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摘 要：表面组装技术（SMT）是无需对印制板钻插装孔，直接将片式元器件或适合于表面贴装的微型元器件贴、焊到印制板或其他基板表面规定位置上的装联技术，由于它具有结构紧凑、组装密度高、体积小、重量轻、高频特性好、耐振动抗冲等特点，被广泛应用到电子产品电路中。如何提高高密度器件的贴装合格率，对提高电子产品的质量起着关键作用。
关键词：表面组装技术（SMT）；BGA；QFP；回流焊
中图分类号：TN401 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）11-0091-02
随着SMT高密度表面组装技术的迅速发展，BGA器件的应用越来越广泛，对SMT装配工艺水平提出了更高的要求，由于BGA器件的检测和返修的成本高，因此如何提高BGA器件的焊接质量成为SMT行业的首要问题。
1 故障现象
我公司某产品印制板的BGA、QFP器件进行贴装，在贴装操作过程中，从丝网漏印—器件贴装—回流焊，严格按有关要求和规定执行，贴装的每个工序和环节，检验部门都进行了跟踪和验收。贴装后的印制板全部外协厂对所焊BGA进行了X-ray检测，检测结果为：BGA焊点无虚焊、焊点与焊点之间无桥连现象。检测后的印制板经手工贴装了电阻、电容等器件后，在调试过程却发现这批印制板工作不正常，其中主要是电源部位短路。
2 原因分析
为了确认造成短路的主要原因，我们查阅大量资料，学习有关SMT知识，搜集造成焊接不良的各种因素。我们从人、机、料、法环五个方面进行了仔细的分析。
2.1 来料方面
根据国军标GJB3243-98“电子元器件表面安装要求”中的要求：电子元器件在测试、烘烤、周转和安装过程中应避免静电损伤、引线扭曲和变形；元器件的引线歪斜度误差不大于1.0%；元器件的引线的共平面度误差应不大于0.1 mm；印制板的弓曲和扭曲应不大于1.0%。
2.2 设计方面
2.2.1 印制板设计无基准标志
根据国军标GJB3243-98“电子元器件表面安装要求”：①对定位孔的要求为：印制板的四个角上，应至少有两个角上各设置一个定位孔，推荐四个角上各设置一个；定位孔作为焊膏施加和元器件贴装的原始基准时，必须保证孔的中心与焊盘图形的精度要求；定位孔的尺寸及位置有表面安装设备来决定。②光学定位基准标志要求为：对带有自动光学定位系统的高精度自动化表面安装设备，一般应在印制板一面两角上或三个角上各安排一个基准标志（称为板级基准），在大尺寸或细节IC焊盘图形的对角上或中心位置上各设置一个基准标志（称为局部基准），这些光学基准为高精度表面安装设备提供公共测量基准。该产品印制板既没有定位孔，也没有光学定位基准标志，即没有为高精度表面安装设备提供测量基准，在贴装过程中容易产生位置偏移，这也是引起短路等故障现象的原因之一。
2.2.2 印制板的特殊性
该产品印制板贴装的BGA器件型号为EP20K1000EFC672-2X，BGA焊球个数为：26×26-4（4个角的焊球为空置），此BGA焊球直径为0.6 mm±0.1 mm，印制板中BGA器件所对应的焊盘区域布满了直径为0.445 mm的对穿孔，焊盘直径为0.5 mm，焊盘与焊盘间距为1 mm，通过计算焊盘与对穿孔边沿之间的距离应为0.2345 mm，但部分对穿孔有偏移，不在中心位置。通过贴片机测量，焊盘与对穿孔较近的距离只有0.15 mm，也就是说，对穿孔与焊盘距离太近，因此BGA焊接时焊球塌陷后容易与距离太近的对穿孔相碰，造成短路。根据返修拆除BGA器件后的一块印制板图像（图1）可以看出，焊球痕迹与对穿孔距离十分接近，由于此处阻焊膜面积太小，如果阻焊膜太薄或附着力不好，在回流焊过程中焊锡容易穿过阻焊膜，造成焊球与对穿孔桥接，形成短路。
