BGA連接器植球工藝研究

摘要：球柵陣列（Ball Grid Array，BGA）封裝具有體積小、引腳密度高、信號完整性和散熱性能佳等優點，因而廣泛應用于大規模集成電路的封裝領域。植球工藝作為BGA封裝（連接器）生產中的關鍵工藝會直接影響器件與電路的性能及可靠性，現從植球工藝路線、BGA連接器設計要求、植球工藝參數及關鍵技術、試驗及檢測要求等幾個方面，闡述了影響BGA連接器植球工藝實現的各種因素，借以提高BGA連接器產品的可靠性及穩定性。

關鍵詞：BGA連接器;植球工藝;植球試驗及檢測;回流焊接;激光植球

中圖分類號：TN605" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0072-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.018

0" " 引言

隨著電子技術的不斷發展，輕、薄、短、小已經成為電子產品發展的主流方向，這就給PCB封裝帶來了新的挑戰，而球柵陣列（BGA）正是滿足這種高I/O數的封裝要求的技術。BGA封裝即球柵陣列封裝，它是在封裝體（連接器）與PCB板連接面按陣列的方式引出焊料，在PCB板面對應位置設置圓形焊盤，通過回流焊等方式將元件與PCB板焊接的封裝工藝。BGA封裝具有高密度、小間距、高傳輸速率等特點，廣泛應用于航空航天、數字通信等領域[1]。BGA封裝是PCB制造中焊接要求最高的封裝工藝。

植球工藝作為BGA連接器生產中的關鍵工藝會直接影響器件與電路的性能及可靠性。本文將通過對植球工藝的影響因素進行分析研究，總結BGA連接器的設計要求、關鍵植球工藝參數以及相關的檢驗測試要求，供相關研究和生產制造人員參考。

1" " 植球工藝原理

BGA連接器的植球工藝是指通過專用設備及工裝使BGA焊球融化，并與接觸件引腳或印制板焊盤熔接在一起，形成牢固連接的工藝操作過程。根據收集的相關資料，BGA連接器植球能力的實現主要通過熱植球和激光植球兩種方式，其工作原理及工藝路線如下。

1.1" " 熱植球工藝原理

熱植球是預先將焊料投放至焊盤位置，再通過加熱將焊料融化焊接至焊盤，可實現多點同時植球。植球過程包括焊盤清潔、涂覆助焊膏、投放錫球、加熱植球、焊點檢查清潔、焊點檢測等步驟，具體工藝路線如圖1所示。

1.2" " 激光植球工藝原理

激光植球無須預先涂覆助焊劑、投放錫球和加熱焊接，錫球通過分球圓盤逐一送入噴嘴，利用脈沖激光高峰值功率瞬間將錫球融化，并以一定氣壓壓力將熔融后的錫球噴射到工件表面，快速冷卻，如圖2所示。

2" " BGA連接器植球工藝的影響因素

2.1" " 設計因素

2.1.1" " 接觸件的材料及鍍層

在兼顧連接器機械、環境性能的前提下，連接器的信號接觸件應選用導電性能良好的銅合金材料，并對其表面工藝進行嚴格控制，以減小連接器在信號傳輸過程中高頻分量的衰減。

為避免產品植球過程以及焊接使用過程中出現虛焊等不良情況，接觸件尾部焊接區域應采用可焊性較好的鍍覆工藝，常見的選擇有鍍金、鍍錫、鍍可焊鎳等。其中接觸件鍍層選擇鍍金時需考慮到除金要求，焊接區金層厚度一般不超過0.8 μm，鍍層在0.8～1.27 μm需進行一次除金處理，超過1.27 μm應進行兩次除金處理[2]。

