BGA板级装联工艺详解及合明科技BGA芯片清洗剂介绍

关于 BGA（球栅阵列）板级装联封装工艺 的详细介绍。本文将系统地阐述BGA的概念、工艺流程、关键工艺点、常见缺陷及检测方法。

一、BGA 简介与优势

BGA（Ball Grid Array） 是一种先进的集成电路封装技术。它与传统的四面有引脚的QFP等封装不同，其引脚是以阵列式排列在封装体底部的焊球形式存在。

主要优势：

1. 高密度I/O：充分利用封装底部面积，在更小的面积上容纳更多的引脚，适合高引脚数芯片（如CPU、GPU、FPGA）。

2. 优异的电性能：焊球短，引线电感小，串扰低，提供了更好的高频和高速性能。

3. 良好的热性能：封装底部的大面积地/电源焊球有助于将芯片热量传导至PCB。

4. 高可靠性：焊点间距大，回流焊时具有“自对准”效应，焊接可靠性高。

5. 更适合自动化生产：对贴装精度要求相对宽松。

二、BGA板级装联（SMT）完整工艺流程

BGA的装配属于SMT（表面贴装技术）的一部分，其核心流程与普通SMT元件类似，但对工艺控制要求更为严格。

整体流程框图：

PCB来料检验 -> 焊膏印刷 -> SPI（焊膏检测） -> BGA贴装 -> 回流焊接 -> 清洗（可选） -> 检测与测试 -> 返修（如有需要）

1. PCB来料检验与存储

• 检验：检查PCB的翘曲度、阻焊层是否完好、焊盘氧化情况、通孔是否堵塞等。任何缺陷都可能导致焊接失败。

• 存储：PCB和BGA组件通常对湿度敏感（MSL评级）。必须根据其湿度敏感等级（MSL）在干燥柜（Dry Cabinet）中存储，并在开封后规定时间内（如72小时）使用完毕，否则需进行烘烤（Baking）以去除内部潮气，防止回流焊时出现“爆米花”效应（封装开裂）。

2. 焊膏印刷 (Solder Paste Printing)

• 目的：在PCB的BGA焊盘上精确地沉积适量、形状一致的焊膏。

• 关键要素：

• 钢网（Stencil）：激光切割并电抛光的不锈钢板。BGA的开孔通常为1：1的正方形或圆形，有时会采用微缩（Solder Mask Defined - SMD）或防桥开孔（Non-Solder Mask Defined - NSMD）设计来优化焊膏量。

• 焊膏（Solder Paste）：无铅焊膏（如SAC305）是主流。合金成分、粉末粒度（Type 3, Type 4）、助焊剂活性都需要根据产品要求选择。

• 印刷参数：刮刀角度、压力、速度、脱模速度等都需要精细调整，以确保焊膏完美地转移到焊盘上。

3. 焊膏检测 (SPI - Solder Paste Inspection)

• 目的：在贴片前100%检查焊膏印刷质量，是提升直通率（FPY）的关键步骤。

• 检测内容：使用3D光学系统测量焊膏的体积（Volume）、高度（Height)、面积（Area）、偏移（Offset）。任何不良品都应在此阶段清洗并重新印刷，避免缺陷流入后续工序。

4. BGA贴装 (Component Placement)

• 目的：将BGA精确地贴装到已印刷焊膏的PCB对应位置上。

• 贴片机：高精度多功能贴片机。

• 对中系统：采用底部视觉系统。相机透过向上的镜头识别PCB上的基准点（Fiducial Mark）。同时，贴片头上的相机通过识别BGA底部的焊球图像来进行精确定位。机器视觉系统计算出中心坐标和旋转角度后，吸嘴将BGA精准贴放。

• 贴装压力：压力需轻柔且可调，过大压力会挤压焊膏导致桥连，或压坏焊球。

5. 回流焊接 (Reflow Soldering)

• 目的：通过加热使焊膏熔化，形成冶金结合，实现BGA焊球与PCB焊盘的可靠连接。这是BGA工艺中最核心的环节。

• 回流焊炉：通常为8-12个温区的强制热风对流炉。

• 温度曲线 (Temperature Profile)：这是工艺控制的灵魂，必须根据焊膏规格、PCB厚度和元件大小进行精确设定和实时监控。一个典型无铅回流焊曲线包括四个阶段：

