲线

℃

表示Tb

表示TC

焊接工艺由参数T0、TB、T1、T2、T3、S1、S2、S3来确定，它描述了系统运行工作时的温度曲线，TL表示所使用焊料的熔点温度以及在T2和T3之间的范围。

阀门值T0是顶部加热器加热所要求的底部温度，也是工艺过程第一个到达的温度值。流程开始后，底部开始加热，达到T0时，顶部才开始加热。

TB：底部预热设定的温度； Tb：底部加热实时温度； TC：顶部加热实时温度

回流焊保温起始温度T1是工艺过程第二个到达的温度值，在电子元件所允许的温度上升速率之内温度上升到T1。

回流焊保温结束温度T2，在S1结束时，预热温度上升到T2。在这一时间完成了PCB板和元件的预热，助焊剂已激活。

T3回流焊峰值温度；S3是温度到达T3后，延长加热的时间。

（二）、温度曲线的设置

根据业界对返修芯片的要求，一般无铅焊料的回流参数为：从35℃-150℃之间，预热阶段升温斜率为0.8℃-1.7℃/秒，从150℃-185℃恒温时间为60秒-90秒，回流焊时间（217℃以上时间）为30秒-90秒，最高温度为230℃-250℃。

由此我们用返修台设置的温度曲线参数为：35℃-150℃的温升斜率为1.3℃/秒左右，恒温时间为75秒，回流时间为60秒，最高温度为240℃。采用KIC2000炉温测试仪测试返修台设置参数的温度曲线，观察恒温区域是否在150℃-185℃之间。

分析该温度曲线，如果恒温区域温度偏下，可以调高设备的TB温度设置，也可以调高T1和T2的参数，如果温度偏上可以调低TB的温度设置，也可以调低T1和T2或缩小T1与T2温差。恒温时间的长短主要取决于S1的设置。回流时间的范围取决于曲线的最高温度、S2、S3以及冷却速率的设置，从T2到T3的升温斜率一般为1℃-3℃/秒，所以S2的时间大约为T2到T3的温差，T3的设置高低也影响回流时间的长短，对回流时间影响最大的是S3时间的设置，随着S3时间的加长也会使最高温度升高，所以在设置T3和S3的时候两者都要兼顾。降温的斜率一般在2℃-3℃/秒。

如果测量所显示的温度曲线能够满足无铅制程的要求，那么在完成工艺过程中，我们可以通过RPC摄像仪观察焊料熔化， 当芯片焊料熔化时，返修设备的温度为220℃左右（一般常用焊料：Sn：96.5，Ag：3，Cu：0.5），芯片塌陷时返修设备显示的温度大约在225℃左右，我们可以确定设备设置的参数是正确的。当然芯片大小不同，完全塌陷时的温度也会有所不同，芯片较大时（大于25mm*25mm）可以适当延长恒温时间和回流时间，以保证返修的良率。

例如：用QUICK2015返修设备设置的参数：T0：150℃，TB：160℃，T1：140℃，T2：150℃，S1：75秒，TL：217℃，S2：55秒，T3：225℃，S3：40秒（当TB=60℃时启动工作）在IRSOFT上，其温度曲线如下：

用KIC2000炉温测试仪测得的温度曲线为：35℃到150℃的最高温升斜率为1.3℃/秒，恒温时间为：65.4秒，回流时间（217℃以上时间）为：70秒，最高温度为：240℃，降温斜率为：2.5℃/秒，满足工艺要求，所焊芯片测试为良品。

（三） 、实际使用中经常出现的问题及改善

1、 焊接良率时好时坏。

改善方法：焊接曲线温度要有余量（设置的焊接曲线温度刚能满足焊接要求）。一般在焊接曲线要求的范围内，温度和时间偏上限，来保证焊接的一致性。弥补因为周围环境温度变化差异较大等原因带来焊接效果的变化。

2、 助焊膏的量对焊接的影响：

改善方法：无铅工艺中，如果采用助焊膏工艺，焊膏的量要适中。量太少的话过早挥发，不能起到助焊效果；量太多的话，助焊膏挥发不掉，易造成锡球空洞等焊接缺陷，造成焊接品质的下降。

3、 元件和PCB接合强度过低（焊接的可靠性验证）。

改善方法：（1）提高回流焊的温升斜率（适当降低S2时间，或降低T2~T3的温差）；（2）降低焊接峰值温度（通过调整峰值温度保温时间S3或者峰值温度T3来调整）；（3）提高降温斜率。（增加冷却效率。譬如2005可以在一侧增加立式风机，来增加降温速率）。

4、 锡球均呈灰色且空焊。

改善方法：（1）适当降低保温区温度和时间；（T1~T2温差不变，但温度均降低；降低S1时间）；（2）降低回流时间（S2时间降低）；（3）适当增加助焊膏或锡膏量；（4）保证焊盘清理时不氧化（避免多次清理，清理时加少量助焊成分）。

5、 锡球光亮饱满，但测试结果为短路。

改善方法：（1）减少助焊膏或锡膏的涂抹量；（2）降低峰值温度（通过调整峰值温度保温时间S3或者峰值温度T3来调整）；（3）保证对位精度（在无铅返修工艺中尤为重要）；

