隨著IC技術的不斷進步，IC的封裝技術也得到迅速發展，BGA器件就是順應了集成電路多引出線的要求，并且具有良好的表面安裝工藝性。因此，近兩年來倍受電子工業界的青睞。本文介紹了BGA的結構、特點及其組裝和返修工藝。

隨著表面安裝技術的發展，I/O數不斷增加，間隙有斷減小，從通常的QFP(Quad Flat Package)四側引腳扁平封裝0.635mon到0.5mm、0.4mm甚至0.3mm或更小間距。一般0.5mm陶瓷QFP有304條引線，0.4mm陶瓷QFP有376條引線，估計這兩種封裝鈄成為90年代通用封裝的主流。但是由于受到器件引線框架加工精度的限制，一般認為QFP間距析限為0.3mm，這大大限制了高密度封裝的發展。間距QFP對組裝工藝要求嚴格，推廣應用困難。因此世界上一些公司已把注意力集中在開發和應用比QFP優越BGA上。

BGA是Ball Grid Array的縮寫，按字面可直譯為球柵陣列，BGA是貼裝IC的一種新的封裝形式，其引出端矩距陣狀分布在底面上，完全改變了引端分布在兩側或四邊的封裝形式，這樣相同引出端數的BGA其焊點分布要比PLCC、QFP引出腳間距疏松的多。如果維持相同間距則BGA的引出端QFP多得多。如果一個313引出端的PBGA在電路板上占用一個有304引出腳的PQFP封裝所占用的空間少34％，同時BGA的安裝高度也比PQFP小，313引出端的PBGA的高約2.1mm，304引出腳的FQFP的高度為3.7mm。因此普遍認為BGA是高密度、高性能和I/O端子數的VISI封裝的最佳選擇。到目前為止，BGA的主要類型有：OMPAC(Over molded pad array carrier)和陶瓷BGA。另外根據引出端形狀的不同還有PGA(pin Grid Array直譯為針柵陣列)CGA(Column Grid Array直譯為柱柵陣列)、HGA(Hole Grid Array直譯為孔柵陣列)等。

1、BGA的結構與特點

BGA主要結構分為三部分：主體基板、芯片和封裝。基板一面焊接面，另一面為芯片封裝面。焊接面上球形焊矩陣狀排列。基板為特別精細的印制線路板，有雙面板與多層板幾種形式。對于引出端數較多的基板一般為多層板，內部為走線層與電源、接地層。對于引出數端較少的基板用雙面板即可。在芯片封裝面上IC芯片以COB方式與基板連接。

一般BGA具有以下一些優點：

較好的共面性；焊球的大表面張力可以使器件在再流焊過程中自動校準中心；引出端間距增大，減少了由于焊膏印刷而引起的焊接問題；沒有彎曲的器件引腳；良好的電性能；良好的熱性能；封裝產量高；較高的互連密度；較低的器件缺陷水平；較低的產品成本。當然BGA也有缺點：新型封裝設計會面臨一定的阻力；對焊點的可靠性要求更嚴格；檢測花費很大，需要使用X光；返修方法更困難，同時返修后不能再利用；對溫度敏感；小批量生產成本高。

2、BGA器件的安裝

因為人們已經習慣了使用小間距QFP，所以一種新的工藝出臺，必須需要有比細間QFP更加強大的優點，人們才可能接受它。與細間距QFP封裝相比，BGA封裝很容易。這是因為可以使用現有的表面安裝設備貼裝BGA，同時BGA封裝與其他多引腳封裝相比，所需要的資金較低。另外BGA也與現有的其它工藝方法相兼容，而且大部分不同尺寸的BGA元件都可以用盤和帶來裝配，它遠比QFP器件結實牢固，這大大地減少了工藝過程中的損壞。

