一种一次回流同时实现BGA植球和组装的方法

技术领域

本发明涉及一种一次回流同时实现BGA(球栅阵列)植球和组装的方法，属于元器件装联技术领域。

背景技术

球栅阵列封装(BGA，Ball Grid Array Package)的集成电路器件是电子产品的关键器件，其价格高昂。由于焊点失效、焊球缺损、无铅焊球有铅化等多种原因，需要对BGA封装器件的焊球进行重新植球，再组装到电路板上。

传统的BGA封装器件植球工艺主要用于器件焊点失效等问题发生后器件的修复过程，需要将器件拆下后进行重新植球再焊接。而航天等高可靠领域中出现器件焊点失效后，通常需要更换新的BGA封装器件，受热后的BGA封装器件不再用于正式产品中，从而研制过程不涉及BGA植球工艺。因此，传统的BGA封装器件植球方法在航天等高可靠领域很少应用。

传统的BGA植球和器件组装工艺，首先对BGA器件进行去球、植球和器件回流焊接，形成新的BGA器件，再将器件回流焊接在印制板上，该方法存在如下不足：

1)该方法的植球再组装工艺需对器件进行两次回流焊接，即在植球时器件经历一次焊接加热过程，组装后器件又经历一次焊接加热过程；焊接程序的最高温可达215℃，整个过程持续约6min。两次焊接加热过程会对器件可靠性造成影响。

2)BGA植球时考虑焊点长期可靠性，一般使用Sn10Pb90成份(熔点270℃～300℃)的高铅焊球。传统的植高铅球工艺对焊球的清洁度、焊膏粘稠度等要求较高，容易发生焊球歪斜的质量问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种一次回流同时实现BGA植球和组装的方法。

本发明的技术解决方案是：

一种一次回流同时实现BGA植球和组装的方法，该方法的步骤包括：

(1)去除BGA器件上的焊球；

(2)在BGA器件的焊盘上印刷焊膏；

(3)在基板上印刷焊膏；

(4)在步骤(3)得到的基板的焊膏上进行植球；

(5)将BGA器件贴装在步骤(4)得到的基板的焊球上；

(6)进行回流组装，得到含BGA器件的组装件。

所述的步骤(1)中，去除BGA器件上的焊球的方法为：

i将BGA器件引脚朝上平放于工作台上，使用毛刷在BGA器件表面涂满助焊剂；

ii使用刀片式烙铁头去除BGA器件上的焊球；所述的烙铁头的宽度为10-15mm；

iii将刀片式烙铁头贴于吸锡绳上，用于清理BGA器件表面的残余焊锡，滑动吸锡绳，且不对BGA器件表面施加力；

iv用无水乙醇无纺布轻轻擦洗BGA器件的焊盘表面，去除残留助焊剂。

所述的步骤(ii)中，使用刀片式烙铁头去除BGA器件上的焊球的方法为：将烙铁轻贴BGA器件表面，从BGA器件一边向对边轻轻将熔融的焊球铲起，然后将停留在烙铁头上的多余焊锡在湿海绵上进行清理；按此方法清除所有器件表面焊球。

所述的步骤(2)中，印刷焊膏的方法为：在BGA器件的焊盘上采用模板印刷的工艺进行印刷焊膏。

采用模板印刷的工艺进行印刷焊膏的过程为：将BGA器件固定于工作台上，将模板对准BGA器件的焊盘，按压模板边沿使模板与BGA器件的焊盘紧密接触，用刮刀粘上焊膏开始印刷焊膏，刮刀和模板成35-55度角印刷，均匀用力，刮刀匀速运动，一次印刷；印刷完成后平抬起模板。

所述的步骤(3)中，印刷焊膏的方法为：在基板的焊盘上采用模板印刷的工艺进行印刷焊膏。

采用模板印刷的工艺进行印刷焊膏的过程为：将基板固定于工作台上，将模板对准基板的焊盘，按压模板边沿使模板与基板的焊盘紧密接触，用刮刀粘上焊膏开始印刷焊膏，刮刀和模板成35-55度角印刷，均匀用力，刮刀匀速运动，一次印刷；印刷完成后平抬起模板。

