電路板焊接

BGA焊接採用的迴流焊的原理。這裏介紹一下錫球在焊接過程中的迴流機理。

當錫球至於一個加熱的環境中，錫球迴流分為三個階段：

首先，用於達到所需粘度和絲印性能的溶劑開始蒸發，温度上升必需慢（大約每秒5° C），以限制沸騰和飛濺，防止形成小錫珠，還有，一些元件對內部應力比較敏感，如果元件外部温度上升太快，會造成斷裂。

助焊劑（膏）活躍，化學清洗行動開始，水溶性助焊劑（膏）和免洗型助焊劑（膏）都會發生同樣的清洗行動，只不過温度稍微不同。將金屬氧化物和某些污染從即將結合的金屬和焊錫顆粒上清除。好的冶金學上的錫焊點要求“清潔”的表面。

當温度繼續上升，焊錫顆粒首先單獨熔化，並開始液化和表面吸錫的“燈草”過程。這樣在所有可能的表面上覆蓋，並開始形成錫焊點。

這個階段最為重要，當單個的焊錫顆粒全部熔化後，結合一起形成液態錫，這時表面張力作用開始形成焊腳表面，如果元件引腳與PCB焊盤的間隙超過4mil（1 mil = 千分之一英寸），則極可能由於表面張力使引腳和焊盤分開，即造成錫點開路。

冷卻階段，如果冷卻快，錫點強度會稍微大一點，但不可以太快否則會引起元件內部的温度應力。

對於BGA的焊接，我們是採用BGA Rework Station（BGA返修工作站）進行焊接的。不同廠商生產的BGA返修工作站採用的工藝原理略有不同，但大致是相同的。這裏先介紹一下温度曲線的概念。BGA上的錫球，分為無鉛和有鉛兩種。有鉛的錫球熔點在183℃～220℃，無鉛的錫球熔點在235℃～245℃.

從以上兩個曲線可以看出，焊接大致分為預熱，保温，迴流，冷卻四個區間（不同的BGA返修工做站略有不同）無論有鉛焊接還是無鉛焊接，錫球融化階段都是在迴流區，只是温度有所不同，迴流以前的曲線可以看作一個緩慢升温和保温的過程。明白了這個基本原理，任何BGA返修工作站都可以以此類推。這裏，介紹一下這幾個温區：

也叫斜坡區，用來將PCB的温度從周圍環境温度提升到所須的活性温度。在這個區，電路板和元器件的熱容不同，他們的實際温度提升速率不同。電路板和元器件的温度應不超過每秒2～5℃速度連續上升，如果過快，會產生熱衝擊，電路板和元器件都可能受損，如陶瓷電容的細微裂紋。而温度上升太慢，焊膏會感温過度，溶劑揮發不充分，影響焊接質量。爐的預熱區一般佔整個加熱區長度的15～25 %。

有時叫做乾燥或浸濕區，這個區一般佔加熱區的30 ～ 50 %。活性區的主要目的是使PCB上各元件的温度趨於穩定，儘量減少温差。在這個區域裏給予足夠的時間使熱容大的元器件的温度趕上較小元件，並保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發。到活性區結束，焊盤、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去，整個電路板的温度達到平衡。應注意的是PCB上所有元件在這一區結束時應具有相同的温度，否則進入到迴流區將會因為各部分温度不均產生各種不良焊接現象。一般普遍的活性温度範圍是120～150℃，如果活性區的温度設定太高，助焊劑（膏）沒有足夠的時間活性化，温度曲線的斜率是一個向上遞增的斜率。雖然有的焊膏製造商允許活性化期間一些温度的增加，但是理想的温度曲線應當是平穩的温度。

有時叫做峯值區或最後升温區，這個區的作用是將PCB的温度從活性温度提高到所推薦的峯值温度。活性温度總是比合金的熔點温度低一點，而峯值温度總是在熔點上。典型的峯值温度範圍是焊膏合金的熔點温度加40℃左右，迴流區工作時間範圍是20 - 50s。這個區的温度設定太高會使其温升斜率超過每秒2～5℃，或使迴流峯值温度比推薦的高，或工作時間太長可能引起PCB的過分捲曲、脱層或燒損，並損害元件的完整性。迴流峯值温度比推薦的低，工作時間太短可能出現冷焊等缺陷。

這個區中焊膏的錫合金粉末已經熔化並充分潤濕被連接表面，應該用盡可能快的速度來進行冷卻，這樣將有助於合金晶體的形成，得到明亮的焊點，並有較好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會導致電路板的雜質更多分解而進入錫中,從而產生灰暗粗糙的焊點。在極端的情形下，其可能引起沾錫不良和減弱焊點結合力。冷卻段降温速率一般為3～10 ℃/ S。