1. 预热区 (Ramp)：缓慢升温，激活助焊剂，蒸发溶剂。

2. 均热/浸泡区 (Soak)：使PCB上所有区域和元件温度趋于均匀，减少温差。

3. 回流区 (Reflow)：温度迅速升高至峰值温度（无铅约240-250°C），使焊膏完全熔化，形成焊点。液相线以上时间（TAL） 是关键参数，通常为45-90秒。

4. 冷却区 (Cooling)：控制冷却速率，形成光亮、结构致密的焊点。过慢的冷却会导致焊点结晶颗粒粗大，影响强度；过快则可能导致元件热应力裂纹。

6. 清洗 (Cleaning) - 可选深圳市合明科技有限公司水基清洗剂系列产品

• 目的：去除焊接后残留的助焊剂。对于高性能或高可靠性产品（如医疗、航空），清洗是必须的，以防止离子残留导致电路腐蚀或漏电。

• 推荐BGA清洗剂产品型号中性水基清洗剂W3210.
  

7. 检测与测试 (Inspection & Testing)

由于BGA焊点隐藏在封装体下方，无法用肉眼或AOI直接观察，因此需要特殊方法：

• 非破坏性检测：

• X-Ray 检测 (2D/3D AXI)：最主要的手段。可以清晰地透视看到焊点的数量、位置、形状、大小以及内部是否存在桥连、虚焊、空洞等缺陷。3D X-Ray还能测量焊点高度。

• 声学显微扫描 (C-SAM)：用于检测封装内部（芯片与基板之间）的分层、裂纹等缺陷。

• 电性能测试：

• 在线测试 (ICT) 和 功能测试 (FCT)：最终确保所有焊点电气连接正确，产品功能正常。

8. 返修 (Rework)

• 当检测出不良BGA时，需要使用专用的BGA返修站。

• 流程：局部加热（上下热风或红外）熔化焊点 -> 取下失效BGA -> 清理焊盘 -> 植球（或更换新BGA） -> 重新涂敷焊膏或助焊剂 -> 贴装新BGA -> 局部回流焊接 -> 再次检测。

三、关键工艺挑战与常见缺陷

1. 焊点空洞 (Voids)：焊点内部的气孔。主要由助焊剂挥发、焊膏氧化或镀层问题引起。小空洞通常可接受，但大空洞或位于连接界面处的空洞会影响机械强度和导热/导电性。

2. 虚焊/冷焊 (Non-Wet / Cold Solder)：焊料未与焊盘形成良好的IMC（金属间化合物）层。原因可能是温度不足、氧化或污染。

3. 桥连 (Bridging)：相邻焊球之间的焊料连接导致短路。通常由焊膏印刷不良、焊膏塌陷或贴片偏移引起。

4. 焊球翘立 (Head-in-Pillow, HIP)：像“枕头”一样，BGA的焊球和PCB上的焊膏没有完全熔合。成因复杂，与翘曲、氧化、温度曲线都有关。

5. PCB或BGA翘曲 (Warpage)：在回流焊高温下，PCB和BGA封装可能会发生翘曲，导致局部焊点无法接触，形成开路或HIP缺陷。

6. 应力裂纹：产品在使用中受到机械或热应力，BGA角落的焊点最容易发生疲劳裂纹。

总结

BGA板级装联是一项高度精密和系统化的工艺。其成功依赖于全过程控制，从来料检验、焊膏印刷到精确的回流焊温度曲线，每一个环节都至关重要。SPI和X-Ray等检测技术是实现高良率不可或缺的眼睛。随着芯片I/O数持续增加和焊球间距不断缩小（如0.3mm pitch以下），对工艺设备精度和材料科学的要求也将越来越高，向更先进的3D IC封装（如CoWoS, SoIC）和晶圆级封装（WLP）演进。

合明科技芯片封装前锡膏助焊剂清洗剂介绍：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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主营产品包括：集成电路与先进封装清洗材料、电子焊接助焊剂、电子环保清洗设备、电子辅料等。

半导体技术应用节点：FlipChip ;2D/2.5D/3D堆叠集成;COB绑定前清洗；晶圆级封装；高密度SIP焊后清洗；功率电子清洗。