關(guān)于 BGA（球柵陣列）板級裝聯(lián)封裝工藝 的詳細介紹。本文將系統(tǒng)地闡述BGA的概念、工藝流程、關(guān)鍵工藝點、常見缺陷及檢測方法。

一、BGA 簡介與優(yōu)勢

BGA（Ball Grid Array） 是一種先進的集成電路封裝技術(shù)。它與傳統(tǒng)的四面有引腳的QFP等封裝不同，其引腳是以陣列式排列在封裝體底部的焊球形式存在。

主要優(yōu)勢：

1. 高密度I/O：充分利用封裝底部面積，在更小的面積上容納更多的引腳，適合高引腳數(shù)芯片（如CPU、GPU、FPGA）。

2. 優(yōu)異的電性能：焊球短，引線電感小，串?dāng)_低，提供了更好的高頻和高速性能。

3. 良好的熱性能：封裝底部的大面積地/電源焊球有助于將芯片熱量傳導(dǎo)至PCB。

4. 高可靠性：焊點間距大，回流焊時具有“自對準(zhǔn)”效應(yīng)，焊接可靠性高。

5. 更適合自動化生產(chǎn)：對貼裝精度要求相對寬松。

二、BGA板級裝聯(lián)（SMT）完整工藝流程

BGA的裝配屬于SMT（表面貼裝技術(shù)）的一部分，其核心流程與普通SMT元件類似，但對工藝控制要求更為嚴格。

整體流程框圖：

PCB來料檢驗 -> 焊膏印刷 -> SPI（焊膏檢測） -> BGA貼裝 -> 回流焊接 -> 清洗（可選） -> 檢測與測試 -> 返修（如有需要）

1. PCB來料檢驗與存儲

• 檢驗：檢查PCB的翹曲度、阻焊層是否完好、焊盤氧化情況、通孔是否堵塞等。任何缺陷都可能導(dǎo)致焊接失敗。

• 存儲：PCB和BGA組件通常對濕度敏感（MSL評級）。必須根據(jù)其濕度敏感等級（MSL）在干燥柜（Dry Cabinet）中存儲，并在開封后規(guī)定時間內(nèi)（如72小時）使用完畢，否則需進行烘烤（Baking）以去除內(nèi)部潮氣，防止回流焊時出現(xiàn)“爆米花”效應(yīng)（封裝開裂）。

2. 焊膏印刷 (Solder Paste Printing)

• 目的：在PCB的BGA焊盤上精確地沉積適量、形狀一致的焊膏。

• 關(guān)鍵要素：

• 鋼網(wǎng)（Stencil）：激光切割并電拋光的不銹鋼板。BGA的開孔通常為1：1的正方形或圓形，有時會采用微縮（Solder Mask Defined - SMD）或防橋開孔（Non-Solder Mask Defined - NSMD）設(shè)計來優(yōu)化焊膏量。

• 焊膏（Solder Paste）：無鉛焊膏（如SAC305）是主流。合金成分、粉末粒度（Type 3, Type 4）、助焊劑活性都需要根據(jù)產(chǎn)品要求選擇。

• 印刷參數(shù)：刮刀角度、壓力、速度、脫模速度等都需要精細調(diào)整，以確保焊膏完美地轉(zhuǎn)移到焊盤上。

3. 焊膏檢測 (SPI - Solder Paste Inspection)

• 目的：在貼片前100%檢查焊膏印刷質(zhì)量，是提升直通率（FPY）的關(guān)鍵步驟。

• 檢測內(nèi)容：使用3D光學(xué)系統(tǒng)測量焊膏的體積（Volume）、高度（Height)、面積（Area）、偏移（Offset）。任何不良品都應(yīng)在此階段清洗并重新印刷，避免缺陷流入后續(xù)工序。

4. BGA貼裝 (Component Placement)

• 目的：將BGA精確地貼裝到已印刷焊膏的PCB對應(yīng)位置上。

• 貼片機：高精度多功能貼片機。

• 對中系統(tǒng)：采用底部視覺系統(tǒng)。相機透過向上的鏡頭識別PCB上的基準(zhǔn)點（Fiducial Mark）。同時，貼片頭上的相機通過識別BGA底部的焊球圖像來進行精確定位。機器視覺系統(tǒng)計算出中心坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度后，吸嘴將BGA精準(zhǔn)貼放。

• 貼裝壓力：壓力需輕柔且可調(diào)，過大壓力會擠壓焊膏導(dǎo)致橋連，或壓壞焊球。

5. 回流焊接 (Reflow Soldering)