2.2.3 工艺方面
我公司SMT贴装设备自启用以来，分别贴装过含BGA器件的两个品种的产品，贴装后的这两个产品印制板通电调试全部合格。因此我公司具备一定的贴装能力，但由于公司军品贴装产品数量少，单价成本高，工艺及操作人员实践经验相对较少，还缺乏一定的贴装技巧和技能。根据以上分析，确认此次造成印制板短路原因为：印制板具有特殊性，焊盘间距小、对穿孔密度高，以及部分对穿孔位置有偏移；印制板存在特殊性，使用常规的模板漏印工艺，导致焊膏量相对偏多，易与对穿孔短路。
3 改进方案及实施
3.1 改进印制板阻焊膜
针对该产品印制板的特殊性（焊盘间距小、对穿孔密度高，以及部分对穿孔位置有偏移），我们对该产品印制板采取改善BGA焊盘部位的阻焊膜结构，我们及时联系印制板加工厂家，对其提出具体要求，建议完善BGA焊盘部位阻焊膜结构。最后厂家将BGA部位各焊盘之间的对穿孔用阻焊膜封堵，从而杜绝BGA器件焊接后焊球与对穿孔桥连。
3.2 改进漏印模板
针对该产品印制板BGA焊接后其锡量相对偏多的现象，在模板设计规范允许范围内我们采取改进漏印模板的方案，以减少锡膏量，避免BGA焊接塌陷后锡球与对穿孔相碰。我们在原漏印模板的参数基础上进行了改进：厚度由原来的0.15 mm改为0.12 mm，BGA焊盘部位开口由原来的100%改为80%。根据以上技术要求重新外协加工模板。
3.3 改进回流焊接工艺
在SMT工艺中，回流焊是很重要的一个环节，其焊接质量对最终产品的好坏起着至关重要的作用，因此焊接温度曲线是保证焊接质量的关键。为了进一步提高该产品印制板的焊接质量，必须设置一条合适的回流焊温度曲线，所以需对温度曲线设置进行完善和改进。
3.3.1 设置再流焊温度曲线的主要依据
①不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，首先应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置，因为焊膏中的焊料合金决定了熔点，助焊剂决定了活化温度（主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间）。②根据PCB板的材料（塑料、陶瓷、金属）、厚度，是否多层板，尺寸大小。③根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小及有无BGA、DSP等特殊元器件进行设置。 3.3.2 温度曲线的具体测试步骤
①准备好一块故障印制板（光板、贴片器件不全都不能反映实际热容量与空气对流传导的效率）。②选择能反映组装板上高（热点）、中、低（冷点）有代表的三个测试点（热点：一般在炉膛中间，无元件或元件稀少及小元件处；冷点：一般在大型元器件处，大面积布铜处、传输导轨或炉膛的边缘处、热风对流吹不到的位置），我们分别选择了BGA表面、BGA边角、BGA底部焊球三个测试点。③用高温胶带纸将三根热电偶的三个测试端粘在PCB的三个测试点位置上，需要特别注意的是测试端必须要粘牢，如果测试端翘起，采集到的温度不是焊点的温度，而是周围热空气温度。④将三根热电偶的另一端插入机器后面的1、2、3插孔的位置上，注意极性不要插反，并记住三根热电偶在表面组装板上的相对位置。⑤将被测的表面组装板置于再流焊机入口处的传送链上，同时启动测试软件，随着PCB的运行在屏幕上显示实时曲线。⑥当PCB运行过最后一个温区后，拉住热电偶线将表面组装板拽回，此时完成了一个测试过程。在屏幕上显示完整的温度曲线和峰值表。
经过反复测试，最终确定焊接温度曲线设置如下：
上温区（℃）：170 175 175 175 180 230 275 230
