電路板焊接工藝技術(shù)原理

BGA焊接采用的回流焊的原理。這里介紹一下錫球在焊接過(guò)程中的回流機(jī)理。

當(dāng)錫球至于一個(gè)加熱的環(huán)境中，錫球回流分為三個(gè)階段：

電路板焊接預(yù)熱

首先，用于達(dá)到所需粘度和絲印性能的溶劑開始蒸發(fā)，溫度上升必需慢（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(duì)內(nèi)部應(yīng)力比較敏感，如果元件外部溫度上升太快，會(huì)造成斷裂。

助焊劑（膏）活躍，化學(xué)清洗行動(dòng)開始，水溶性助焊劑（膏）和免洗型助焊劑（膏）都會(huì)發(fā)生同樣的清洗行動(dòng)，只不過(guò)溫度稍微不同。將金屬氧化物和某些污染從即將結(jié)合的金屬和焊錫顆粒上清除。好的冶金學(xué)上的錫焊點(diǎn)要求“清潔”的表面。

當(dāng)溫度繼續(xù)上升，焊錫顆粒首先單獨(dú)熔化，并開始液化和表面吸錫的“燈草”過(guò)程。這樣在所有可能的表面上覆蓋，并開始形成錫焊點(diǎn)。

電路板焊接回流

這個(gè)階段最為重要，當(dāng)單個(gè)的焊錫顆粒全部熔化后，結(jié)合一起形成液態(tài)錫，這時(shí)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(guò)4mil（1 mil = 千分之一英寸），則極可能由于表面張力使引腳和焊盤分開，即造成錫點(diǎn)開路。

電路板焊接冷卻

冷卻階段，如果冷卻快，錫點(diǎn)強(qiáng)度會(huì)稍微大一點(diǎn)，但不可以太快否則會(huì)引起元件內(nèi)部的溫度應(yīng)力。

對(duì)于BGA的焊接，我們是采用BGA Rework Station（BGA返修工作站）進(jìn)行焊接的。不同廠商生產(chǎn)的BGA返修工作站采用的工藝原理略有不同，但大致是相同的。這里先介紹一下溫度曲線的概念。BGA上的錫球，分為無(wú)鉛和有鉛兩種。有鉛的錫球熔點(diǎn)在183℃～220℃，無(wú)鉛的錫球熔點(diǎn)在235℃～245℃.

從以上兩個(gè)曲線可以看出，焊接大致分為預(yù)熱，保溫，回流，冷卻四個(gè)區(qū)間（不同的BGA返修工做站略有不同）無(wú)論有鉛焊接還是無(wú)鉛焊接，錫球融化階段都是在回流區(qū)，只是溫度有所不同，回流以前的曲線可以看作一個(gè)緩慢升溫和保溫的過(guò)程。明白了這個(gè)基本原理，任何BGA返修工作站都可以以此類推。這里，介紹一下這幾個(gè)溫區(qū)：

電路板焊接預(yù)熱區(qū)

也叫斜坡區(qū)，用來(lái)將PCB的溫度從周圍環(huán)境溫度提升到所須的活性溫度。在這個(gè)區(qū)，電路板和元器件的熱容不同，他們的實(shí)際溫度提升速率不同。電路板和元器件的溫度應(yīng)不超過(guò)每秒2～5℃速度連續(xù)上升，如果過(guò)快，會(huì)產(chǎn)生熱沖擊，電路板和元器件都可能受損，如陶瓷電容的細(xì)微裂紋。而溫度上升太慢，焊膏會(huì)感溫過(guò)度，溶劑揮發(fā)不充分，影響焊接質(zhì)量。爐的預(yù)熱區(qū)一般占整個(gè)加熱區(qū)長(zhǎng)度的15～25 %。

電路板焊接保溫區(qū)