所述的步骤(4)中，在基板的焊膏上进行植球时使用全自动贴片机将焊球放置于基板的焊膏上，步骤包括：

i制作一料盘，并将料盘放置于一平面的盒体内；料盘上带有多个圆形通孔，圆形通孔的直径比焊球直径大0.07-0.12mm，料盘的材料为钢板，钢板的厚度为0.1-0.15mm，将焊球放置于料盘的圆形通孔内，然后将放置有焊球的料盘放置于全自动贴片机的料仓位置；

ii将印刷有焊膏的基板放置于全自动贴片机的置板位置；

iii根据料仓内焊球的位置和基板上焊盘的位置进行贴装编程；

iv使用编好的程序将焊球逐个贴装至基板的焊盘位置。

所述的步骤(5)中，将BGA器件贴装在基板的焊球上的方法为：

i制作工装，并用该工装支撑BGA器件；该工装为带有凹槽的平板，该平板的内侧壁上还带有一缺口；凹槽的尺寸比BGA器件的尺寸小0.2mm，该工装用于支撑BGA器件，该工装上的凹槽用于架空BGA器件的焊膏位置；BGA器件的焊盘朝下；

ii将放置有BGA器件的工装放置于全自动贴片机的料仓位置，然后将植球后的基板放置于全自动贴片机的置板位置；

iii根据料仓内BGA器件的位置和基板上焊球的位置进行贴装编程；

iv使用编好的程序将BGA器件贴装至基板的焊球上。

所述的步骤(6)中，进行回流组装的方法为：将贴装有BGA器件的基板放置于回流炉内进行焊接，回流焊接曲线的升温速率小于3℃/s，最高温度205～220℃，回流区时间为60～120s，降温速率为1～6℃/s，BGA器件和基板上的焊膏熔化后，形成合格的BGA焊点。

有益效果

(1)本发明制作的料盘可保证焊球放入孔内被固定，同时不会发生由于孔小无法拾取的问题；

(2)本发明制作了器件放置工装，可保证印焊膏后的器件朝下放置时焊膏不被碰触，同时支撑器件，该工装设计和加工简单易行，操作方便；

(3)本发明中基板植球采用贴装设备将焊球当做元器件进行贴装，该方法不受到器件外形尺寸、焊球数量、焊球直径、球间距等参数的影响；

(4)本发明提出的方法减少了BGA器件植球和组装回流过程中受热失效的风险，传统的植球方法分别在器件植球后和器件组装时分别对器件进行一次回流加热，而本发明的方法仅对器件加热一次可实现植球和组装，减少了器件受热冲击的影响；

(5)本发明提出的方法可解决BGA器件植球过程中的焊球偏移问题，传统的BGA植球方法采用高铅(Pb90Sn10)焊球植球时，容易发生器件偏移问题。本项目采用高铅(Pb90Sn10)焊球一次回流时，由于焊球同时受器件和基板侧焊膏的作用，不存在焊球偏移现象；

(6)本发明提出的方法可提高焊接接头的可靠性，传统的植球方法器件侧焊点需经历两次回流，回流焊接过程中焊料与器件侧Cu焊盘形成的金属间化合物会增厚；由于金属间化合物的脆性，过厚的金属间化合物层会导致接头性能降低；器件侧一次回流可减少金属间化合物的厚度，从而提高器件侧焊点的可靠性；

(7)采用本发明的成果实现了卫星数据处理器产品无铅BGA器件的有铅化工作，并保证了焊点的可靠性；在国内卫星领域的电子产品首次实现无铅BGA器件无铅化；产品经受了卫星正样的各项环境试验考核，质量稳定，在可靠性等方面具有同行业领先的优势。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的料盘的结构示意图；

图3为本发明的工装的结构示意图。

具体实施方式

一种一次回流同时实现BGA植球和组装的方法，该方法首先在基板上印焊膏植球，并将无焊球的BGA器件印焊膏后放置于焊球上，基板上焊膏与BGA焊球在整板组装时一次回流熔化，该方法的步骤包括：