下温区（℃）：170 175 175 175 180 230 275 230
链速：80 cm/min。
在此温度曲线中，升温区的升温速率为：1.5～1.7 ℃/ s；焊接区183 ℃从融化到凝固的液态时间为64～69 s；焊接区最高温度为211 ℃～230 ℃（一般峰值温度在210～230 ℃之间）。
3.4 贴装工作
以上工作做完之后，我们对该产品印制板进行了贴装工作，如图2所示。
4 效果检查
贴装完成后，我们从两个方面对其进行检测。
①X-ray检测。利用X-ray检测仪对BGA焊点进行检测，通过对整体正面、三圈、气泡等几个方面检测焊点有无短路、锡珠、开路、空焊、虚焊等缺陷，检测结果如图3所示。整体正面图片可以清晰看出：焊点与焊点之间、焊点与对穿孔之间无短路、锡桥现象，也没有产生锡珠。三圈图片中看出明显的三圈，说明焊点二次塌陷良好，BGA焊接良好，无开路、空焊、虚焊等缺陷。气泡检测图中可以看出，气泡所有空洞面积占整个焊球面积的比例小于3%，根据IPC-A-610D电子组装件可接受条件中第8.2.12.4条，表面安装阵列-空洞可接受条件为：空洞小于25%焊球X-射线图像的面积。此结果说明焊接预热时间充分，温度曲线设置良好。
②电气性能检测。电源部位检测：通过对贴装的印制板的电气性能测量，电源部位没有短路；输入输出端口阻抗测量：通过对贴装芯片各接口的静态阻抗进行测量，所测数据与外协厂家贴装合格的印制板数据相同。
5 结 语
BGA器件的焊接是一门十分复杂的工艺，它不仅要保证BGA器件本身的质量，还受到印制板设计、设备能力、人为因素等各方面的影响，若只顾及某一方面是远远不够的。在以后的实际生产过程中我们还要不断研究和探索，努力控制影响BGA焊接的各项因素，使焊接达到最好的效果，进一步提高BGA焊接水平，完善高密度表面贴装器件工艺，提高合格率。
参考文献：
[1] GJB3243-98，电子元器件表面安装要求[S].
[2] IPC-A-610D，电子组装件可接受条件[S].
[3] 吴懿平，鲜飞.电子组装技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.
关键词：表面组装技术（SMT）；BGA；QFP；回流焊
中图分类号：TN401 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）11-0091-02
随着SMT高密度表面组装技术的迅速发展，BGA器件的应用越来越广泛，对SMT装配工艺水平提出了更高的要求，由于BGA器件的检测和返修的成本高，因此如何提高BGA器件的焊接质量成为SMT行业的首要问题。
1 故障现象
我公司某产品印制板的BGA、QFP器件进行贴装，在贴装操作过程中，从丝网漏印—器件贴装—回流焊，严格按有关要求和规定执行，贴装的每个工序和环节，检验部门都进行了跟踪和验收。贴装后的印制板全部外协厂对所焊BGA进行了X-ray检测，检测结果为：BGA焊点无虚焊、焊点与焊点之间无桥连现象。检测后的印制板经手工贴装了电阻、电容等器件后，在调试过程却发现这批印制板工作不正常，其中主要是电源部位短路。
2 原因分析
为了确认造成短路的主要原因，我们查阅大量资料，学习有关SMT知识，搜集造成焊接不良的各种因素。我们从人、机、料、法环五个方面进行了仔细的分析。
2.1 来料方面
根据国军标GJB3243-98“电子元器件表面安装要求”中的要求：电子元器件在测试、烘烤、周转和安装过程中应避免静电损伤、引线扭曲和变形；元器件的引线歪斜度误差不大于1.0%；元器件的引线的共平面度误差应不大于0.1 mm；印制板的弓曲和扭曲应不大于1.0%。
2.2 设计方面
2.2.1 印制板设计无基准标志