有時(shí)叫做干燥或浸濕區(qū)，這個(gè)區(qū)一般占加熱區(qū)的30 ～ 50 %。活性區(qū)的主要目的是使PCB上各元件的溫度趨于穩(wěn)定，盡量減少溫差。在這個(gè)區(qū)域里給予足夠的時(shí)間使熱容大的元器件的溫度趕上較小元件，并保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發(fā)。到活性區(qū)結(jié)束，焊盤、焊料球及元件引腳上的氧化物被除去，整個(gè)電路板的溫度達(dá)到平衡。應(yīng)注意的是PCB上所有元件在這一區(qū)結(jié)束時(shí)應(yīng)具有相同的溫度，否則進(jìn)入到回流區(qū)將會(huì)因?yàn)楦鞑糠譁囟炔痪a(chǎn)生各種不良焊接現(xiàn)象。一般普遍的活性溫度范圍是120～150℃，如果活性區(qū)的溫度設(shè)定太高，助焊劑（膏）沒有足夠的時(shí)間活性化，溫度曲線的斜率是一個(gè)向上遞增的斜率。雖然有的焊膏制造商允許活性化期間一些溫度的增加，但是理想的溫度曲線應(yīng)當(dāng)是平穩(wěn)的溫度。

電路板焊接回流區(qū)

有時(shí)叫做峰值區(qū)或最后升溫區(qū)，這個(gè)區(qū)的作用是將PCB的溫度從活性溫度提高到所推薦的峰值溫度。活性溫度總是比合金的熔點(diǎn)溫度低一點(diǎn)，而峰值溫度總是在熔點(diǎn)上。典型的峰值溫度范圍是焊膏合金的熔點(diǎn)溫度加40℃左右，回流區(qū)工作時(shí)間范圍是20 - 50s。這個(gè)區(qū)的溫度設(shè)定太高會(huì)使其溫升斜率超過(guò)每秒2～5℃，或使回流峰值溫度比推薦的高，或工作時(shí)間太長(zhǎng)可能引起PCB的過(guò)分卷曲、脫層或燒損，并損害元件的完整性。回流峰值溫度比推薦的低，工作時(shí)間太短可能出現(xiàn)冷焊等缺陷。

電路板焊接冷卻區(qū)

這個(gè)區(qū)中焊膏的錫合金粉末已經(jīng)熔化并充分潤(rùn)濕被連接表面，應(yīng)該用盡可能快的速度來(lái)進(jìn)行冷卻，這樣將有助于合金晶體的形成，得到明亮的焊點(diǎn)，并有較好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會(huì)導(dǎo)致電路板的雜質(zhì)更多分解而進(jìn)入錫中,從而產(chǎn)生灰暗粗糙的焊點(diǎn)。在極端的情形下，其可能引起沾錫不良和減弱焊點(diǎn)結(jié)合力。冷卻段降溫速率一般為3～10 ℃/ S。

在焊接BGA之前，PCB和BGA都要在80℃～90℃，10～20小時(shí)的條件下在恒溫烤箱中烘烤，目的是除潮，更具受潮程度不同適當(dāng)調(diào)節(jié)烘烤溫度和時(shí)間。沒有拆封的PCB和BGA可以直接進(jìn)行焊接。特別指出，在進(jìn)行以下所有操作時(shí)，要佩戴靜電環(huán)或者防靜電手套，避免靜電對(duì)芯片可能造成的損害。在焊接BGA之前，要將BGA準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)在PCB上的焊盤上。這里采用兩種方法：光學(xué)對(duì)位和手工對(duì)位。主要采用的手工對(duì)位，即將BGA的四周和PCB上焊盤四周的絲印線對(duì)齊。這里有個(gè)訣竅：在把BGA和絲印線對(duì)齊的過(guò)程中，即使沒有完全對(duì)齊，即使錫球和焊盤偏離30%左右，依然可以進(jìn)行焊接。因?yàn)殄a球在融化過(guò)程中，會(huì)因?yàn)樗秃副P之間的張力而自動(dòng)和焊盤對(duì)齊。在完成對(duì)齊的操作以后，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(fēng)噴嘴（即噴嘴大小比BGA大小略大），然后選擇對(duì)應(yīng)的溫度曲線，啟動(dòng)焊接，待溫度曲線完畢，冷卻，便完成了BGA的焊接。

在生產(chǎn)和調(diào)試過(guò)程中，難免會(huì)因?yàn)锽GA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(guò)程。所不同的是，待溫度曲線完畢后，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?yàn)橐苊庖驗(yàn)橛昧^(guò)大損壞焊盤。將取下BGA的PCB趁熱進(jìn)行除錫操作（將焊盤上的錫除去），為什么要趁熱進(jìn)行操作呢？因?yàn)闊岬腜CB相當(dāng)與預(yù)熱的功能，可以保證除錫的工作更加容易。這里要用到吸錫線，操作過(guò)程中不要用力過(guò)大，以免損壞焊盤，保證PCB上焊盤平整后，便可以進(jìn)行焊接BGA的操作了。

