随着电子技术的不断发展，轻、薄、短、小已经成为电子产品发展的主流方向，这就给PCB封装带来了新的挑战，而球栅阵列（BGA）正是满足这种高I/O数的封装要求的技术。BGA封装即球栅阵列封装，它是在封装体（连接器）与PCB板连接面按阵列的方式引出焊料，在PCB板面对应位置设置圆形焊盘，通过回流焊等方式将元件与PCB板焊接的封装工艺。BGA封装具有高密度、小间距、高传输速率等特点，广泛应用于航空航天、数字通信等领域[1]。BGA封装是PCB制造中焊接要求最高的封装工艺。

        植球工艺作为BGA连接器生产中的关键工艺会直接影响器件与电路的性能及可靠性。本文将通过对植球工艺的影响因素进行分析研究，总结BGA连接器的设计要求、关键植球工艺参数以及相关的检验测试要求，供相关研究和生产制造人员参考。

        BGA连接器的植球工艺是指通过专用设备及工装使BGA焊球融化，并与接触件引脚或印制板焊盘熔接在一起，形成牢固连接的工艺操作过程。根据收集的相关资料，BGA连接器植球能力的实现主要通过热植球和激光植球两种方式，其工作原理及工艺路线如下。

1.1热植球工艺原理

        热植球是预先将焊料投放至焊盘位置，再通过加热将焊料融化焊接至焊盘，可实现多点同时植球。植球过程包括焊盘清洁、涂覆助焊膏、投放锡球、加热植球、焊点检查清洁、焊点检测等步骤，具体工艺路线如图1所示。

图1 热植球工艺路线图

1.2激光植球工艺原理

        激光植球无须预先涂覆助焊剂、投放锡球和加热焊接，锡球通过分球圆盘逐一送入喷嘴，利用脉冲激光高峰值功率瞬间将锡球融化，并以一定气压压力将熔融后的锡球喷射到工件表面，快速冷却，如图2所示。

图2 激光植球原理图

2.1 设计因素

2.1.1接触件的材料及镀层

        在兼顾连接器机械、环境性能的前提下，连接器的信号接触件应选用导电性能良好的铜合金材料，并对其表面工艺进行严格控制，以减小连接器在信号传输过程中高频分量的衰减。

        为避免产品植球过程以及焊接使用过程中出现虚焊等不良情况，接触件尾部焊接区域应采用可焊性较好的镀覆工艺，常见的选择有镀金、镀锡、镀可焊镍等。其中接触件镀层选择镀金时需考虑到除金要求，焊接区金层厚度一般不超过0.8 μm，镀层在0.8～1.27 μm需进行一次除金处理，超过1.27 μm应进行两次除金处理[2]。

2.1.2阻焊设计

        为防止产品植球以及焊接过程中出现焊料爬升迁移现象，导致焊点焊料不足，连接器设计时应考虑阻焊设计，常见的阻焊设计包括接触件镀层设计以及连接器结构设计。

        接触件镀层阻焊设计：在接触件对接区与焊接区之间设置可焊性较差的镀镍层进行隔离，为保证良好的阻焊效果，镀镍层长度推荐设置在1 mm以上。

        连接器阻焊结构设计：接触件设计时可通过与塑胶零件过盈配合，或采用Insert Molding、灌胶等方式实现连接器结构上的阻焊设计。

2.1.3锡球尺寸选择及接触件焊盘设计

        锡球的尺寸选择通常由产品的接触件节距决定，植球的焊盘直径应略小于焊球直径，表1展示了0.3～0.75mm锡球所适用的产品节距以及植球焊盘尺寸推荐值[3]。

表1 锡球适用的产品节距以及植球焊盘推荐尺寸  单位mm

2.2 植球工艺参数

2.2.1热植球工艺参数

        从热植球工艺路线分析，影响热植球的主要参数为时间—温度曲线。热植球参数与选用的加热设备相关，为保证植球过程中温度的精确调控，热植球通常采用十温区以上的回流焊炉进行。常见的锡铅焊料以及无铅焊料适用的植球温度曲线如图3及表2、表3所示。

图3 热植球温度曲线原理图

表2 锡铅焊料热植球温度曲线参数

表3 无铅焊料热植球温度曲线参数

        对于锡铅焊料，业界对其成分的共识是：SnPb37共晶焊料，熔点为183 ℃。根据相关验证结果，需要将温度维持在190～225 ℃（温差是35 ℃），以达到良好的植球效果。

        对于无铅焊料，常用的为锡银铜焊料，焊料包含3%～4%的银、0.5%～0.7%的铜，其余为锡。这些合金的熔点为210～220℃，而连接器结构中的塑胶零件限制了温度曲线的最高温度，为了能适应这些限制，防止塑胶发生热变形，无铅焊料热植球的峰值温度应该保持在245 ℃以下[4]。

        如温度曲线设置不当，会造成植球后虚焊、锡球空洞、锡球氧化等缺陷。在BGA连接器的实际生产过程中，需要根据连接器的结构、采用的助焊膏种类等进行综合考虑，设置最佳的植球温度曲线。

2.2.2激光植球工艺参数

        激光植球是通过激光束将锡球融化后，利用一定气压的氮气将锡球喷到焊盘上。影响植球效果的工艺参数主要包括激光的能量、喷球时的气压以及喷嘴距离焊盘的高度等。激光植球的参数与使用的设备相关，针对验证结果对激光植球参数有以下结论：