• 目的：通過加熱使焊膏熔化，形成冶金結(jié)合，實現(xiàn)BGA焊球與PCB焊盤的可靠連接。這是BGA工藝中最核心的環(huán)節(jié)。

• 回流焊爐：通常為8-12個溫區(qū)的強制熱風(fēng)對流爐。

• 溫度曲線 (Temperature Profile)：這是工藝控制的靈魂，必須根據(jù)焊膏規(guī)格、PCB厚度和元件大小進行精確設(shè)定和實時監(jiān)控。一個典型無鉛回流焊曲線包括四個階段：

1. 預(yù)熱區(qū) (Ramp)：緩慢升溫，激活助焊劑，蒸發(fā)溶劑。

2. 均熱/浸泡區(qū) (Soak)：使PCB上所有區(qū)域和元件溫度趨于均勻，減少溫差。

3. 回流區(qū) (Reflow)：溫度迅速升高至峰值溫度（無鉛約240-250°C），使焊膏完全熔化，形成焊點。液相線以上時間（TAL） 是關(guān)鍵參數(shù)，通常為45-90秒。

4. 冷卻區(qū) (Cooling)：控制冷卻速率，形成光亮、結(jié)構(gòu)致密的焊點。過慢的冷卻會導(dǎo)致焊點結(jié)晶顆粒粗大，影響強度；過快則可能導(dǎo)致元件熱應(yīng)力裂紋。

6. 清洗 (Cleaning) - 可選深圳市合明科技有限公司水基清洗劑系列產(chǎn)品

• 目的：去除焊接后殘留的助焊劑。對于高性能或高可靠性產(chǎn)品（如醫(yī)療、航空），清洗是必須的，以防止離子殘留導(dǎo)致電路腐蝕或漏電。

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7. 檢測與測試 (Inspection & Testing)

由于BGA焊點隱藏在封裝體下方，無法用肉眼或AOI直接觀察，因此需要特殊方法：

• 非破壞性檢測：

• X-Ray 檢測 (2D/3D AXI)：最主要的手段。可以清晰地透視看到焊點的數(shù)量、位置、形狀、大小以及內(nèi)部是否存在橋連、虛焊、空洞等缺陷。3D X-Ray還能測量焊點高度。

• 聲學(xué)顯微掃描 (C-SAM)：用于檢測封裝內(nèi)部（芯片與基板之間）的分層、裂紋等缺陷。

• 電性能測試：

• 在線測試 (ICT) 和 功能測試 (FCT)：最終確保所有焊點電氣連接正確，產(chǎn)品功能正常。

8. 返修 (Rework)

• 當(dāng)檢測出不良BGA時，需要使用專用的BGA返修站。

• 流程：局部加熱（上下熱風(fēng)或紅外）熔化焊點 -> 取下失效BGA -> 清理焊盤 -> 植球（或更換新BGA） -> 重新涂敷焊膏或助焊劑 -> 貼裝新BGA -> 局部回流焊接 -> 再次檢測。

三、關(guān)鍵工藝挑戰(zhàn)與常見缺陷

1. 焊點空洞 (Voids)：焊點內(nèi)部的氣孔。主要由助焊劑揮發(fā)、焊膏氧化或鍍層問題引起。小空洞通?？山邮埽罂斩椿蛭挥谶B接界面處的空洞會影響機械強度和導(dǎo)熱/導(dǎo)電性。

2. 虛焊/冷焊 (Non-Wet / Cold Solder)：焊料未與焊盤形成良好的IMC（金屬間化合物）層。原因可能是溫度不足、氧化或污染。

3. 橋連 (Bridging)：相鄰焊球之間的焊料連接導(dǎo)致短路。通常由焊膏印刷不良、焊膏塌陷或貼片偏移引起。

4. 焊球翹立 (Head-in-Pillow, HIP)：像“枕頭”一樣，BGA的焊球和PCB上的焊膏沒有完全熔合。成因復(fù)雜，與翹曲、氧化、溫度曲線都有關(guān)。

5. PCB或BGA翹曲 (Warpage)：在回流焊高溫下，PCB和BGA封裝可能會發(fā)生翹曲，導(dǎo)致局部焊點無法接觸，形成開路或HIP缺陷。

6. 應(yīng)力裂紋：產(chǎn)品在使用中受到機械或熱應(yīng)力，BGA角落的焊點最容易發(fā)生疲勞裂紋。

總結(jié)

BGA板級裝聯(lián)是一項高度精密和系統(tǒng)化的工藝。其成功依賴于全過程控制，從來料檢驗、焊膏印刷到精確的回流焊溫度曲線，每一個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要。SPI和X-Ray等檢測技術(shù)是實現(xiàn)高良率不可或缺的眼睛。隨著芯片I/O數(shù)持續(xù)增加和焊球間距不斷縮?。ㄈ?.3mm pitch以下），對工藝設(shè)備精度和材料科學(xué)的要求也將越來越高，向更先進的3D IC封裝（如CoWoS, SoIC）和晶圓級封裝（WLP）演進。

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水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點質(zhì)量降低、焊接時焊點拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

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