(1)去除BGA器件上的焊球；

去除的详细方法为：i将BGA器件引脚朝上平放于工作台上，使用毛刷在BGA器件表面涂满助焊剂；ii使用刀片式烙铁头去除BGA器件上的焊球，烙铁头的宽度为10-15mm；去除焊球时将烙铁轻贴BGA器件表面，从BGA器件一边向对边轻轻将熔融的焊球铲起，然后将停留在烙铁头上的多余焊锡在湿海绵上进行清理；按此方法清除所有器件表面焊球；iii将刀片式烙铁头贴于吸锡绳上，用于清理BGA器件表面的残余焊锡，应轻轻滑动吸锡绳，不应对BGA器件表面施加力；iv用无水乙醇无纺布轻轻擦洗BGA器件的焊盘表面，用于去除残留助焊剂，表面应无助焊剂残留；要求BGA器件的焊盘表面平整、光滑、无凸起、无残锡；

(2)在BGA器件的焊盘上印刷焊膏；

印刷焊膏的详细做法是：在BGA器件的焊盘上采用模板印刷的工艺进行印刷焊膏，操作过程如下：

将BGA器件固定于工作台上，将模板对准BGA器件的焊盘，轻压模板边沿使模板与BGA器件的焊盘紧密接触，用刮刀粘上焊膏开始印刷焊膏，刮刀和模板成35-55度角印刷，均匀用力，刮刀匀速运动，一次印刷；印刷完成后平抬起模板；

(3)在基板上印刷焊膏；

印刷焊膏的详细做法是：在基板的焊盘上采用模板印刷的工艺进行印刷焊膏，操作过程如下：

将基板固定于工作台上，将模板对准基板的焊盘，轻压模板边沿使模板与基板的焊盘紧密接触，用刮刀粘上焊膏开始印刷焊膏，刮刀和模板成35-55度角印刷，均匀用力，刮刀匀速运动，一次印刷；印刷完成后平抬起模板；

(4)在步骤(3)得到的基板的焊膏上进行植球，使用全自动贴片机将焊球放置于基板的焊膏上；

详细做法如下：

i制作一料盘，并将料盘放置于一平面的盒体内；料盘上带有多个圆形通孔，圆形通孔的直径比焊球直径大0.07-0.12mm，料盘的材料为钢板，钢板的厚度为0.1-0.15mm，将焊球放置于料盘的圆形通孔内，然后将放置有焊球的料盘放置于全自动贴片机的料仓位置；ii将印刷有焊膏的基板放置于全自动贴片机的置板位置；iii根据料仓内焊球的位置和基板上焊盘的位置进行贴装编程；iv使用编好的程序将焊球逐个贴装至基板的焊盘位置；

(5)将BGA器件贴装在步骤(4)得到的基板的焊球上；

详细做法是：

i制作工装，并用该工装支撑BGA器件；该工装为带有凹槽的平板，该平板的内侧壁上还带有一缺口；凹槽的尺寸比BGA器件的尺寸小0.2mm，该工装用于支撑BGA器件，该工装上的凹槽用于架空BGA器件的焊膏位置；BGA器件的焊盘朝下；

ii将放置有BGA器件的工装放置于全自动贴片机的料仓位置，然后将植球后的基板放置于全自动贴片机的置板位置；

iii根据料仓内BGA器件的位置和基板上焊球的位置进行贴装编程；

iv使用编好的程序将BGA器件贴装至基板的焊球上，即BGA器件的焊盘与所有的焊球均为均匀接触；

(6)回流组装；

将步骤(5)得到的贴装有BGA器件的基板放置于回流炉内进行焊接，回流焊接曲线的升温速率小于3℃/s，最高温度205～220℃，回流区时间为60～120s，降温速率为1～6℃/s。BGA器件和基板上的焊膏熔化后，形成合格的BGA焊点，实现了BGA器件的植球和组装。

所述的步骤(3)中所使用的模板与步骤(2)中所使用的模板相同。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

