CN111341680B - 一种bga植球方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BGA植球方法，属于电子装联技术领域，解决了现有技术中焊料球易滚动、偏移原位，需要采用专用模具，设备昂贵，成本高的问题。BGA植球方法，包括如下步骤：步骤S1：在BGA焊盘上施加焊膏；步骤S2：用贴片机贴装焊料块；步骤S3：加热BGA器件及焊料块进行植球，得到焊球；其中，焊料块的形状为长方体或圆柱体。本发明的BGA植球方法效率高，良率高，成本低。

Description

一种BGA植球方法

技术领域

本发明涉及电子装联技术领域，尤其涉及一种BGA植球方法。

背景技术

BGA(球栅阵列封装)：器件的输入输出端子以球状焊点并按阵列形式分布在本体下面。

目前从消费电子到航空航天中的电子产品均大规模使用BGA器件，该类封装器件有引脚数量多、尺寸小、可靠性高、价格昂贵等特点；BGA器件返修时，焊球会被破坏，因此复用器件前需进行重新植球；对航天等有极高可靠性要求的产品也往往需要使用植球工艺将BGA上的无铅焊球替换为有铅焊球以保证焊点可靠性。

目前器件封装厂采用的专用BGA自动化植球设备价格昂贵，而且需根据器件尺寸定制专用工装，无法满足一般的电子组装厂多品种、小批量的BGA器件植球需求。

目前电子组装过程中BGA器件植球一般采用BGA植球器，该类工具一般由焊球漏板和夹具组成，焊球漏板一般采用不锈钢板激光开孔制作，开孔直径略大于焊球直径，开孔位置根据BGA器件焊球位置确定；夹具用于在植球过程中固定BGA器件及漏板，从上到下依次为漏板、BGA器件、夹具；植球前BGA底面印刷焊膏或涂覆助焊剂，并放置于夹具上装上漏板；操作时将焊球均匀撒于漏板上焊球会滚动至漏板孔内，其余的焊球则可以滑动到漏板边缘，此时取下漏板则焊球留在BGA器件上；最后整体加热BGA器件及焊球，焊球即可熔化焊接于BGA器件上，完成植球操作。此种方法价格低廉但对操作者的技术要求高，易使焊料球滚动，偏移原位，从而产生短路的风险，且针对不同BGA值球需要采用专用模具。

目前的BGA植球方法大多需设计、制作专用的焊球供给装置、贴片机拾取吸嘴及BGA载板；这是因为目前用于BGA植球的焊料球均是罐装，贴片机无法从包装罐中识别并逐个拾取焊球，以往专利的解决方法为制作一个振动给料装置，该装置通过振动的方法将包装罐中焊料球逐个顺序排列后供给贴片机识别/拾取；该装置需专门定制，且会占用贴片机的供料仓位。同时振动给料的效率较低，供料过程中在贴片机吸取料位置可能没有焊球或者有多个焊球，造成吸嘴需重新取料影响设备效率。且一次供给一个焊球的效率较低，无法发挥贴片机高速贴装的效率，且器件封装厂采用的专用BGA自动化植球设备价格昂贵；而且需根据器件尺寸定制专用工装，无法满足一般的电子组装厂多品种、小批量的BGA器件植球需求。

发明内容

鉴于以上分析，针对现有技术中的不足，本发明旨在提供一种BGA植球方法，至少能解决以下技术问题之一：(1)焊料球易滚动，偏移原位，从而产生短路的风险；(2)需要采用专用模具，设备昂贵，成本高。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种BGA植球方法，包括如下步骤：