根据国军标GJB3243-98“电子元器件表面安装要求”：①对定位孔的要求为：印制板的四个角上，应至少有两个角上各设置一个定位孔，推荐四个角上各设置一个；定位孔作为焊膏施加和元器件贴装的原始基准时，必须保证孔的中心与焊盘图形的精度要求；定位孔的尺寸及位置有表面安装设备来决定。②光学定位基准标志要求为：对带有自动光学定位系统的高精度自动化表面安装设备，一般应在印制板一面两角上或三个角上各安排一个基准标志（称为板级基准），在大尺寸或细节IC焊盘图形的对角上或中心位置上各设置一个基准标志（称为局部基准），这些光学基准为高精度表面安装设备提供公共测量基准。该产品印制板既没有定位孔，也没有光学定位基准标志，即没有为高精度表面安装设备提供测量基准，在贴装过程中容易产生位置偏移，这也是引起短路等故障现象的原因之一。
2.2.2 印制板的特殊性
该产品印制板贴装的BGA器件型号为EP20K1000EFC672-2X，BGA焊球个数为：26×26-4（4个角的焊球为空置），此BGA焊球直径为0.6 mm±0.1 mm，印制板中BGA器件所对应的焊盘区域布满了直径为0.445 mm的对穿孔，焊盘直径为0.5 mm，焊盘与焊盘间距为1 mm，通过计算焊盘与对穿孔边沿之间的距离应为0.2345 mm，但部分对穿孔有偏移，不在中心位置。通过贴片机测量，焊盘与对穿孔较近的距离只有0.15 mm，也就是说，对穿孔与焊盘距离太近，因此BGA焊接时焊球塌陷后容易与距离太近的对穿孔相碰，造成短路。根据返修拆除BGA器件后的一块印制板图像（图1）可以看出，焊球痕迹与对穿孔距离十分接近，由于此处阻焊膜面积太小，如果阻焊膜太薄或附着力不好，在回流焊过程中焊锡容易穿过阻焊膜，造成焊球与对穿孔桥接，形成短路。
2.2.3 工艺方面
我公司SMT贴装设备自启用以来，分别贴装过含BGA器件的两个品种的产品，贴装后的这两个产品印制板通电调试全部合格。因此我公司具备一定的贴装能力，但由于公司军品贴装产品数量少，单价成本高，工艺及操作人员实践经验相对较少，还缺乏一定的贴装技巧和技能。根据以上分析，确认此次造成印制板短路原因为：印制板具有特殊性，焊盘间距小、对穿孔密度高，以及部分对穿孔位置有偏移；印制板存在特殊性，使用常规的模板漏印工艺，导致焊膏量相对偏多，易与对穿孔短路。
3 改进方案及实施
3.1 改进印制板阻焊膜
针对该产品印制板的特殊性（焊盘间距小、对穿孔密度高，以及部分对穿孔位置有偏移），我们对该产品印制板采取改善BGA焊盘部位的阻焊膜结构，我们及时联系印制板加工厂家，对其提出具体要求，建议完善BGA焊盘部位阻焊膜结构。最后厂家将BGA部位各焊盘之间的对穿孔用阻焊膜封堵，从而杜绝BGA器件焊接后焊球与对穿孔桥连。
3.2 改进漏印模板
针对该产品印制板BGA焊接后其锡量相对偏多的现象，在模板设计规范允许范围内我们采取改进漏印模板的方案，以减少锡膏量，避免BGA焊接塌陷后锡球与对穿孔相碰。我们在原漏印模板的参数基础上进行了改进：厚度由原来的0.15 mm改为0.12 mm，BGA焊盘部位开口由原来的100%改为80%。根据以上技术要求重新外协加工模板。
3.3 改进回流焊接工艺
在SMT工艺中，回流焊是很重要的一个环节，其焊接质量对最终产品的好坏起着至关重要的作用，因此焊接温度曲线是保证焊接质量的关键。为了进一步提高该产品印制板的焊接质量，必须设置一条合适的回流焊温度曲线，所以需对温度曲线设置进行完善和改进。
3.3.1 设置再流焊温度曲线的主要依据
