电子制造组装的新手提问:BGA本体上不是已经有锡球了,为何SMT生产时还需要在PCB的焊垫上印刷锡膏才能焊接呢?BGA维修时需要印刷锡膏吗?BGA周遭已经有其它的电子零件了又该如何在BGA对应的焊垫上印锡膏呢?
提问一、BGA本体上已经有锡球了,为何还需要在PCB上印刷锡膏呢?
这个问题要看它是返修(repair)/重工(rework)或是正常SMT生产,正常生产都是流水线,PCB会在输送带之间传送,而且在贴片打件时板子可能会快速移动,黏稠的膏状锡膏可以起到预固定电子零件于PCB的作用,使零件不至于偏移原来的位置或从PCB上掉落。如果是人工作业的返修(repair)或重工(rework),因为不太需要移动PCB,或是可以人为预固定BGA于PCB,就不一定需要用到锡膏。
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当然,锡膏除了可以起到预先固定电子零件的目的外,BGA印刷锡膏焊接还有以下的优点:
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可以提升焊接的润湿性及焊接效果。原则上BGA的锡球已至少经过一次回焊,所以锡球内基本上已经没有助焊剂,因为BGA零件厂当初在将锡球焊接到BGA的载板上时就走过了一次回焊高温,当我们要将BGA焊接到PCB时如果缺少了助焊剂去除金属表面氧化物的助焊效果,焊接的润湿性就会大打折扣。
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可以确保焊锡品质及可靠度。BGA为球栅阵列封装,也就是由多颗锡球所组成的阵列,这些阵列锡球在焊接的时候彼此间的共面度如果无法保持完全一致性,将会造成较大尺寸锡球有焊接到PCB的焊垫,而较小尺寸锡球无法有效接触到PCB焊垫的问题,最终造成空焊、冷焊、假焊等缺点,而锡膏印刷的厚度则可以填补锡球间参差不齐的高度差,达到每颗锡球都能焊接于PCB焊垫的目的,提升BGA焊接的品质与可靠度。
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可以确保焊接的一致性。严格来说BGA上已经走过一次回焊的锡球,其实际熔点会比新鲜的锡膏来得高一点点,其原因有可能是重新融熔过的焊料掺入了BGA焊垫上的表面金属,造成合金成分些微改变,比如说锡金或锡铜或锡银IMC化合物掺杂于锡球中,其次是锡球表面缺少了助焊剂的保护,在大气环境下摆放一段时间后就容易在表面生成一层钝化的氧化锡薄膜,这层薄膜将会使得锡球的表面能下降,也会阻碍焊接,回焊时就需要更高的温度或使用助焊剂来清除氧化薄膜,这也是为何锡膏中需要添加助焊剂的目的之一。
(补充说明:当融熔的液态焊锡氧化后,其表面张力将会变大,一旦液态锡的表面张力大于PCB表面处理金属或BGA锡球的表面能时,就会阻碍焊接,回焊时就需要更高的温度才能破坏氧化锡的表面张力以进行焊接。升高温度会使得锡液分子更加的活跃,减少分子间作用力,进而降低液态锡的表面张力。此外,加热也可以促进氧化物的分解,从而降低氧化锡的生成,进一步降低液态锡的表面张力。)
提问二、维修BGA时还需要印刷锡膏吗?该如何印锡膏呢?
维修时为了确保焊接的效果与品质,一般我们还是会建议在BGA的PCB焊垫上印刷锡膏来作业的,维修时因为BGA零件的周遭已经有其它的电子零件焊接在PCB上了,所以无法使用SMT作业的标准钢板(stencil)来作业,而会特制符合BGA尺寸的小钢板(可以在「度娘」上搜寻【BGA小钢网】找图片)用人工来涂抹锡膏,然后加热回焊。
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而一般外面的维修技术人员则觉得人工印刷锡膏太麻烦了,他们大多艺高人胆大,反正产品也不是自己的,修坏了也没多大关系,只要跟客户说板子坏了就可以结案。
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他们在维修时在清除PCB焊垫上多余的焊锡后,会直接在焊垫上涂膜一层助焊剂,然后拿已经有植球的BGA对齐后用热风枪直接加热焊接。这样维修的成本当然很低,但是失败率也很高,但是,这也很吃经验与技巧,而且品质问题也很多:
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首先加热的温度无法均匀,很难确保焊接时BGA载板及PCB不会发生翘曲,一但PCB或BGA载板有翘区发生就容易再次发生锡裂,不可不慎。
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其次,热风枪加热会使用比较高的温度(无铅锡膏大概会到350°C,而回焊炉的最高温一般设置在250°C左右)且无法控制加诸在BGA以及PCB的温度,容易造成零件或PCB损毁,或降低其使用寿命。
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其三,人工涂抹助焊剂无法控制用量。这会使得助焊剂无法在焊接的过程中充分挥发,助焊剂一旦残留于PCB上,时间一久容易造成腐蚀。
所以,对于以上两个问题,我们可以归纳重点为:金属合金焊料(metal alloy)为软钎焊接(soldering)的必须品,但如果要得到良好的软钎焊接焊效果则必须要使用助焊剂(flux)去除焊接物的表面氧化物,而膏状焊料则是为了在回焊前可以预固定电子零件于PCB上。
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