2.1.2" " 阻焊設計

為防止產品植球以及焊接過程中出現焊料爬升遷移現象，導致焊點焊料不足，連接器設計時應考慮阻焊設計，常見的阻焊設計包括接觸件鍍層設計以及連接器結構設計。

接觸件鍍層阻焊設計：在接觸件對接區與焊接區之間設置可焊性較差的鍍鎳層進行隔離，為保證良好的阻焊效果，鍍鎳層長度推薦設置在1 mm以上。

連接器阻焊結構設計：接觸件設計時可通過與塑膠零件過盈配合，或采用Insert Molding、灌膠等方式實現連接器結構上的阻焊設計。

2.1.3" " 錫球尺寸選擇及接觸件焊盤設計

錫球的尺寸選擇通常由產品的接觸件節距決定，植球的焊盤直徑應略小于焊球直徑，表1展示了0.3～0.75 mm錫球所適用的產品節距以及植球焊盤尺寸推薦值[3]。

2.2" " 植球工藝參數

2.2.1" " 熱植球工藝參數

從熱植球工藝路線分析，影響熱植球的主要參數為時間—溫度曲線。熱植球參數與選用的加熱設備相關，為保證植球過程中溫度的精確調控，熱植球通常采用十溫區以上的回流焊爐進行。常見的錫鉛焊料以及無鉛焊料適用的植球溫度曲線如圖3及表2、表3所示。

對于錫鉛焊料，業界對其成分的共識是：SnPb37共晶焊料，熔點為183 ℃。根據相關驗證結果，需要將溫度維持在190～225 ℃（溫差是35 ℃），以達到良好的植球效果。

對于無鉛焊料，常用的為錫銀銅焊料，焊料包含3%～4%的銀、0.5%～0.7%的銅，其余為錫。這些合金的熔點為210～220 ℃，而連接器結構中的塑膠零件限制了溫度曲線的最高溫度，為了能適應這些限制，防止塑膠發生熱變形，無鉛焊料熱植球的峰值溫度應該保持在245 ℃以下[4]。

如溫度曲線設置不當，會造成植球后虛焊、錫球空洞、錫球氧化等缺陷。在BGA連接器的實際生產過程中，需要根據連接器的結構、采用的助焊膏種類等進行綜合考慮，設置最佳的植球溫度曲線。

2.2.2" " 激光植球工藝參數

激光植球是通過激光束將錫球融化后，利用一定氣壓的氮氣將錫球噴到焊盤上。影響植球效果的工藝參數主要包括激光的能量、噴球時的氣壓以及噴嘴距離焊盤的高度等。激光植球的參數與使用的設備相關，針對驗證結果對激光植球參數有以下結論：

（1）無鉛錫球所需激光功率大于有鉛錫球。（2）錫球直徑越大，所需激光功率和時間越大。（3）當激光功率過大時，會導致焊盤燒焦發黑現象，從而導致虛焊等問題。（4）噴球時氣壓與錫球直徑、噴嘴直徑、噴嘴距離焊盤位置相關;錫球越大、噴嘴直徑越大、噴嘴距離焊盤越遠時，所需的氣壓越大。（5）噴嘴與焊盤的距離主要由錫球直徑以及焊盤大小決定。噴嘴距焊盤較遠時會出現錫球偏移、虛焊等現象。

3" " 植球工藝的關鍵技術

結合應用場景分析，BGA連接器多為芯數多、節距小的產品，根據熱植球工藝路線，植球工藝過程的難點在于如何實現將多個錫球投放到指定位置，保證植球過程中不出現缺球、多球、投放歪斜現象。

根據連接器結構以及試制和批產需求，錫球投放過程可采用手工治具或自動化設備實現。

3.1" " 手工治具投放錫球

針對連接器芯數相對較少、錫球相對較大的產品以及前期產品試制過程，可通過手工治具的方式投放錫球，主要過程如下：

（1）錫球載板按產品排列進行開沉孔，開孔直徑略大于錫球直徑，開孔深度為一個錫球直徑。（2）將固定框放在錫球載板上后將錫球撒入固定框內，通過振動、毛刷等方式使錫球落入錫球載板對應開孔內，通過對開孔尺寸的控制保證每個孔位內有且僅有一顆錫球。（3）移除固定框，掃去多余錫球，檢查錫球載板內是否均有錫球。（4）將需要植球的產品通過工裝定位后倒扣在錫球載板上，翻轉工裝，通過振動加壓等方式使錫球落到定位后的產品焊盤上。（5）檢查產品上每個點位是否均有錫球，合格后送入回流爐進行加熱植球。