步骤S1：在BGA焊盘上施加焊膏；

步骤S2：用贴片机贴装焊料块；

步骤S3：加热BGA器件及焊料块进行植球，得到焊球；

其中，焊料块的形状为长方体或圆柱体。

进一步的，步骤S3包括如下步骤：

S31、室温下将BGA器件底面朝上放置于加热装置内；

S32、在一定的时间t₁内以不超过K1的速率将BGA器件及焊料块升温至温度T1，达到温度T1后保温一定时间t₂让焊料块熔化；

S33、保温后将BGA器件及焊料块缓慢冷却至室温并将BGA器件及焊料块从加热装置中取出；

其中，T1大于焊料块熔点T2。

进一步的，T1与T2之差为10-30℃。

进一步的，S32中，升温时间t₁为90-300s，K1为1-3℃/s。

进一步的，S32中，保温时间t₂为10-20s。

进一步的，S33中，冷却速率K2为2-5℃/s。

进一步的，S32中，焊料块熔化过程中避免受外力扰动，保证BGA器件水平放置于加热装置中。

进一步的，步骤S1中，在BGA焊盘上施加焊膏包括如下步骤：

S11、保证BGA底面平整、洁净；

S12、将BGA底面朝上，在BGA焊盘上施加焊膏；

S13、焊膏施加完成后检查BGA焊盘上的焊膏，确保无桥连、无缺失。

进一步的，步骤S2中，贴片机贴装焊料块包括如下步骤：

S21、将BGA器件底面朝上固定于贴片机的贴装平台上，载带包装放置于贴片机供料器内；

S22、启动贴片机贴装程序，使用贴片机单头吸嘴一次拾取一个焊料块或使用贴片机多头吸嘴一次拾取多个焊料块；

S23、贴片机检查是否正确拾取焊料块以及焊料块形状是否符合程序设置要求；

S24、贴片机吸嘴自动将焊料块放置于BGA焊盘上对应位置。

进一步的，焊膏与焊料块的合金成分相同。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

本发明提供的BGA植球方法，通过利用焊料熔化后在表面张力作用下会收缩成球形的特性，将焊料球改为焊料块(形状为长方体或圆柱)，这种焊料块在植球过程中不会滚动，避免了焊球偏移及短路；焊料块放置于载带式包装内，可以用常规SMT贴片机快速拾取；该植球方法无需制作专用模具及供料器，同时节省了植球工装制作、改进的费用及加工周期(2-3天)，能够大大提高植球合格率、植球效率和经济性，例如效率提高3-16倍，良率提高10％-42％。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的焊料块形状示意图；

图2为本发明的焊料块放置于载带包装中示意图；

图3为本发明的印刷焊膏示意图；

图4为本发明的贴片机贴装焊料块示意图；

图5为本发明的BGA焊盘上完成焊料块贴装的示意图；

图6为本发明的BGA焊盘上焊料块熔化后形成焊球的示意图；

图7为本发明的BGA焊盘上的焊球尺寸参数标注示意图；

图8为本发明的实施例一的焊球的照片。

附图标记：

1-焊料块；2-载带包装；3-BGA器件；4-BGA焊盘；5-焊膏；6-贴装平台；7-贴片机供料器；8-贴片机吸嘴；9-焊球。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明提供了一种BGA植球方法，包括如下步骤：

步骤S1：在BGA焊盘4上施加焊膏；

步骤S2：贴片机贴装焊料块1；

步骤S3：加热BGA器件3及焊料块进行植球，得到球体的焊点(球体的焊点的实际形状是球冠状，为描述方便称为焊球9)。

具体的，步骤S2中，焊料块1的形状为长方体(例如，优选正方体)或圆柱体；长方体或圆柱体的焊料块熔化后由于表面张力势能趋向于最小化的作用下会形成近似球体的焊点(原理类似荷叶上的水珠)。为保证形成的焊球9饱满，需在BGA焊盘4上提供足量的焊料，同时在焊料块熔化阶段应避免外力扰动导致焊点变形。

需要说明的是，为保证形成的焊球饱满，焊料需足量，因此需保证焊料块1的体积V1等于焊球9的体积V，焊球9的体积V的计算采用如下原理：

BGA器件3上的焊球如图6所示，若需计算一定体积的焊料块熔化后在BGA焊盘形成的焊球的形状及尺寸，考虑焊料表面张力及焊料自重作用，此时影响因素有焊料体积、焊膏体积、BGA焊盘直径、焊料密度、焊料表面张力。与焊料块相比，焊膏中的焊锡粉体积较小对完成植球的焊料体积影响不大，同时焊料自重只会引起焊球轻微塌陷(植球效果最重要的是需要保证焊球无缺失、桥连、虚焊等缺陷，轻微塌陷不会影响整体效果)，故简化计算，不考虑焊膏中的焊锡粉体积及焊料自重引起的焊球塌陷，则在焊料表面张力作用下的焊球应为如图7所示的一个标准球冠，H即为焊球高度，r为BGA焊盘半径，此时球冠部分的体积为焊球体积V。球冠体积满足如下公式：