取下的BGA可否再次進(jìn)行焊接呢？答案是肯定的。但在這之前有個(gè)關(guān)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(dá)到和新BGA同樣的排列效果。這里詳細(xì)介紹下植球。這里要用到兩個(gè)工具鋼網(wǎng)和吸錫線。

電路板焊接清除錫渣

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

第一步——涂抹助焊膏（劑）

把BGA放在導(dǎo)電墊上，在BGA表面涂抹少量的助焊膏（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表面劃動(dòng)洗錫線之前，讓烙鐵加熱吸錫線并且熔化錫球。

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

第三步——清洗

立即用工業(yè)酒精（洗板水）清理BGA表面，在這個(gè)時(shí)候及時(shí)清理能使殘留助焊膏更容易除去。

利用摩擦運(yùn)動(dòng)除去在BGA表面的助焊膏。保持移動(dòng)清洗。清洗的時(shí)候總是從邊緣開始，不要忘了角落。

清洗每一個(gè)BGA時(shí)要用干凈的溶劑

第四步——檢查

推薦在顯微鏡下進(jìn)行檢查。觀察干凈的焊盤，損壞的焊盤及沒有移除的錫球。

注意：由于助焊劑的腐蝕性，推薦如果沒有立即進(jìn)行植球要進(jìn)行額外清洗。

第五步——過(guò)量清洗

用去離子水和毛刷在BGA表面用力擦洗。

注意：為了達(dá)到最好的清洗效果，用毛刷從封裝表面的一個(gè)方向朝一個(gè)角落進(jìn)行來(lái)回洗。循環(huán)擦洗。

第六步——沖洗

用去離子水和毛刷在BGA表面進(jìn)行沖洗。這有助于殘留的焊膏從BGA表面移除去。

接下來(lái)讓BGA在空氣中風(fēng)干。用第4步反復(fù)檢查BGA表面。

如果在植球前BGA被放置了一段時(shí)間，可以基本上確保它們是非常干凈的了。不推薦把BGA放在水里浸泡太長(zhǎng)的時(shí)間。

在進(jìn)行完以上操作后，就可以植球了。這里要用到鋼網(wǎng)和植臺(tái)。

電路板焊接植球

鋼網(wǎng)的作用就是可以很容易的將錫球放到BGA對(duì)應(yīng)的焊盤上。植球臺(tái)的作用就是將BGA上錫球熔化，使其固定在焊盤上。植球的時(shí)候，首先在BGA表面（有焊盤的那面）均勻的涂抹一層助焊膏（劑），涂抹量要做到不多不少。涂抹量多了或者少了都有可能造成植球失敗。將鋼網(wǎng)（這里采用的是萬(wàn)能鋼網(wǎng)）上每一個(gè)孔與BGA上每一個(gè)焊盤對(duì)齊。然后將錫球均與的倒在鋼網(wǎng)上，用毛刷或其他工具將錫球撥進(jìn)鋼網(wǎng)的每一個(gè)孔里，錫球就會(huì)順著孔到達(dá)BGA的焊盤上。進(jìn)行完這一步后，仔細(xì)檢查有沒有和焊盤沒對(duì)齊的錫球，如果有，用針頭將其撥正。小心的將鋼網(wǎng)取下，將BGA放在高溫紙上，放到植球臺(tái)上。植球臺(tái)的溫度設(shè)定是依據(jù)有鉛錫球220℃，無(wú)鉛錫球235℃來(lái)設(shè)定的。植球的時(shí)間不是固定的。實(shí)際上是根據(jù)當(dāng)BGA上錫球都熔化并表面發(fā)亮，成完整的球形的時(shí)候來(lái)判定的，這些通過(guò)肉眼來(lái)觀察?？梢杂涗涍_(dá)到這樣的狀態(tài)所用時(shí)間，下次植球按照這個(gè)時(shí)間進(jìn)行即可。

BGA植球是一個(gè)需要耐心和細(xì)心的工作，進(jìn)行操作的時(shí)候要仔

細(xì)認(rèn)真。

1.3國(guó)內(nèi)外水平現(xiàn)狀

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

它的出現(xiàn)可以大大提高芯片的集成度和可制造性。由于中國(guó)在

BGA焊接技術(shù)方面起步較晚，國(guó)內(nèi)能制造BGA返修工作站的廠

家也不多，因此，BGA返修工作站在國(guó)內(nèi)比較少，尤其是在西部。

有著光學(xué)對(duì)位，X-RAY功能的BGA返修站就更為少見，或許后期中國(guó)在X-RAY的返修站能夠多多建立，東部的檢測(cè)有個(gè)英華檢測(cè)提供這個(gè)方面的檢測(cè)，下面看技術(shù)方面吧！