①不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，首先应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置，因为焊膏中的焊料合金决定了熔点，助焊剂决定了活化温度（主要控制各温区的升温速率、峰值温度和回流时间）。②根据PCB板的材料（塑料、陶瓷、金属）、厚度，是否多层板，尺寸大小。③根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小及有无BGA、DSP等特殊元器件进行设置。 3.3.2 温度曲线的具体测试步骤
①准备好一块故障印制板（光板、贴片器件不全都不能反映实际热容量与空气对流传导的效率）。②选择能反映组装板上高（热点）、中、低（冷点）有代表的三个测试点（热点：一般在炉膛中间，无元件或元件稀少及小元件处；冷点：一般在大型元器件处，大面积布铜处、传输导轨或炉膛的边缘处、热风对流吹不到的位置），我们分别选择了BGA表面、BGA边角、BGA底部焊球三个测试点。③用高温胶带纸将三根热电偶的三个测试端粘在PCB的三个测试点位置上，需要特别注意的是测试端必须要粘牢，如果测试端翘起，采集到的温度不是焊点的温度，而是周围热空气温度。④将三根热电偶的另一端插入机器后面的1、2、3插孔的位置上，注意极性不要插反，并记住三根热电偶在表面组装板上的相对位置。⑤将被测的表面组装板置于再流焊机入口处的传送链上，同时启动测试软件，随着PCB的运行在屏幕上显示实时曲线。⑥当PCB运行过最后一个温区后，拉住热电偶线将表面组装板拽回，此时完成了一个测试过程。在屏幕上显示完整的温度曲线和峰值表。
经过反复测试，最终确定焊接温度曲线设置如下：
上温区（℃）：170 175 175 175 180 230 275 230
下温区（℃）：170 175 175 175 180 230 275 230
链速：80 cm/min。
在此温度曲线中，升温区的升温速率为：1.5～1.7 ℃/ s；焊接区183 ℃从融化到凝固的液态时间为64～69 s；焊接区最高温度为211 ℃～230 ℃（一般峰值温度在210～230 ℃之间）。
3.4 贴装工作
以上工作做完之后，我们对该产品印制板进行了贴装工作，如图2所示。
4 效果检查
贴装完成后，我们从两个方面对其进行检测。
①X-ray检测。利用X-ray检测仪对BGA焊点进行检测，通过对整体正面、三圈、气泡等几个方面检测焊点有无短路、锡珠、开路、空焊、虚焊等缺陷，检测结果如图3所示。整体正面图片可以清晰看出：焊点与焊点之间、焊点与对穿孔之间无短路、锡桥现象，也没有产生锡珠。三圈图片中看出明显的三圈，说明焊点二次塌陷良好，BGA焊接良好，无开路、空焊、虚焊等缺陷。气泡检测图中可以看出，气泡所有空洞面积占整个焊球面积的比例小于3%，根据IPC-A-610D电子组装件可接受条件中第8.2.12.4条，表面安装阵列-空洞可接受条件为：空洞小于25%焊球X-射线图像的面积。此结果说明焊接预热时间充分，温度曲线设置良好。
②电气性能检测。电源部位检测：通过对贴装的印制板的电气性能测量，电源部位没有短路；输入输出端口阻抗测量：通过对贴装芯片各接口的静态阻抗进行测量，所测数据与外协厂家贴装合格的印制板数据相同。
5 结 语
BGA器件的焊接是一门十分复杂的工艺，它不仅要保证BGA器件本身的质量，还受到印制板设计、设备能力、人为因素等各方面的影响，若只顾及某一方面是远远不够的。在以后的实际生产过程中我们还要不断研究和探索，努力控制影响BGA焊接的各项因素，使焊接达到最好的效果，进一步提高BGA焊接水平，完善高密度表面贴装器件工艺，提高合格率。
参考文献：
[1] GJB3243-98，电子元器件表面安装要求[S].
[2] IPC-A-610D，电子组装件可接受条件[S].
[3] 吴懿平，鲜飞.电子组装技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.