通常在組裝BGA時，組裝前必須在PCB的焊盤上施加助焊劑，以減少焊盤和焊球上的氧化物。使用BGA則必在焊盤上加焊劑，因為焊球中已含有低熔點的焊料，在再流焊中，直徑為30mil(1mil=千分之一英寸=0.0254cm)的整個焊球熔化，可提供足夠的焊料，按封裝的尺寸和焊球分布的不同，可給出18至22mil的焊點，這個焊點是足夠牢固的，甚至在提高再流溫度或PCB彎曲時，器件的焊接也是足夠牢固的。

貼裝BGA器件比貼裝細間距QFP器件簡單，國為焊球至器件的邊緣公差很小優于+2mil，以器件的輪廓為基準，就能把器件放準確；另外，由于BGA在再流焊中受熔化焊球的表面張力的作用，即使器件與焊盤的偏差達到50％，也會很好地自動校準。

雖然BGA與標準的SMT工藝設備相兼容，但是專門用于貼BGA的設備現在已經上市了，有的設備采用向上觀看的激光器來對準球柵陣列中心。有的設備采用分光棱鏡和立體顯微鏡或監視器組成的光學系統投影到立體顯微鏡或監視器內，兩個影像發生重疊，通過顯微鏡或監視就可以觀察到焊盤的相對位置。還有些機器能實現檢測遺漏的焊球并判是否在一個平面上。

另外還需注意的是：通常BGA對潮濕非常敏感，尤其是OMPAC，它能使封裝器件與襯底裂開。這是由于粘模片的環氧樹脂吸附潮氣，當器件被加熱到再流溫度時，它所吸附的潮氣就會汽化，在環氧樹脂內造成大的應力，水汽要模片下的襯底上形成氣泡，這將導致炸裂。如果吸附的潮氣很多，那么炸裂就會很厲害，可能會一直延伸到襯底的四周。因此最好在安裝前，把器件放在1250C的烤箱中烤24小時，這種烘烤最好能在惰性氣體環境中進行。

3、BGA再流焊

BGA再流焊可采用紅外加熱爐，也可采用熱風對流加熱爐，這一工藝與QFP表面安裝工藝非常相似。焊球開始時的直徑約是25mil，在再流焊中塌陷為3到7mil，這一過程也被叫做受控芯片載體塌陷連接。在BGA再流焊過程中，溫度控制是必不可少的，一定要依據BGA制造商提供的數據，否則可能損壞BGA的內部結構。同時應防止由于再流時間過長而造成的器件損壞。一般再流焊條件為：最佳溫度2150C，最高溫度低于2400C，熔化溫度下保持60到90秒。

4、BGA焊點的檢測

因為在BGA焊接后，其焊點不容易看到，所以檢查BGA的焊點就比檢查其它表面安裝的焊點難多了，但與BGA的極高的安裝產量相比，這一缺點也就不算什么了。由于原子密度的不同，在檢測漏焊、虛焊和重焊時用X射線系統來檢測焊點的開路虛焊，可在板子設計時對焊盤形狀做一簡單的修改，如在每一焊點的園焊盤旁加一與園焊盤連接的小標記，這樣在再流焊期間，如果焊點是好的，那么來自焊球的焊料會充滿標記區，否則該標記上無焊料。