1.4 解決的技術(shù)難點(diǎn)

在實(shí)際的工作當(dāng)中，會(huì)遇到不同大小，不同厚度的PC不同大

小的BGA，有采用無(wú)鉛焊接的也有采用有鉛焊接的。它們采用的溫度曲線也不同。因此，不可能用一種溫度曲線來(lái)焊接所有的BGA。如何根據(jù)條件的不同來(lái)設(shè)定不同的溫度曲線，這就是在BGA焊接過(guò)程中的關(guān)鍵。這里給出幾組圖片加以說(shuō)明。

造成溫度不對(duì)的原因有很多，還有一個(gè)原因就是在測(cè)試溫度曲線的時(shí)候，都是在空調(diào)環(huán)境下進(jìn)行的，也就是說(shuō)不是常溫。夏天和冬天空調(diào)造成溫度和常溫不符合，因此在設(shè)定BGA溫度曲線的時(shí)候會(huì)偏高或偏低。所以在每次進(jìn)行焊接的時(shí)候，都要測(cè)試實(shí)際溫度是否符合所設(shè)定的溫度值。溫度設(shè)定的原理就是首先根據(jù)是有鉛焊接或者無(wú)鉛焊接設(shè)定相應(yīng)溫度，然后用溫度計(jì)（或者熱電偶）測(cè)試實(shí)際溫度，然后根據(jù)實(shí)際溫度調(diào)節(jié)設(shè)定的溫度，使之達(dá)到最理想的溫度進(jìn)行焊接。在焊接的過(guò)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(guò)程中不能發(fā)生震動(dòng)，不然會(huì)使錫球融化的時(shí)候發(fā)生橋接，造成短路。

PCB板的設(shè)計(jì)一般好的板子不僅節(jié)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(duì)電路板焊接焊接質(zhì)量的檢查方法有目視法、紅外探測(cè)法、在線測(cè)試法等。在這幾種方法中,最經(jīng)濟(jì)、最常用的是目視法,它經(jīng)濟(jì)方便、簡(jiǎn)單可行。其它幾種方法需一定的設(shè)備支持。它們雖投資較大,但可保證高的檢查可靠性。

1目視法

目視法靠人的眼睛直接觀察焊點(diǎn)表面的焊接情況,可檢查出潤(rùn)濕性不良、焊錫量不適宜、焊盤脫落、橋接、小錫球?yàn)R出、焊點(diǎn)無(wú)光澤以及漏焊等焊接缺陷。目視法最簡(jiǎn)易的工具是放大鏡,一般使用帶燈的5~10倍固定式放大鏡。它完全適用于密度不高的電路板焊接的檢查。這種工具的缺點(diǎn)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(shù)可調(diào),最多可達(dá)80一90倍。它通過(guò)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(gè)方向自動(dòng)移動(dòng)電路板焊接,也可自動(dòng)定位,實(shí)現(xiàn)對(duì)PCBA關(guān)鍵部位的檢查。配上錄像機(jī),可記錄檢查結(jié)果。

2紅外探測(cè)法

紅外探測(cè)法利用紅外光束向電路板焊接焊點(diǎn)輻射熱量,再檢測(cè)焊點(diǎn)熱量釋放曲線是否正常,從而判別該焊點(diǎn)內(nèi)部是否有空洞,達(dá)到間接檢查焊接質(zhì)量的目的。這種檢查方法適合于大批量、自動(dòng)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(duì)于焊點(diǎn)散熱特性影響太大.誤檢率就會(huì)增大。由于這種檢測(cè)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(diǎn)大小都會(huì)有差別。因此,在電子產(chǎn)品檢測(cè)中應(yīng)用較少。

3X光透視法

X光透視法利用X光透過(guò)焊料的能力沒有透過(guò)銅、硅、FR一4等材料的能力強(qiáng)的特點(diǎn)來(lái)顯示焊接厚度、形狀及質(zhì)量的密度分布等。這種檢測(cè)方法適用于看不到的焊點(diǎn)(即隱性焊接)。它將待測(cè)電路板焊接置于X光的通道中,在顯示屏上可以看出焊點(diǎn)焊料阻礙X光通過(guò)所形成的焊點(diǎn)輪廓。