在焊接BGA之前，PCB和BGA都要在80℃～90℃，10～20小時的條件下在恆温烤箱中烘烤，目的是除潮，更具受潮程度不同適當調節烘烤温度和時間。沒有拆封的PCB和BGA可以直接進行焊接。特別指出，在進行以下所有操作時，要佩戴靜電環或者防靜電手套，避免靜電對芯片可能造成的損害。在焊接BGA之前，要將BGA準確的對準在PCB上的焊盤上。這裏採用兩種方法：光學對位和手工對位。主要採用的手工對位，即將BGA的四周和PCB上焊盤四周的絲印線對齊。這裏有個訣竅：在把BGA和絲印線對齊的過程中，即使沒有完全對齊，即使錫球和焊盤偏離30%左右，依然可以進行焊接。因為錫球在融化過程中，會因為它和焊盤之間的張力而自動和焊盤對齊。在完成對齊的操作以後，將PCB放在BGA返修工作站的支架上，將其固定，使其和BGA返修工作站水平。選擇合適的熱風噴嘴（即噴嘴大小比BGA大小略大），然後選擇對應的温度曲線，啓動焊接，待温度曲線完畢，冷卻，便完成了BGA的焊接。

在生產和調試過程中，難免會因為BGA損壞或者其他原因更換BGA。BGA返修工作站同樣可以完成拆卸BGA的工作。拆卸BGA可以看作是焊接BGA的逆向過程。所不同的是，待温度曲線完畢後，要用真空吸筆將BGA吸走，之所以不用其他工具，比如鑷子，是因為要避免因為用力過大損壞焊盤。將取下BGA的PCB趁熱進行除錫操作（將焊盤上的錫除去），為什麼要趁熱進行操作呢？因為熱的PCB相當與預熱的功能，可以保證除錫的工作更加容易。這裏要用到吸錫線，操作過程中不要用力過大，以免損壞焊盤，保證PCB上焊盤平整後，便可以進行焊接BGA的操作了。

取下的BGA可否再次進行焊接呢？答案是肯定的。但在這之前有個關鍵步驟，那就是植球。植球的目的就是將錫球重新植在BGA的焊盤上，可以達到和新BGA同樣的排列效果。這裏詳細介紹下植球。這裏要用到兩個工具鋼網和吸錫線。