具体来说，假设某BGA焊盘直径为0.45mm，所需焊球高度为0.6mm，则r＝0.225mm，可根据公式计算得V＝0.16mm³，若采用正方体焊料块，则长宽高均为0.55mm的焊料块满足要求；若采用圆柱体的焊料块，则直径0.45mm高度为0.5mm的圆柱焊料满足要求。

值得注意的的是，焊球高度H的精度为±0.1mm，例如，假设某BGA焊盘直径为0.45mm，所需焊球高度为0.6mm，若需保证焊球高度H的精度为±0.1mm，可根据公式计算得焊料体积应在V＝0.1-0.23mm³。若采用正方体焊料块则其长宽高应在0.46-0.612mm；若采用直径0.45mm的圆柱体的焊料块，则高度应在0.31-0.72mm。

需要说明的是，步骤S1之前还包括焊料块的制备，焊料块可以通过冲压、铸造等机械方法批量制作，如图1所示，焊料块的形状为长方体或圆柱；这也是因为长方体或圆柱的下底面和上表面均是平面，方便固定及拾取，因为贴片机吸嘴8(真空吸嘴)只能拾取顶面平面物；而底面为平面，则便于放置且不易发生位置偏移。

具体的，焊料块制备完成后可以使用自动载带包装机拾取焊料块放置于载带包装2中，焊料块按照固定间距及位置放置于载带包装的槽内。如图2所示为焊料块放置于载带包装中的示意图。

具体的，步骤S1中，在BGA焊盘上施加焊膏包括如下步骤：

S11、保证BGA底面平整、洁净，去除多余的焊锡及助焊剂；

S12、将BGA底面朝上，在BGA焊盘上施加焊膏；施加焊膏的方式包括焊膏印刷机印刷、自动点胶机点涂或锡膏喷印机喷印；

S13、焊膏施加完成的状态如图3所示，焊膏施加完成后检查BGA焊盘上的焊膏，确保无桥连、缺失等缺陷。

具体的，S13中，焊膏检查可以采用放大镜目视检查也可以采用焊膏印刷检查仪进行。

需要说明的是，焊膏中的合金成分与焊料块的合金成分相同，以避免合金熔化过程不同步以及焊接后的BGA焊球合金元素偏析。例如，焊膏与焊料块为锡基合金，包括但不限于SnPb、SnAgCu、SnPbBi等含锡合金。

具体的，为保证涂敷效果，根据焊膏施加工艺方法/助焊剂清洗要求及BGA焊盘尺寸选择合适型号的焊膏，例如，若BGA焊盘间距在0.5-1.27mm，一般选择焊膏(3#)；若焊盘间距小于0.5mm，需选用较小颗粒度的焊膏(4#或5#)保证涂敷效果；免清洗工艺选用的焊膏，助焊剂应为松香基(RO)或树脂基(RE)，助焊剂残留物应为IPC-J-STD-004A标准中的L0/L1级别。