4在線測(cè)試法

在線測(cè)試法是用在線測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)的,它通過(guò)測(cè)試儀上稱作“針床”的信號(hào)連接部件把電路板焊接上的測(cè)試點(diǎn)與測(cè)試儀連通?？梢詸z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(shù)值、晶體管的極性等。通過(guò)IC的浮腳測(cè)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(shè)置所需的測(cè)試點(diǎn),可以利用邊界掃描技術(shù),把那些測(cè)試點(diǎn)通過(guò)設(shè)計(jì)的測(cè)試電路匯集到電路板焊接的邊緣連接器,使在線測(cè)試儀能測(cè)到所需的各個(gè)位置的點(diǎn)。

在線測(cè)試法是一種電信號(hào)測(cè)試法。它可以檢查電路板焊接的焊裝狀態(tài),這種檢查非常接近于實(shí)用情況,一般經(jīng)過(guò)在線測(cè)試的電路板焊接就可以裝機(jī)使用,但它不能給出焊裝的質(zhì)量結(jié)果,沒有直觀地進(jìn)行焊點(diǎn)可靠性檢查

1、電路板孔的可焊性影響焊接質(zhì)量

電路板孔可焊性不好，將會(huì)產(chǎn)生虛焊缺陷，影響電路中元件的參數(shù)，導(dǎo)致多層板元器件和 內(nèi)層線導(dǎo)通不穩(wěn)定，引起整個(gè)電路功能失效。所謂可焊性就是金屬表面被 熔融焊料潤(rùn)濕的性質(zhì)，即焊料所在金屬表面形成一層相對(duì)均勻的連續(xù)的光滑的附著薄膜。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(zhì)。 焊料是焊接化學(xué)處理過(guò)程中重要的組成部分，它由含有助焊劑的化學(xué)材料組成，常用的低熔點(diǎn)共熔金屬為Sn-Pb或Sn-Pb-Ag.其中雜質(zhì)含量要有一定的 分比控制，以防雜質(zhì)產(chǎn)生的氧化物被助焊劑溶解。焊劑的功能是通過(guò)傳遞熱量，去除銹蝕來(lái)幫助焊料潤(rùn)濕被焊板電路表面。一般采用白松香和異丙醇溶劑。（2）焊 接溫度和金屬板表面清潔程度也會(huì)影響可焊性。溫度過(guò)高，則焊料擴(kuò)散速度加快，此時(shí)具有很高的活性，會(huì)使電路板和焊料溶融表面迅速氧化，產(chǎn)生焊接缺陷，電路 板表面受污染也會(huì)影響可焊性從而產(chǎn)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(chǎn)生的焊接缺陷

電路板和元器件在焊接過(guò)程中產(chǎn)生翹曲，由于應(yīng)力變形而產(chǎn)生虛焊、短路等缺陷。翹曲往往是由于電路板的上下部分溫度不平衡造成的。對(duì)大的PCB,由于板自 身重量下墜也會(huì)產(chǎn)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，隨著線路板降溫后恢復(fù)正常形狀，焊點(diǎn)將長(zhǎng)時(shí)間處于應(yīng)力作 用之下，如果器件抬高0.1mm就足以導(dǎo)致虛焊開路。

3、電路板的設(shè)計(jì)影響焊接質(zhì)量

在布局上，電路板尺寸過(guò)大時(shí)，雖然焊接較容易控制，但印刷線條長(zhǎng)，阻抗增大，抗噪聲能力下降，成本 增加；過(guò)小時(shí)，則散熱下降，焊接不易控制，易出現(xiàn)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(yōu)化PCB板設(shè)計(jì)：（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(guò)20g） 元件，應(yīng)以支架固定，然后焊接。（3）發(fā)熱元件應(yīng)考慮散熱問(wèn)題，防止元件表面有較大的ΔT產(chǎn)生缺陷與返工，熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱源。（4）元件的排列盡可能 平行，這樣不但美觀而且易焊接，宜進(jìn)行大批量生產(chǎn)。電路板設(shè)計(jì)為4∶3的矩形最佳。導(dǎo)線寬度不要突變，以避免布線的不連續(xù)性。電路板長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，銅箔容 易發(fā)生膨脹和脫落，因此，應(yīng)避免使用大面積銅箔。 2100433B