BGA连接器植球工艺研究

  球栅阵列（Ball Grid Array，BGA）封装具有体积小、引脚密度高、）生产中的关键工艺会直接影响器件与电路的性能及可靠性，现从植球工艺路线、BGA连接器设计的基本要求、植球工艺技术要求等几个维度，阐述了影响BGA连接器植球工艺实现的各种各样的因素，借以提高BGA连接器

  随着电子技术的持续不断的发展，轻、薄、短、小慢慢的变成了电子科技类产品发展的主流方向，这就给PCB封装带来了新的挑战，而球栅阵列（BGA）正是满足这种高I/O数的封装要求的技术。BGA封装即球栅阵列封装，它是在封装体（连接器）与PCB板连接面按阵列的方式引出焊料，在PCB板面对应位置设置圆形焊盘，通过回流焊等方式将元件与PCB板焊接的封装工艺。BGA封装具有高密度、小间距、高传输速率等特点，大范围的应用于航空航天、数字通信等领域[1]。BGA封装是PCB制造中焊接要求最高的封装工艺。

  植球工艺作为BGA连接器生产中的关键工艺会直接影响器件与电路的性能及可靠性。本文将通过对植球工艺的影响因素做多元化的分析研究，总结BGA连接器的设计的基本要求、关键植球工艺参数和相关的检验测试要求，供相关研究和生产制造人员参考。

  BGA连接器的植球工艺是指通过专用设备及工装使BGA焊球融化，并与接触件引脚或印制板焊盘熔接在一起，形成牢固连接的工艺操作的流程。根据收集的有关的资料，BGA连接器植球能力的实现主要是通过热植球和激光植球两种方式，其工作原理及工艺路线热植球工艺原理

  热植球是预先将焊料投放至焊盘位置，再通过加热将焊料融化焊接至焊盘，可实现多点同时植球。植球过程包括焊盘清洁、涂覆助焊膏、投放锡球、加热植球、焊点检查清洁、焊点检测等步骤，具体工艺路线激光植球工艺原理

  激光植球无须预先涂覆助焊剂、投放锡球和加热焊接，锡球通过分球圆盘逐一送入喷嘴，利用脉冲激光高峰值功率瞬间将锡球融化，并以一定气压压力将熔融后的锡球喷射到工件表面，快速冷却，如图2所示。

  、环境性能的前提下，连接器的信号接触件应选用导电性能好的铜合金材料，并对其表面工艺进行严控，以减小连接器在信号传输过程中高频分量的衰减。为避免产品植球过程以及焊接使用的过程中出现虚焊等不良情况，接触件尾部焊接区域应采用可焊性较好的镀覆工艺，常见的选择有镀金、镀锡、镀可焊镍等。其中接触件镀层选择镀金时需考虑到除金要求，焊接区金层厚度一般不超过0.8 μm，镀层在0.8～1.27 μm需进行一次除金处理，超过1.27 μm应进行两次除金处理[2]。

  为防止产品植球以及焊接过程中出现焊料爬升迁移现象，导致焊点焊料不足，连接器设计时应考虑阻焊设计，常见的阻焊设计包括接触件镀层设计以及连接器结构设计。接触件镀层阻焊设计：在接触件对接区与焊接区之间设置可焊性较差的镀镍层进行隔离，为保证良好的阻焊效果，镀镍层长度

  连接器阻焊结构设计：接触件设计时可通过与塑胶零件过盈配合，或采用Insert Molding、灌胶等方式实现连接器结构上的阻焊设计。

  锡球的尺寸选择通常由产品的接触件节距决定，植球的焊盘直径应略小于焊球直径，表1展示了0.3～0.75mm锡球所适用的产品节距以及植球焊盘尺寸推荐值[3]。

  从热植球工艺路线分析，影响热植球的主要参数为时间—温度曲线。热植球参数与选用的加热设备相关，为保证植球过程中温度的精确调控，热植球一般会用十温区以上的回流焊炉进行。常见的锡铅焊料以及无铅焊料适用的植球温度曲线所示。

  对于锡铅焊料，业界对其成分的共识是：SnPb37共晶焊料，熔点为183 ℃。根据相关验证结果，需要将温度维持在190～225 ℃（温差是35 ℃），以达到良好的植球效果。

  对于无铅焊料，常用的为锡银铜焊料，焊料包含3%～4%的银、0.5%～0.7%的铜，其余为锡。这些合金的熔点为210～220℃，而连接器结构中的塑胶零件限制了温度曲线的最高温度，为了能适应这些限制，防止塑胶发生热变形，无铅焊料热植球的峰值温度应保持在245 ℃以下[4]。