由于快智联卫星的成本控制，某数据处理器产品中应用了大量的无铅BGA器件，采用本发明的方法实现了无铅BGA器件的有铅化工作，如图1所示，该方法的过程为：

(1)去除BGA器件上的焊球

i将数据处理器产品中1738个引脚的无铅BGA器件引脚朝上平放于工作台上，使用毛刷在BGA器件表面涂满助焊剂；

ii使用宽度为15mm的刀片式烙铁头去除BGA器件上的焊球；去除焊球时将烙铁轻贴BGA器件表面，从BGA器件一边向对边轻轻将熔融的焊球铲起，然后将停留在烙铁头上的多余焊锡在湿海绵上进行清理；按此方法清除所有器件表面焊球；

iii将刀片式烙铁头贴于吸锡绳上，用于清理BGA器件表面的残余焊锡，应轻轻滑动吸锡绳，不应对BGA器件表面施加力；

iv用无水乙醇无纺布轻轻擦洗BGA器件的焊盘表面，用于去除残留助焊剂，表面应无助焊剂残留；BGA器件的焊盘表面平整、光滑、无凸起、无残锡；

(2)在BGA器件的焊盘上印刷焊膏；

将BGA器件固定于工作台上，将模板对准BGA器件的焊盘，轻压模板边沿使模板与BGA器件的焊盘紧密接触，用刮刀粘上焊膏开始印刷焊膏，刮刀和模板成约45度角印刷，均匀用力，刮刀匀速运动，一次印刷；印刷完成后平抬起模板；

(3)在基板上印刷焊膏；

将基板固定于工作台上，将模板对准基板的焊盘，轻压模板边沿使模板与基板的焊盘紧密接触，用刮刀粘上焊膏开始印刷焊膏，刮刀和模板成约45度角印刷，均匀用力，刮刀匀速运动，一次印刷；印刷完成后平抬起模板。

(4)在步骤(3)得到的基板的焊膏上进行植球，使用全自动贴片机将焊球放置于基板的焊膏上；

i制作一料盘，如图2所示，并将料盘放置于一平面的盒体内；料盘上带有25×25个圆形通孔，圆形通孔的直径比焊球直径大0.1mm，料盘的材料为钢板，钢板的厚度为0.15mm，将焊球放置于料盘的圆形通孔内，然后将放置有焊球的料盘放置于全自动贴片机的料仓位置；

ii将印刷有焊膏的基板放置于全自动贴片机的置板位置；

iii根据料仓内焊球的位置和基板上焊盘的位置进行贴装编程；

iv使用编好的程序将焊球逐个贴装至基板的焊盘位置；

(5)将BGA器件贴装在步骤(4)得到的基板的焊球上；

i制作工装，如图3所示，并用该工装支撑BGA器件；该工装为带有凹槽的平板，该平板的内侧壁上还带有一缺口；凹槽的尺寸为42.3mm，比BGA器件本体尺寸小0.2mm，该工装用于支撑BGA器件，该工装上的凹槽用于架空BGA器件的焊膏位置；BGA器件的焊盘朝下；

ii将放置有BGA器件的工装放置于全自动贴片机的料仓位置，然后将植球后的基板放置于全自动贴片机的置板位置；

iii根据料仓内BGA器件的位置和基板上焊球的位置进行贴装编程；

iv使用编好的程序将BGA器件贴装至基板的焊球上，即BGA器件的焊盘与所有的焊球均为均匀接触；

(6)回流组装；

将步骤(5)得到的贴装有BGA器件的基板放置于热风回流炉内进行焊接，热风回流焊接曲线的升温速率为1.1℃/s，最高温度为218℃，回流区时间为85s，降温速率为2.3℃/s。BGA器件和基板上的焊膏熔化后，形成合格的BGA焊点，实现了BGA器件的植球和组装。

对组装后的BGA器件采用45倍显微镜检验外排焊点外观，并采用X光机检验内部焊点质量，焊点形貌、气泡等满足ECSS-Q-ST-70-38C航天标准。

对组装后的3个BGA器件组装样件按照ECSS-Q-ST-70-38C的环境试验标准开展了随机振动试验和500个温度循环试验，试验后采用45倍显微镜检验外排焊点外观，并采用X光机检验内部焊点质量，并对焊点按照标准要求开展了剖切试验，焊点质量满足ECSS-Q-ST-70-38C标准对试验后焊点的要求。