如何焊接 BGA 元件：分步指南
什么是BGA
BGA（球栅阵列）是一种用于集成电路 (IC) 的先进表面贴装封装。与传统的针栅阵列不同，BGA 封装使用一系列微小焊球作为连接器。这些焊球以网格状排列在封装底部，直接将 IC 连接到 PCB。
BGA 凭借其高效的布局，在更小的空间内实现更多连接，在高密度应用中性能卓越。这种封装技术尤其适用于空间有限且要求高性能的应用，例如移动设备和笔记本电脑。
为什么使用BGA封装
BGA封装在电子电路中被广泛应用，主要原因如下。首先，其网格状的焊球排列可实现更高的连接密度，使其成为复杂、高引脚数IC的理想选择。这种密度能够在更小的空间内实现更多功能，这是电子设备小型化的关键因素。
此外，BGA 具有更佳的导热性，从而实现更高效的散热，这对于高性能电子产品至关重要。由于电感更低、信号完整性更高，BGA 还具有更佳的电气性能，使其成为高速应用的首选。
BGA焊接挑战
对准和放置精度
焊接 BGA 元件面临的最关键挑战之一是实现精确的对准和放置。BGA 元件的焊球非常细小，间距也非常小，需要与 PCB 上相应的焊盘精确对准。即使是轻微的错位也可能导致连接不完整或短路。这需要使用高精度贴片机和对准技术。正确的对准不仅对于建立可靠的电气连接至关重要，而且对于确保元件在电路板上的机械稳定性也至关重要。在焊接过程开始之前，通常使用先进的光学系统来精确对准 BGA 元件。
热管理
由于过热风险可能会损坏 BGA 或 PCB，因此在 BGA 焊接过程中，有效的热管理至关重要。热量分布不均匀会导致翘曲或焊接不完全，从而导致焊点脆弱。确保整个回流焊过程中温度曲线的一致性和可控性至关重要。这包括逐步预热阶段以最大限度地减少热冲击，在回流焊阶段进行精确控制以均匀熔化焊料，以及受控冷却阶段以确保焊点正确固化。先进的回流焊炉通常具有精确的温度控制功能，可有效应对这些挑战。
检查困难
由于BGA焊点的结构，其检测面临着独特的挑战。与焊点可见的传统元件不同，BGA焊球隐藏在封装下方。这使得目视检查焊接质量变得非常困难。
为了解决这个问题，我们采用了 X 射线检测等先进技术。X 射线检测使技术人员能够透视 BGA 封装，并评估焊点是否存在空洞、桥接或焊料不足等问题。这种方法是非破坏性的，对于确保复杂电子产品中 BGA 焊接的可靠性至关重要。
焊球问题
BGA 焊接中的焊球问题是指焊球相互桥接或无法正确成型，从而导致潜在的电气短路或断路。焊膏过量或不足、回流焊温度不合适或元件处理不当都可能导致 BGA 焊接出现焊球问题。
为了防止这些问题，精确控制焊膏涂抹至关重要。此外，还需要进行准确的回流焊温度曲线测量，以确保焊料正确熔化和凝固。在焊膏涂抹和回流过程中实施严格的质量控制措施，对于最大限度地减少BGA组装中焊球问题的发生至关重要。
焊接BGA元件工艺
涂抹焊膏
在BGA焊接中，焊膏的涂抹是一个关键步骤，需要精准的工艺。使用专为PCB布局设计的模板，将焊膏精准地涂抹到PCB焊盘上。该模板确保焊膏的涂抹量适中，这对于形成牢固可靠的焊点至关重要。焊膏通常包含微小的焊球和助焊剂混合物，这有助于在回流焊接过程中，BGA元件上的焊球能够顺利回流并粘合到PCB焊盘上。
BGA元件贴装
BGA元件贴装是至关重要的一步，需要极高的精度。专业的贴片机用于将BGA元件精确定位到PCB上。这些机器使用光学系统将BGA的焊球与PCB上相应的焊盘对齐。这种对齐的精度至关重要，因为即使是轻微的错位也可能导致连接不当或短路。该工艺还需要小心处理元件，以避免焊球损坏，确保在回流焊过程中焊点可靠。
回流焊
回流焊接是 BGA 元件焊接工艺中的关键步骤。在此阶段，整个组件（包括涂有焊膏的 PCB 和精确放置的 BGA 元件）将在回流焊炉中进行受控加热。回流焊炉逐渐升温，熔化焊膏，且不会损坏元件。熔化会在 BGA 焊球和 PCB 焊盘之间形成必要的焊点。成功进行回流焊接的关键在于保持精确的温度曲线，以确保均匀的加热和冷却，从而防止焊球变形或焊接不完全等问题。
控制温度曲线
控制回流焊的温度曲线是BGA焊接工艺的关键环节。该曲线通常包括预热、均热、回流和冷却阶段，每个阶段都需要精确的温度控制以确保最佳焊接效果。预热阶段会逐渐升高PCB温度以避免热冲击，而均热阶段则使热量均匀地渗透到整个组件中。回流阶段会熔化焊膏，在BGA元件和PCB之间形成焊点。最后，受控的冷却过程使焊料固化，而不会产生应力。正确管理该曲线对于避免诸如冷焊点、空洞或过热等缺陷至关重要，这些缺陷可能会损害焊点的完整性。
品检
由于BGA元件的焊点较为隐蔽，焊接后需要进行细致的检查。通常使用X射线等先进技术来观察BGA封装的底层并评估焊点连接。该检查会检查是否存在焊点桥接、空洞或焊接不足等问题，确保每个连接都符合质量标准。在某些情况下，还可以使用自动光学检测 (AOI) 进行表面检测。这一阶段对于确保组装好的PCB的可靠性和功能性至关重要。
返修
识别缺陷
识别BGA焊接缺陷对于确定是否需要返工至关重要。常见缺陷包括焊锡桥接、空洞或焊锡不足导致焊点脆弱。X射线成像等先进检测技术通常用于此目的，因为它们可以清晰地观察BGA封装下方肉眼无法观察到的焊点。X射线检测通过提供清晰的焊点图像，有助于检测内部缺陷，使技术人员能够精确定位需要返工的具体问题。
移除BGA元件
从 PCB 上移除 BGA 元件需要精准且谨慎的操作。此过程通常需要使用热风返工台或红外焊接系统。这些设备用于将 BGA 元件均匀加热至焊料的熔点，确保整个元件均受热，且不会使任何特定区域过热。焊料熔化后，即可轻轻地将元件从电路板上取下。在此过程中，保持 PCB 的完整性至关重要，避免损坏焊盘或走线。此外，还需要适当的隔热措施，以保护附近的其他元件免受过热影响。