  如温度曲线设置不当，会造成植球后虚焊、锡球空洞、锡球氧化等缺陷。在BGA连接器的实际生产的全部过程中，应该要依据连接器的结构、采用的助焊膏种类等做综合考虑，设置最佳的植球温度曲线激光植球工艺参数

  激光植球是通过激光束将锡球融化后，利用一定气压的氮气将锡球喷到焊盘上。影响植球效果的工艺参数最重要的包含激光的能量、喷球时的气压以及喷嘴距离焊盘的高度等。激光植球的参数与使用的设备相关，针对验证结果对激光植球参数有以下结论：

  （4）喷球时气压与锡球直径、喷嘴直径、喷嘴距离焊盘位置相关；锡球越大、喷嘴直径越大、喷嘴距离焊盘越远时，所需的气压越大。

  （5）喷嘴与焊盘的距离主要由锡球直径以及焊盘大小决定。喷嘴距焊盘较远时会出现锡球偏移、虚焊等现象。

  结合应用场景分析，BGA连接器多为芯数多、节距小的产品，根据热植球工艺路线，植球工艺过程的难点在于怎么来实现将多个锡球投放到指定位置，保证植球过程中不出现缺球、多球、投放歪斜现象。

  针对连接器芯数相对较少、锡球相对较大的产品以及前期产品试制过程，可通过手工治具的方式投放锡球，主要过程如下：

  （1）锡球载板按产品排列进行开沉孔，开孔直径略大于锡球直径，开孔深度为一个锡球直径。（2）将固定框放在锡球载板上后将锡球撒入固定框内，通过振动、毛刷等方式使锡球落入锡球载板对应开孔内，通过对开孔尺寸的控制保证每个孔位内有且仅有一颗锡球。

  （3）移除固定框，扫去多余锡球，检查锡球载板内是否均有锡球。（4）将需要植球的产品通过工装定位后倒扣在锡球载板上，翻转工装，通过振动加压等方式使锡球落到定位后的产品焊盘上。

  依靠手工治具进行植球没办法保证所有锡球均投放到位，当芯数较多、锡球较小、产品节距较小，或产品批量生产时，依靠手工治具不足以满足需求，可采用自动化设备完成植球过程，主要过程如下：

  （2）植球工位移动：将需要植球的产品移动到对应工站完成涂助焊膏、植球、检测等工序。

  （3）涂助焊膏（蘸胶、点胶）：按照产品加工印制锡膏的钢网，通过刮刀将助焊膏涂到陶瓷基板上，再通过弹性针头将助焊膏转移到产品上，如图4所示。

  c）检测：通过CCD检测设备检查真空吸嘴上有无缺球、多球、废球，出现缺球将锡球转移至废球收纳盒；

  （5）出料：检测植球完成后产品有无缺球、歪斜等不良情况，然后转移至回流炉加热植球。

  BGA连接器在植球完成后除进行外观检查外，还应包括锡球共面度、拉脱力、剪切力、可焊性、焊接缺陷等检测[5]，具体检验测试要求如下：

  （1）锡球共面度：是指锡球每个顶点和基座平面之间距离之差的最大值，如图6所示。除另有规定外，BGA焊球共面度大于150μm，则应视为不合格。

  （2）锡球拉脱力：是指施加于焊球垂直于器件表面并将锡球从该表面拉脱的力，如图7所示。

  焊球拉脱力随焊球类型、焊球大小、焊盘大小而变化，表4列出了常见锡球拉脱强度推荐值。

  焊球最大剪切力随焊球类型、焊球大小、焊盘大小而变化，表5列出了常见锡球剪切强度推荐值。

  BGA表面焊接工艺，评估或判定器件可焊性能力。BGA连接器经回流焊接后应符合以下要求：

  （5）焊接缺陷检验测试：植球后产品应无虚焊、焊球歪斜、焊球空洞、焊料桥接、焊盘开裂等不良情况。

  本文针对热植球以及激光植球两种工艺路线介绍了BGA连接器的植球工艺，总结了植球工艺过程中的主要工艺参数和关键技术的解决办法，并针对植球工艺提出了对BGA连接器的设计的基本要求以及植球工艺相关的主要检验测试的项目和检测标准。

  的快速发展，BGA连接器也会向更高密度、更小型化的方向发展。影响植球效果的影响因素很多，除了文中提到的主要工艺参数以外，助焊剂的种类及用量、器件结构及材料、操作环境等多种因素都会对植球效果产生一定的影响。这就需要研究人员不断探索，运用专业能力灵活解决产品设计、生产、测试过程中的很多问题，以保证BGA产品的可靠性和稳定能力。