3.2" " 自動化設備植球

依靠手工治具進行植球無法保證所有錫球均投放到位，當芯數較多、錫球較小、產品節距較小，或產品批量生產時，依靠手工治具無法滿足需求，可采用自動化設備完成植球過程，主要過程如下：

（1）手動上料：將需要植球的產品放至植球機工作臺上。

（2）植球工位移動：將需要植球的產品移動到對應工站完成涂助焊膏、植球、檢測等工序。

（3）涂助焊膏（蘸膠、點膠）：按照產品加工印制錫膏的鋼網，通過刮刀將助焊膏涂到陶瓷基板上，再通過彈性針頭將助焊膏轉移到產品上，如圖4所示。

（4）投放錫球：

a）鋪球：通過振動、吹氣、毛刷等方式將錫球投放到載板上;

b）吸球：通過真空吸嘴吸取每一顆錫球;

c）檢測：通過CCD檢測設備檢查真空吸嘴上有無缺球、多球、廢球，出現缺球將錫球轉移至廢球收納盒;

d）投放錫球：檢測ok的錫球通過真空吸嘴轉移至產品上，如圖5所示。

（5）出料：檢測植球完成后產品有無缺球、歪斜等不良情況，然后轉移至回流爐進行加熱植球。

4" " BGA連接器試驗及檢測

BGA連接器在植球完成后除進行外觀檢查外，還應包括錫球共面度、拉脫力、剪切力、可焊性、焊接缺陷等檢測[5]，具體檢測要求如下：

（1）錫球共面度：是指錫球每個頂點和基座平面之間距離之差的最大值，如圖6所示。除另有規定外，BGA焊球共面度大于150 μm，則應視為不合格。

（2）錫球拉脫力：是指施加于焊球垂直于器件表面并將錫球從該表面拉脫的力，如圖7所示。

焊球拉脫力隨焊球類型、焊球大小、焊盤大小而變化，表4列出了常見錫球拉脫強度推薦值。

（3）錫球剪切力：是指施加于焊球上平行于器件表面的推力，如圖8所示。

焊球最大剪切力隨焊球類型、焊球大小、焊盤大小而變化，表5列出了常見錫球剪切強度推薦值。

（4）可焊性：可焊性試驗是通過模擬BGA表面焊接工藝，評估或判定器件可焊性能力。BGA連接器經回流焊接后應符合以下要求：

a）焊球之間無粘連、橋接現象;

b）焊球浸潤部分表面連續覆蓋新焊料涂層的面積大于95%。

（5）焊接缺陷檢測：植球后產品應無虛焊、焊球歪斜、焊球空洞、焊料橋接、焊盤開裂等不良情況。

5" " 結束語

本文針對熱植球以及激光植球兩種工藝路線介紹了BGA連接器的植球工藝，總結了植球工藝過程中的主要工藝參數和關鍵技術的解決方法，并針對植球工藝提出了對BGA連接器的設計要求以及植球工藝相關的主要檢測項目和檢測標準。

隨著電子元器件的快速發展，BGA連接器也會向更高密度、更小型化的方向發展。影響植球效果的影響因素很多，除了文中提到的主要工藝參數以外，助焊劑的種類及用量、器件結構及材料、操作環境等多種因素都會對植球效果產生影響。這就需要研究人員不斷探索，運用專業能力靈活解決產品設計、生產、測試過程中的各種問題，以保證BGA產品的可靠性和穩定性。

[參考文獻]

[1] 黎全英.BGA封裝的焊接技術[J].通信技術，2008（9）：235-237.

[2] 電子元器件搪錫工藝技術要求：QJ 3267—2006[S].

[3] BGA設計與組裝工藝的實施：IPC 7095D—2019[S].

[4] 任康，焦超鋒，何睿，等.連接器焊接故障分析[J].電子工藝技術，2015，36（1）：18-20.

[5] 球柵陣列（BGA）試驗方法：GJB 7677—2012[S].

收稿日期：2023-04-12

作者簡介：劉樂（1995—），男，江蘇徐州人，助理工程師，研究方向：連接器及組件工藝。