（4）保证焊盘清理干净。

6、 锡球塌陷不均匀（如一侧塌陷较低或某一角塌陷不够或过低）。

改善方法：（1）检查PCB支撑是否平稳；（2）检查待修PCB返修之前是否有严重变形；

（3）焊接曲线改善，防止PCB焊接过程中变形（如调整焊接曲线，延长保温时间；调整底部温度TB，缩小上下温差）。

7、 返修后，被修元件区域下凹或上凸。返修工艺允许PCB焊接区域一定量的微小变形，但超过工艺规定的变形量会导致焊接品质的下降或焊接失败。

中间桥连,四周空焊 中间空焊,四周桥连 一侧先熔锡塌陷,造成桥连

改善方法：（1）调整底部温度TB（保证元件顶部到PCB底部的垂直温差）；（2）延长保温时间（S1）；降低回流温升斜率（<T2~T3>/S2）。

8、 返修后，PCB整体扭曲。返修工艺允许PCB返修的轻微变形，但超过工艺规定变形

量会导致焊接的可靠性降低，降低PCB的使用寿命。

常见的几种PCB和BGA的形变

室温 加热后变形

改善方法：（1）尽量让PCB都能在预热范围之内（如2005型太小，可以改用2015）；（2）延长预热时间（T0调高，可以接近T1）。（2）PCB支撑平稳，PCB夹具不要加太紧，但要保证PCB无转动的可能（3）检查PCB上有无面积大且大容量的吸热插件或散热片。如方便，可以拆除再进行返修。

（四）、QUICK BGA返修系统在操作过程中的技巧：

1、 顶部加热器窗口尺寸的大小是根据BGA芯片调整的，一般尽可能把窗口开到最大（可

以延长发热体的使用寿命），周围小元件即使二次回流（通常认为10次以内的再回流是安全的），实验数据表明对焊接品质几乎没有影响（PCB双面板在SMT工艺中需经过2次或者以上的回流）。

2、 在返修系统中为保护热敏感元件可以使用铝箔来屏蔽红外辐射（可以降低被覆盖区温度

30℃以上）。

3、 当PCB板很小时，可以采用长短两组支撑，避免散热过快。

4、 BGA返修设备在安装调试使用时要注意设备周围有无明显气流影响，不稳定的大气流

会影响到被拆焊元件的温度曲线，产生温差，影响返修良率。

5、当BGA表面反光时，将器件用茶色高温胶带覆盖，防止温度检测产生偏差。

一：普通SMD的返修

普通SMD返修系统的原理：采用热气流聚集到表面组装器件（SMD）的引脚和焊盘上，

使焊点融化或使焊膏回流，以完成拆卸和焊接功能。

不同厂家返修系统的相异之处主要在于加热源不同，或热气流方式不同，有的喷嘴使热风在SMD的上方。从保护器件的角度考虑，应选择气流在PCB四周流动比较好，为防止PCB

翘曲还要选择具有对PCB进行预热功能的返修系统。

二：BGA的返修

使用HT996进行BGA的返修步骤：

1：拆卸BGA

把用烙铁将PCB焊盘残留的焊锡清理干净、平整，可采用拆焊编织带和扁铲形烙铁头进

行清理，操作时注意不要损坏焊盘和阻焊膜。

用专用清洗剂将助焊剂残留物清洗干净。

2：去潮处理

由于PBGA对潮气敏感，因此在组装之前要检查器件是否受潮，对受潮的器件进行去潮

处理。

3：印刷焊膏

因为表面组装板上已经装有其他元器件，因此必须采用BGA专用小模板，模板厚度与开口尺寸要根据球径和球距确定，印刷完毕后必须检查印刷质量，如不合格，必须将PCB清洗干净并凉干后重新印刷。对于球距为0.4mm以下的CSP，可以不印焊膏，因此不需要加工返修用的模板，直接在PCB的焊盘上涂刷膏状助焊剂。需要拆元件的PCB放到焊炉里，按下再流焊键，等机器按设定的程序走完，在温度最高时按下进出键，用真空吸笔取下要

拆下的元件，PCB板冷却即可。

4：清洗焊盘

用烙铁将PCB焊盘残留的焊锡清理干净、平整，可采用拆焊编制带和扁铲形烙铁头进行

清理，操作时注意不要损坏焊盘和阻焊膜。

5：去潮处理

由于PBGA对潮气敏感，因此在组装之前要检查器件是否受潮，对受潮的器件进行去潮

处理。

6：印刷焊膏

因为表面组装板上已经装有其他元器件，因此必须采用BGA专用小模板，模板厚度与开口尺寸要根据球径和球距确定，印刷完毕后必须检查印刷质量，如不合格，必须将PCB清洗干净并凉干后重新印刷。对于球距为0.4mm以下的CSP，可以不印焊膏，因此不需要加