具体的，步骤S2中，贴片机贴装焊料块包括如下步骤：

S21、如图4所示，将BGA器件底面朝上固定于贴片机的贴装平台6上，载带包装放置于贴片机供料器7内；

S22、启动贴片机贴装程序，使用贴片机单头吸嘴一次拾取一个焊料块或使用贴片机多头吸嘴一次拾取多个焊料块；

S23、贴片机采用光学或者机械的方式检查是否正确拾取焊料块以及焊料块形状是否符合程序设置要求；

S24、贴片机吸嘴自动将焊料块放置于BGA焊盘上对应位置；

S25、贴片机贴装完成后BGA上的焊料块如图5所示，使用人工目检或者自动光学检查仪确认焊料块无漏贴装、位置偏移等缺陷。

需要说明的是，上述S23中，若焊料块的形状不符合程序设置要求或者未正确拾取焊料块，则需重新正确拾取符合程序设置要求的焊料块。

具体的，步骤S3包括如下步骤：

S31、室温下将BGA器件底面朝上放置于加热装置内，加热装置可以采用红外回流炉、热风回流炉或汽相焊接设备；

S32、在一定的时间t₁内以不超过K1的速率将BGA器件及焊料块升温至温度T1，达到温度T1后保温一定时间t₂让焊料块熔化。

具体的，S32中，温度曲线不一定是一条以稳定斜率上升的曲线，根据实际具体情况温度曲线的斜率会发生变化，但曲线的最大斜率K1和升温时间一般是有要求的，升温速率过快会对芯片造成热冲击损伤，时间过短会无法激活助焊剂活性，时间过长会消耗助焊剂，造成焊膏氧化；因此控制K1为1-3℃/s，t₁为90-300s。

如果保温时间过短，焊料在自身张力作用下形成焊球的时间不够，不能形成焊球，如果保温时间过长，会造成焊膏氧化或焊膏过度熔解，导致焊点合金层过厚。因此，控制保温时间t₂为10-20s。

具体的，最高温度T1高于焊料块熔点T2，如果T1过高，会对BGA器件造成热损伤或者焊点合金层过厚，T1过低会造成焊料润湿不良或焊点合金层过薄或虚焊。因此，控制T1与T2之差为10-30℃。

S33、保温后将BGA器件及焊料块缓慢冷却至室温并取出加热装置，具体的，冷却速率过高会造成内部应力过大，损伤BGA器件，冷却速率过慢会造成焊球内部晶粒粗化、降低焊点强度。因此，控制冷却速率K2为2-5℃/s。

S34、焊料块熔化后形成如图6所示的焊球，待BGA冷却到室温后人工目检或使用自动光学检查仪检查BGA焊球无缺失、桥连、虚焊等缺陷。

具体的，S32中，焊料块熔化过程应避免受外力扰动，保证BGA器件水平放置于加热装置中，因此，BGA植球过程中的加热设备中的传送装置(传送链条或导轨或网链)应平稳运行，传送装置应调节至水平状态；应合理设置降温速率，保证完成从传送装置中取下完成焊接的BGA器件时焊料已降温至熔点温度以下。

具体的，步骤S3之后，使用水清洗、气相清洗、手工漂洗等方式去除BGA焊球上的助焊剂。

实施例一

本实施例提供的BGA植球方法中，焊球数量为484个，相邻焊盘的中心距为1.0mm，BGA器件的尺寸为23×23mm。焊料块为正方体，长宽高为：0.55×0.55×0.55mm，焊料块成分为Sn63Pb37合金，焊膏为Sn63Pb37合金，3#粉，ROL0助焊剂。焊膏印刷采用0.15mm厚度钢网，钢网开孔直径为0.4mm。

操作过程中将16块BGA器件同时放在载具中，批量完成焊膏印刷、焊料块放置、回流焊接等工序。

焊膏印刷采用自动焊膏印刷机，1-2min即可自动完成焊膏印刷。焊料块拾取放置采用高速贴片机，16块BGA芯片12min左右即可完成焊料块拾取放置，BGA植球焊接采用10温区热风回流炉，焊接时间约5min。均分到每块BGA芯片的植球时间约70s。

植球过程中的相关参数具体为：升温时间t₁为200s，K1为2℃/s，最高温度T1为205℃，焊料块熔点T2为183℃，保温时间t₂为15s，冷却的速率K2为3℃/s。

完成植球后，观察发现焊球基本饱满，焊球无缺失、桥连、虚焊等缺陷，焊球实物如图8所示，焊球高度为0.51-0.63mm，焊球直径为0.62-0.75mm。

实施例二

本实施例提供的BGA植球方法中，焊料块为圆柱体，圆柱直径0.55mm，圆柱高度0.45mm，其余参数与实施例一相同，在此不一一赘述。

植球过程中的相关参数具体为：升温时间t₁为200s，K1为2℃/s，最高温度T1为205℃，焊料块熔点T2为183℃，保温时间t₂为15s，冷却的速率K2为3℃/s。