首先我們要把BGA上多餘的錫渣除去，要求是要使BGA表面光滑，無任何毛刺（錫形成的）。

第一步——塗抹助焊膏（劑）

把BGA放在導電墊上，在BGA表面塗抹少量的助焊膏（劑）。

第二步——除去錫球

用吸錫線和烙鐵從BGA上移除錫球。在助焊膏上放置吸錫線把烙鐵放在吸錫線上面

在你在BGA表面划動洗錫線之前，讓烙鐵加熱吸錫線並且熔化錫球。

注意：不要讓烙鐵壓在表面上。過多的壓力會讓表面上產生裂縫者刮掉焊盤。為了達到最好的效果，最好用吸錫線一次就通過BGA表面。少量的助焊膏留在焊盤上會使植球更容易。

第三步——清洗

立即用工業酒精（洗板水）清理BGA表面，在這個時候及時清理能使殘留助焊膏更容易除去。

利用摩擦運動除去在BGA表面的助焊膏。保持移動清洗。清洗的時候總是從邊緣開始，不要忘了角落。

清洗每一個BGA時要用乾淨的溶劑

第四步——檢查

推薦在顯微鏡下進行檢查。觀察干淨的焊盤，損壞的焊盤及沒有移除的錫球。

注意：由於助焊劑的腐蝕性，推薦如果沒有立即進行植球要進行額外清洗。

第五步——過量清洗

用去離子水和毛刷在BGA表面用力擦洗。

注意：為了達到最好的清洗效果，用毛刷從封裝表面的一個方向朝一個角落進行來回洗。循環擦洗。

第六步——沖洗

用去離子水和毛刷在BGA表面進行沖洗。這有助於殘留的焊膏從BGA表面移除去。

接下來讓BGA在空氣中風乾。用第4步反覆檢查BGA表面。

如果在植球前BGA被放置了一段時間，可以基本上確保它們是非常乾淨的了。不推薦把BGA放在水裏浸泡太長的時間。

在進行完以上操作後，就可以植球了。這裏要用到鋼網和植台。

鋼網的作用就是可以很容易的將錫球放到BGA對應的焊盤上。植球枱的作用就是將BGA上錫球熔化，使其固定在焊盤上。植球的時候，首先在BGA表面（有焊盤的那面）均勻的塗抹一層助焊膏（劑），塗抹量要做到不多不少。塗抹量多了或者少了都有可能造成植球失敗。將鋼網（這裏採用的是萬能鋼網）上每一個孔與BGA上每一個焊盤對齊。然後將錫球均與的倒在鋼網上，用毛刷或其他工具將錫球撥進鋼網的每一個孔裏，錫球就會順着孔到達BGA的焊盤上。進行完這一步後，仔細檢查有沒有和焊盤沒對齊的錫球，如果有，用針頭將其撥正。小心的將鋼網取下，將BGA放在高温紙上，放到植球枱上。植球枱的温度設定是依據有鉛錫球220℃，無鉛錫球235℃來設定的。植球的時間不是固定的。實際上是根據當BGA上錫球都熔化並表面發亮，成完整的球形的時候來判定的，這些通過肉眼來觀察。可以記錄達到這樣的狀態所用時間，下次植球按照這個時間進行即可。

BGA植球是一個需要耐心和細心的工作，進行操作的時候要仔

細認真。

1.3國內外水平現狀

BGA（Ball Grid Array Package）是這幾年最流行的封裝形式

它的出現可以大大提高芯片的集成度和可製造性。由於中國在

BGA焊接技術方面起步較晚，國內能製造BGA返修工作站的廠

家也不多，因此，BGA返修工作站在國內比較少，尤其是在西部。

有着光學對位，X-RAY功能的BGA返修站就更為少見，或許後期中國在X-RAY的返修站能夠多多建立，東部的檢測有個英華檢測提供這個方面的檢測，下面看技術方面吧！

1.4 解決的技術難點

在實際的工作當中，會遇到不同大小，不同厚度的PC不同大

小的BGA，有采用無鉛焊接的也有采用有鉛焊接的。它們採用的温度曲線也不同。因此，不可能用一種温度曲線來焊接所有的BGA。如何根據條件的不同來設定不同的温度曲線，這就是在BGA焊接過程中的關鍵。這裏給出幾組圖片加以説明。

造成温度不對的原因有很多，還有一個原因就是在測試温度曲線的時候，都是在空調環境下進行的，也就是説不是常温。夏天和冬天空調造成温度和常温不符合，因此在設定BGA温度曲線的時候會偏高或偏低。所以在每次進行焊接的時候，都要測試實際温度是否符合所設定的温度值。温度設定的原理就是首先根據是有鉛焊接或者無鉛焊接設定相應温度，然後用温度計（或者熱電偶）測試實際温度，然後根據實際温度調節設定的温度，使之達到最理想的温度進行焊接。在焊接的過程中，一定要保證BGA返修工作站，PCB，BGA在同一水平線上，焊接過程中不能發生震動，不然會使錫球融化的時候發生橋接，造成短路。

PCB板的設計一般好的板子不僅節約材料，而且各方面的電氣特性也是很好的，比如散熱、防干擾等。

對電路板焊接焊接質量的檢查方法有目視法、紅外探測法、在線測試法等。在這幾種方法中,最經濟、最常用的是目視法,它經濟方便、簡單可行。其它幾種方法需一定的設備支持。它們雖投資較大,但可保證高的檢查可靠性。 ^[1] 

1目視法

目視法靠人的眼睛直接觀察焊點表面的焊接情況,可檢查出潤濕性不良、焊錫量不適宜、焊盤脱落、橋接、小錫球濺出、焊點無光澤以及漏焊等焊接缺陷。目視法最簡易的工具是放大鏡,一般使用帶燈的5~10倍固定式放大鏡。它完全適用於密度不高的電路板焊接的檢查。這種工具的缺點是檢查人員易疲勞,而較好的目視檢查儀器是攝像式屏幕顯示檢查儀,它的放大倍數可調,最多可達80一90倍。它通過CCD把板子的焊接部位顯示在屏幕上,人們可以像看電視一樣觀察屏幕。較高檔次的檢查儀可在兩個方向自動移動電路板焊接,也可自動定位,實現對PCBA關鍵部位的檢查。配上錄像機,可記錄檢查結果。 ^[1] 