工返修用的模板，直接在PCB的焊盘上涂刷膏状助焊剂。

7：贴装BGA

如果是新BGA，必须检查是否受潮，如果已经受潮，应进行去潮处理后再贴装。 拆下的BGA器件一般情况可以重复使用，但必须进行植球处理后才能使用。贴装BGA器件

的步骤如下：

A：将印好焊膏的表面组装板放在工作台上

B：选择适当的吸嘴，打开真空泵。将BGA器件吸起来，BGA器件底部与PCB焊盘完全重

合后将吸嘴向下移动，把BGA器件贴装到PCB上，然后关闭真空泵。

8：再流焊接

设置焊接温度可根据器件的尺寸，PCB的厚度等具体情况设置，BGA的焊接温度与传统

SMD相比，要高出15度左右。

9：检验

BGA的焊接质量检验需要X光或超声波检查设备，在没有检查设备的的情况下，可通过

功能测试判断焊接质量，也可凭经验进行检查。

把焊好的BGA的表面组装板举起来，对光平视BGA四周，观察是否透光、BGA四周与PCB之间的距离是否一致、观察焊膏是否完全融化、焊球的形状是否端正、焊球塌陷程度等。

..--如果不透光，说明有桥接或焊球之间有焊料球；

..--如果焊球形状不端正，有歪扭现象，说明温度不够，焊接不充分，焊料再流动时没有

充分的发挥自定位效应的作用；

..--焊球塌陷程度：塌陷程度与焊接温度、焊膏量、焊盘大小有关。在焊盘设计合理的情况下，再流焊后BGA底部与PCB之间距离比焊前塌陷1/5-1/3属于正常。如果焊球塌陷太

大，说明温度过高，容易发生桥接。

..--如果BGA四周与PCB之间的距离是不一致说明四周温度不均匀。

三：BGA植球

1：去处BGA底部焊盘上的残留焊锡并清洗

用烙铁将PCB焊盘残留的焊锡清理干净、平整，可采用拆焊编织带和扁铲形烙铁头进行清理，操作时注意不要损坏焊盘和阻焊膜。

用专用清洗剂将助焊剂残留物清洗干净。

2：在BGA底部焊盘上印刷助焊剂

一般情况采用高沾度的助焊剂，起到粘接和助焊作用，应保证印刷后助焊剂图形清晰、不漫流。有时也可以采用焊膏代替，采用焊膏时焊膏的金属组分应与焊球的金属组分相匹配。 印刷时采用BGA专用小模板，模板厚度与开口尺寸要根据球径和球距确定，印刷完毕必须检查印刷质量，如不合格，必须清洗后重新印刷。

3：选择焊球

选择焊球时要考虑焊球的材料和球径的尺寸。目前PBGA焊球的焊膏材料一般都是

63Sn/37Pb，与目前再流焊使用的材料是一致的，因此必须选择与BGA器件焊球材料一致的焊球。

焊球尺寸的选择也很重要，如果使用高粘度助焊剂，应选择与BGA器件焊球相同直径的焊球；如果使用焊膏，应选择比BGA器件焊球直径小一些的焊球。

4：植球

A) 采用植球器法

如果有植球器，选择一块与BGA焊盘匹配的模板，模板的开口尺寸应比焊球直径大

0.05--0.1mm，将焊球均匀地撒在模板上，摇晃植球器，把多余的焊球从模板上滚到植球器的焊球收集槽中，使模板表面恰好每个漏孔中保留一个焊球。

把植球器放置在工作台上，把印好助焊剂或焊膏的BGA器件吸在吸嘴上，按照贴装BGA的方法进行对准，将吸嘴向下移动，把BGA器件贴装到植球器模板表面的焊球上，然后将BGA器件吸起来，借助助焊剂或焊膏的黏性将焊球粘在BGA器件相应的焊盘上。用镊子夹住BGA

器件的外边框，关闭真空泵，将BGA器件的焊球面向上放置在工作台上，检查有无缺少焊球的地方，若有，用镊子补齐。

B) 采用模板法

把印好助焊剂或焊膏的BGA器件放置在工作台上，助焊剂或焊膏面向上。准备一块BGA焊盘匹配的模板，模板的开口尺寸应比焊球直径大0.05～0.1㎜，把模板四周用垫块架高，放置在印好助焊剂或焊膏的BGA器件上方，使模板与BGA之间的距离等于或略小于焊球的直径，在显微镜下对准。将焊球均匀的撒在模板上，把多余的焊球用镊子拨（取）下来，使模板表面恰好每个漏孔中保留一个焊球。移开模板，检查并补齐。

C）手工贴装

把印好助焊剂或焊膏的BGA器件放置在工作台上，助焊剂或焊膏面向上。如同贴片一样用镊子或吸笔将焊球逐个放好。

D） 刷适量焊膏法

加工模板时，将模板厚度加厚，并略放大模板的开口尺寸，将焊膏直接印刷在BGA的焊盘上。由于表面张力的作用，再流焊后形成焊料球。

5：再流焊接

进行再流焊处理，焊球就固定在BGA器件上了。

6：焊接后

完成植球工艺后，应将BGA器件清洗干净，并尽快进行贴装和焊接，以防焊球氧化和器件受潮

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