完成植球后，观察发现焊球基本饱满，焊球无缺失、桥连、虚焊等缺陷，焊球高度为0.52-0.62mm，焊球直径为0.62-0.74mm。

实施例一和二的BGA植球时间约70s，若采用工装植球时间约20min，若采用以往发明中的植球方法受制于振动供料的效率，一般植球时间约5-10min；采用工装植球极易发生焊球缺失/粘连等问题，一般植球良率只有70％左右(参见《BGA植球的实验研究与工艺方法》-电子机械工程2015-2)；若采用以往发明中的贴片机植球方法，极易发生焊料球吸取失败/光学检查误判等问题，一般植球良率只有90％左右。本实施例中由于无需对贴片机进行改装，一般植球良率可以达到设备贴装良率99-99.7％。

可见，采用本实施例的BGA植球方法效率提高3-16倍，良率提高10％-42％。

与现有技术相比，本发明的BGA植球方法无论是在实施效率及良率上均有非常大的改善，同时节省了植球工装制作、改进的费用及加工周期(2-3天)，非常适合当前电子组装行业繁复多种的BGA植球需求，本方法无需设计制作专业锡球供料装置及工装，避免安装供料装置造成的生产线停顿，提高了植球效率及植球良率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种BGA植球方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：在BGA焊盘上施加焊膏；

步骤S1之前还包括焊料块的制备，焊料块通过冲压、铸造方法批量制作；焊膏中的合金成分与焊料块的合金成分相同；

步骤S2：焊料块放置于载带式包装内，用贴片机贴装焊料块；焊料块的形状为长方体，长宽高在0.46-0.612mm；所述贴片机吸嘴为真空吸嘴，只能拾取顶面平面物，所述贴片机采用光学或者机械的方式检查是否正确拾取焊料块以及焊料块形状是否符合程序设置要求；

步骤S3：加热BGA器件及焊料块进行植球，得到焊球，焊球高度为0.51-0.63mm，焊球直径为0.62-0.75mm；

焊料块的体积V1等于焊球的体积V，焊球的体积V的计算采用如下公式：

其中，H为焊球高度，r为BGA焊盘半径；

所述步骤S3包括如下步骤：

S31、室温下将BGA器件底面朝上放置于加热装置内；

S32、在一定的时间t₁内以不超过K1的速率将BGA器件及焊料块升温至温度T1，达到温度T1后保温一定时间t₂让焊料块熔化；

S33、保温后将BGA器件及焊料块缓慢冷却至室温并将BGA器件及焊料块从加热装置中取出；

其中，T1大于焊料块熔点T2；T1与T2之差为10-30℃；

所述S32中，升温时间t₁为90-300s，K1为1-3℃/s；焊料块熔化过程中避免受外力扰动，保证BGA器件水平放置于加热装置中；

所述S32中，保温时间t₂为10-20s；

所述S33中，冷却速率K2为2-5℃/s；

所述BGA植球时间为70s。

2.根据权利要求1所述的BGA植球方法，其特征在于，所述S32中，升温时间t₁为200-300s，K1为2-3℃/s。

3.根据权利要求2所述的BGA植球方法，其特征在于，所述S32中，保温时间t₂为15-20s。

4.根据权利要求3所述的BGA植球方法，其特征在于，所述S33中，冷却速率K2为3-5℃/s。

5.根据权利要求1所述的BGA植球方法，其特征在于，所述步骤S1中，在BGA焊盘上施加焊膏包括如下步骤：

S11、保证BGA底面平整、洁净；

S12、将BGA底面朝上，在BGA焊盘上施加焊膏；

S13、焊膏施加完成后检查BGA焊盘上的焊膏，确保无桥连、无缺失。

6.根据权利要求1所述的BGA植球方法，其特征在于，所述步骤S2中，贴片机贴装焊料块包括如下步骤：

S21、将BGA器件底面朝上固定于贴片机的贴装平台上，载带包装放置于贴片机供料器内；

S22、启动贴片机贴装程序，使用贴片机单头吸嘴一次拾取一个焊料块或使用贴片机多头吸嘴一次拾取多个焊料块；

S23、贴片机检查是否正确拾取焊料块以及焊料块形状是否符合程序设置要求；

S24、贴片机吸嘴自动将焊料块放置于BGA焊盘上对应位置。

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