（1）无铅锡球所需激光功率大于有铅锡球。

（2）锡球直径越大，所需激光功率和时间越大。

（3）当激光功率过大时，会导致焊盘烧焦发黑现象，从而导致虚焊等问题。

（4）喷球时气压与锡球直径、喷嘴直径、喷嘴距离焊盘位置相关；锡球越大、喷嘴直径越大、喷嘴距离焊盘越远时，所需的气压越大。

（5）喷嘴与焊盘的距离主要由锡球直径以及焊盘大小决定。喷嘴距焊盘较远时会出现锡球偏移、虚焊等现象。

        结合应用场景分析，BGA连接器多为芯数多、节距小的产品，根据热植球工艺路线，植球工艺过程的难点在于如何实现将多个锡球投放到指定位置，保证植球过程中不出现缺球、多球、投放歪斜现象。

        根据连接器结构以及试制和批产需求，锡球投放过程可采用手工治具或自动化设备实现。

3.1手工治具投放锡球

        针对连接器芯数相对较少、锡球相对较大的产品以及前期产品试制过程，可通过手工治具的方式投放锡球，主要过程如下：

（1）锡球载板按产品排列进行开沉孔，开孔直径略大于锡球直径，开孔深度为一个锡球直径。

（2）将固定框放在锡球载板上后将锡球撒入固定框内，通过振动、毛刷等方式使锡球落入锡球载板对应开孔内，通过对开孔尺寸的控制保证每个孔位内有且仅有一颗锡球。

（3）移除固定框，扫去多余锡球，检查锡球载板内是否均有锡球。

（4）将需要植球的产品通过工装定位后倒扣在锡球载板上，翻转工装，通过振动加压等方式使锡球落到定位后的产品焊盘上。

（5）检查产品上每个点位是否均有锡球，合格后送入回流炉进行加热植球。

3.2自动化设备植球

        依靠手工治具进行植球无法保证所有锡球均投放到位，当芯数较多、锡球较小、产品节距较小，或产品批量生产时，依靠手工治具无法满足需求，可采用自动化设备完成植球过程，主要过程如下：

（1）手动上料：将需要植球的产品放至植球机工作台上。

（2）植球工位移动：将需要植球的产品移动到对应工站完成涂助焊膏、植球、检测等工序。

（3）涂助焊膏（蘸胶、点胶）：按照产品加工印制锡膏的钢网，通过刮刀将助焊膏涂到陶瓷基板上，再通过弹性针头将助焊膏转移到产品上，如图4所示。

图4 自动植球机涂覆助焊膏示意图

（4）投放锡球：

a）铺球：通过振动、吹气、毛刷等方式将锡球投放到载板上；

b）吸球：通过真空吸嘴吸取每一颗锡球；

c）检测：通过CCD检测设备检查真空吸嘴上有无缺球、多球、废球，出现缺球将锡球转移至废球收纳盒；

d）投放锡球：检测ok的锡球通过真空吸嘴转移至产品上，如图5所示。

图5 自动植球机投放锡球示意图

（5）出料：检测植球完成后产品有无缺球、歪斜等不良情况，然后转移至回流炉进行加热植球。

        BGA连接器在植球完成后除进行外观检查外，还应包括锡球共面度、拉脱力、剪切力、可焊性、焊接缺陷等检测[5]，具体检测要求如下：

（1）锡球共面度：是指锡球每个顶点和基座平面之间距离之差的最大值，如图6所示。除另有规定外，BGA焊球共面度大于150μm，则应视为不合格。

图6 BGA连接器的共面度

（2）锡球拉脱力：是指施加于焊球垂直于器件表面并将锡球从该表面拉脱的力，如图7所示。

图7 拉脱力测试示意图

        焊球拉脱力随焊球类型、焊球大小、焊盘大小而变化，表4列出了常见锡球拉脱强度推荐值。

表4 焊球拉脱强度推荐值

（3）锡球剪切力：是指施加于焊球上平行于器件表面的推力，如图8所示。

图8 剪切力测试示意图

        焊球最大剪切力随焊球类型、焊球大小、焊盘大小而变化，表5列出了常见锡球剪切强度推荐值。

表5 焊球剪切强度推荐值

（4）可焊性：可焊性试验是通过模拟BGA表面焊接工艺，评估或判定器件可焊性能力。BGA连接器经回流焊接后应符合以下要求：

a）焊球之间无粘连、桥接现象；

b）焊球浸润部分表面连续覆盖新焊料涂层的面积大于95%。

（5）焊接缺陷检测：植球后产品应无虚焊、焊球歪斜、焊球空洞、焊料桥接、焊盘开裂等不良情况。

        本文针对热植球以及激光植球两种工艺路线介绍了BGA连接器的植球工艺，总结了植球工艺过程中的主要工艺参数和关键技术的解决方法，并针对植球工艺提出了对BGA连接器的设计要求以及植球工艺相关的主要检测项目和检测标准。

        随着电子元器件的快速发展，BGA连接器也会向更高密度、更小型化的方向发展。影响植球效果的影响因素很多，除了文中提到的主要工艺参数以外，助焊剂的种类及用量、器件结构及材料、操作环境等多种因素都会对植球效果产生影响。这就需要研究人员不断探索，运用专业能力灵活解决产品设计、生产、测试过程中的各种问题，以保证BGA产品的可靠性和稳定性。