5、BGA返修

BGA的返修技術在于如何將BGA器件無損傷從PCB上拆卸下來，再將新的器件準確地貼裝上去并高質量地焊接。由于下面三個原因BGA的返修成本明顯地高于QFP：

（1）BGA組裝的任何缺陷都需要返修，因為單一的短路或開路返修都是不可能的。

（2）返修一個BGA比QFP更困難，同時需要附加的工具投資。

（3）返修的BGA器件一般被扔掉，而有些QFP如果在拆卸時足夠小心的話還可再利用。不過隨著間隙變得更細，這一利用也將變得不再可能。

BGA器件的拆卸可采用傳導，對流及輻射三種方式，通常要求加熱溫度是可控制的，可通過設置最高溫度和加熱計時器來保證可重復性。如果采用傳導方式來拆卸BGA器件，需要設計一種專用的傳導工具，將該工具的加熱頭加熱到3160C后放在器件上，利用器件上傳熱量，便器件引出端的焊料再流，加到拆卸的目的；如果采用熱流方式，熱噴嘴應置于要返修修的BGA表面上100mil處，并從頂部加熱，熱噴嘴尺寸應小于或等于器件的塑模。一般不從器件底部加熱，因為這樣會導致剝離損壞，并使鄰近器件局部再流。如果要拆下的器件早已是壞的，就不用考慮熔化溫度和時間；如果要拆下的器件還準備再用，那么為了避免爆裂，在拆下器件之前，先要在1250C溫度下烘烤24小時。在加熱和拆卸之前，在器件下面加一些液體助焊劑可使加熱均勻。為避免板子或其它器件的損，要小心地控制其加熱量、加熱方向和熱溢出量等。

器件拆卸后，必須為新器件的焊接做好準備，清除遺留在板子上的焊料帶把它們吸走。高溫噴嘴和低溫接觸工具結合使用不會損壞PCB。同時為了保證焊盤陣列的共面性和清潔度，為新的BGA焊接創造良好的環境，還原對返修區進行熱風整平，首先施加一種認可的焊劑，然后降低BGA拆卸噴嘴進行熱風對流，這將有效地清除任何遺留在PCB上微小焊毛刺及殘渣，從而保證良好的可焊性。

當重貼BGA器件時，必須使器件底面上的焊料球與PCB板上的膏相連接，在大部分返修操作期間，操作者處理的是一元件密件的PCB，再使用初始的模板印刷膏是不可能的，這時可把BGA器件翻轉過來固定在一夾具上，然后降低和對準焊膏模板，用一小刮刀印刷焊膏。BGA器件在安裝前后都要被稱重，稱重的目的為了測定印刷在焊盤上的焊膏量。每一個BGA焊盤陣列都有一個最小的焊膏容積Vmin，維持最低的焊膏體積Vmin 的目的有兩個：（1）為了保證有足夠的面積，該面積能使焊點有良好的導電性；（2）為BGA和基板間的不同熱膨脹應力提供充足的焊膏容積。由于BGA引出端的間距較大，出現焊接橋接的可能性不大，所以最大焊膏量可有一定的伸縮性，推薦焊膏容積的范圍為：Vmin≤V≤2Vmin.

當重貼DMPAC時，選用焊膏僅是一選擇方案，推薦使用焊劑，它可保證實現高質量的焊點。

返修期間BGA器件的對準問題是最困難的，因為每一類型BGA都有其自已的貼裝考慮。對CBGA來說，由于制造者不能保證從陶瓷基板過緣到球柵陣列恒不變，因此不能使用CBGA的邊緣進行可靠的可視對準。要求貼裝系統后能夠同時看到PCB的頂部和CBGA的底部，分步進行X、Y、Q軸調節，然后準確對準CBGA到焊盤陣列上。

OMPAC或PBGA貼裝相對容易，因為它制造使用的是緊模壓公差，從BGA的邊緣到球柵陣列之間公差配合很緊，這樣通過使用PCB上的適當標志，大部分操作者都能把BGA貼放到焊盤囝列的25％范圍之內。然后通過再流期間焊料的表面張力將BGA拉到適當的位置。

BGA器件的重貼再流與拆卸要示一樣，溫度控制是絕對必須的，一般再流溫度為2100C到2150C時間最長75秒，同時還應參照BGA制造者提供的再流參數，否則會損壞BGA器件的內部結構。另外再流焊期間通常要求惰性氣體和無清洗焊劑結合使用，因為BGA器件下的充分清洗幾乎是不可能。最后使用X射線對返修的BGA器件進行無損檢測。

結束語

BGA作為一個多引腳集成電路的新封裝形式，其貼裝、焊接與檢測在SMT技術領域中還都是新課題，隨著進一步的深入研究，其成果必將會使SMT進入一個新的階段。