2紅外探測法

紅外探測法利用紅外光束向電路板焊接焊點輻射熱量,再檢測焊點熱量釋放曲線是否正常,從而判別該焊點內部是否有空洞,達到間接檢查焊接質量的目的。這種檢查方法適合於大批量、自動焊接,且焊盤一致性好、元器件體積差別不大的情況。否則,其它因素對於焊點散熱特性影響太大.誤檢率就會增大。由於這種檢測方法受到的限制條件較多,畢竟任何一種電路板焊接的焊點大小都會有差別。因此,在電子產品檢測中應用較少。 ^[1] 

3X光透視法

X光透視法利用X光透過焊料的能力沒有透過銅、硅、FR一4等材料的能力強的特點來顯示焊接厚度、形狀及質量的密度分佈等。這種檢測方法適用於看不到的焊點(即隱性焊接)。它將待測電路板焊接置於X光的通道中,在顯示屏上可以看出焊點焊料阻礙X光通過所形成的焊點輪廓。 ^[1] 

4在線測試法

在線測試法是用在線測試儀實現的,它通過測試儀上稱作“針牀”的信號連接部件把電路板焊接上的測試點與測試儀連通。可以檢查電路板焊接的開路、短路及故障元件,也可檢查元件的功能,如電阻電容的數值、晶體管的極性等。通過IC的浮腳測試方法可檢查出IC的虛焊管腳。如果電路板的元器件密度大,不好設置所需的測試點,可以利用邊界掃描技術,把那些測試點通過設計的測試電路彙集到電路板焊接的邊緣連接器,使在線測試儀能測到所需的各個位置的點。

在線測試法是一種電信號測試法。它可以檢查電路板焊接的焊裝狀態,這種檢查非常接近於實用情況,一般經過在線測試的電路板焊接就可以裝機使用,但它不能給出焊裝的質量結果,沒有直觀地進行焊點可靠性檢查 ^[1] 

1、電路板孔的可焊性影響焊接質量

電路板孔可焊性不好，將會產生虛焊缺陷，影響電路中元件的參數，導致多層板元器件和 內層線導通不穩定，引起整個電路功能失效。所謂可焊性就是金屬表面被 熔融焊料潤濕的性質，即焊料所在金屬表面形成一層相對均勻的連續的光滑的附着薄膜。影響印刷電路板可焊性的因素主要有：（1）焊料的成份和被焊料的性質。 焊料是焊接化學處理過程中重要的組成部分，它由含有助焊劑的化學材料組成，常用的低熔點共熔金屬為Sn-Pb或Sn-Pb-Ag.其中雜質含量要有一定的 分比控制，以防雜質產生的氧化物被助焊劑溶解。焊劑的功能是通過傳遞熱量，去除鏽蝕來幫助焊料潤濕被焊板電路表面。一般採用白松香和異丙醇溶劑。（2）焊 接温度和金屬板表面清潔程度也會影響可焊性。温度過高，則焊料擴散速度加快，此時具有很高的活性，會使電路板和焊料溶融表面迅速氧化，產生焊接缺陷，電路 板表面受污染也會影響可焊性從而產生缺陷，這些缺陷包括錫珠、錫球、開路、光澤度不好等。

2、翹曲產生的焊接缺陷

電路板和元器件在焊接過程中產生翹曲，由於應力變形而產生虛焊、短路等缺陷。翹曲往往是由於電路板的上下部分温度不平衡造成的。對大的PCB,由於板自 身重量下墜也會產生翹曲。普通的PBGA器件距離印刷電路板約0.5mm,如果電路板上器件較大，隨着線路板降温後恢復正常形狀，焊點將長時間處於應力作 用之下，如果器件抬高0.1mm就足以導致虛焊開路。

3、電路板的設計影響焊接質量

在佈局上，電路板尺寸過大時，雖然焊接較容易控制，但印刷線條長，阻抗增大，抗噪聲能力下降，成本 增加；過小時，則散熱下降，焊接不易控制，易出現相鄰 線條相互干擾，如線路板的電磁干擾等情況。因此，必須優化PCB板設計：（1）縮短高頻元件之間的連線、減少EMI干擾。（2）重量大的（如超過20g） 元件，應以支架固定，然後焊接。（3）發熱元件應考慮散熱問題，防止元件表面有較大的ΔT產生缺陷與返工，熱敏元件應遠離發熱源。（4）元件的排列儘可能 平行，這樣不但美觀而且易焊接，宜進行大批量生產。電路板設計為4∶3的矩形最佳。導線寬度不要突變，以避免佈線的不連續性。電路板長時間受熱時，銅箔容 易發生膨脹和脱落，因此，應避免使用大面積銅箔。 ^[2]