电路板无铅焊接之BGA

一、无铅焊接之BGA

（一）、无铅BGA规格照旧

前文中曾说明，无铅焊接之BGA基本设计仍可按现行有铅之做法，之焊垫最好採用NSMD方式以减少其应力的累积。不过由于锡银铜SAC的焊温较高，更需认真考虑原本怕热BGA在PCB上较好的安放位置。通常各类较大板面的焊接中，板边要比板中约高出5一l 5℃一般大型的B GA不但容易吸水，而且本身在高温受到的热应力衝击也很大。此等大件最好不要放在板边，一旦因佈线困难而不得不将大号BGA座落在板边时，则必须更加严格控制其焊接条件，以免造成伤害。

（二）、无铅BGA更须重视操作及检验

大发快盈500 为了方便更顺利调升温度起见，Reflow机组的加热段(Heating Zone)必须要比有铅者更多才好。若可能的话最好改用热氮气进行熔焊，对于OSP而言其良率将会更好。无铅焊接为了减少BGA受损起见，凡当进行产品首件(First Artic1e)之试焊时，其Profi1er全面测热器的感温线(Thermocouple)，必须要安置BGA之封体腹底或附近，以瞭解该大件之受热是否已超出温限，通常本体受到的温度要比球脚高出5℃。

为了更清楚瞭解无铅球脚已焊牢之外观与銲点起见，可採用特殊的侧视显微镜，以检视外围SAC球脚的表面特徵，下图即为其放大所见到的各球脚粗糙画面。

图1、左图说明侧视放大镜所见到无铅锡球焊后之外观，中为球面氧化现象，右为呈现扰焊后应力线突起情形。

大发快盈500 （三）、过渡期间的因应

至于BGA朝向全面无铅之过渡期间（例如已售出大型机器的后续维修），其三成员中若首先只将锡膏换无铅SAC者，通称为“正向匹配”；若先另将球脚换成LF时，称为“反向匹配”等两种半套无铅式焊接。下表即为因应转型期逐渐配合的途径。但此二种权宜做法都难免会出现“铅污染”的后患，进而容易发生介面开裂的烦恼。

图2、此图说明有铅、半无铅与全无铅于其三者温时曲线方面的比较。

大发快盈500 现以只换球而未换膏之半无铅者为例，当熔焊过程中膏已全熔而球尚未全熔之瞬间，于是有铅膏中的铅份会朝向无铅球中扩散，并集中在各品格的疆界(Grain Boundaries)处，造成整体銲点结构性的不均质与不稳固，下图即为此种现象之说明。

图3、此图说明无铅球与有铅膏共用下所形成的不良銲点，画面中见到的黑色花纹者即为铅份集中与杂质混合而成的疆界，埋下了不安定容易开裂的源头。另外浅色长条状者是Ag3Sn的枝状IMC，至于铜垫介面处者另为球状之IMC之Cu6Sn5。

大发快盈500 BGA无铅焊接经常会出现两大缺点；其一是因SAC球脚并未全熔，不但使其自我回正(Self-Alignment)的性能变差，并还隐藏著介面开裂的危机。其二是SAC球脚既未全熔，以致在球扁球垮(Ball Collapse)的情况不够下，每每造成球脚与焊膏之间的开裂(Open)。

图4、此图由于老外切片手的技术欠佳与摄影效果不够火候， 以致出现明显分格的突兀画面。此銲点是由无铅球与有铅膏所组成者，若就结构强度看来似乎比上图者要好一些

图5、此三图为编者所补充，说明电路板无铅焊接强热中，不但载板可能发生弯翘厚度较薄的PCB也会变形，使得无铅銲点之可靠度更将让人难以安心。

二、BGA/CSP组装后之修理

一旦完成中发现有少数瑕疵时，当然不能将昂贵的组装板迳行报废；而必须执行必要的返工与换修。此时须将有问题的BGA／CSP之器件从PCB板面折解，另将品质良奸的新件在原位重新焊接以便出货。此等高难度的Repair或Rework当然要用到精密的专业工具与熟稔的技术，才不致前功尽弃损失惨重。以下即为一般常见的修理方法：

（一）、加热解焊坏件换装新件

常见组装板局部解焊的方式有：烙铁(Soldering Iron)式的简单热传导法 (Conduction)  ；与较複杂的热风(Hot Air)式对流法(Convection)两类。前者是针对各种伸脚与插脚元件，或两端有封头的被动元件，施工时应选用适宜功率的烙铁头(Iron Tip)做为加热与运送銲锡的工具。小心将已解焊的旧件用特殊钳子进行移除，再将新件于原垫面小心焊上即可。

大发快盈500 （二）、热导与热风的有缺

（1）简单零件的重工

热传导(Conduction)烙铁方式工具简单、成本便宜、容易学习、操作快速，常用于QFP、PLCC，或某些散装(discrete)被动元件的重工换件。此法缺点是对技术员的技巧依赖很深，太快加热者也较容易引发元件或板材的烫伤。功率较高的烙铁甚至会造成板面焊垫的浮离，宜选用可调整功率(Power或watt)与可自我调节的烙铁头(Tips)等专用设备，以方便对大小不同的垫面施工，例如：Metcal公司Sinait Heat就是不错的商品化工具。

大发快盈500 （2）BGA/CSP的重工

至于面积性格列(Area  Array)球脚的BGA／CSP等则只能採用热风式(Convection)的加热工具，进行较複杂的修理工程。此等精密的专用设备都很贵，其热风流量与温度亦可随机调变，但须注意施工中不可伤害到附近的其他零组件。对于高价的BGA而言，重新焊装新件时必须要使用全新的銲料，且原垫面上的旧锡亦需全数移除，以保証新銲点金属细部品格的完美。

图6、左为烙鐡加热简单返工法的工具，右为热风专机在板面解焊除残鍚与重的实务工具图。

图7、左为扁平铜丝偏线在宽平烙铁的热源下，吸走BGA球垫残馀銲料之实务图;右图为专业除鍚器，因铜编线吸除的手动法对于小型CSP的铜垫伤害颇大， 此时可另採非接触式的自动除锡器，在热空气与眞空抽吸下可使垫面达到清洁的效果，而且还不致过热而伤及铜垫的安全。

大发快盈500 此时可採细铜丝製作之专用空心编线或穗线以吸走垫面的融锡。必要时还要用精密的牙医研磨工具或砂纸，以及使用溶剂做好铜垫事先的清洁工作，务须彻底去除铜面已长出的IMC，以确保后来銲点的强度与可靠度。

大发快盈500 （3）重印锡膏与再焊

以专用的印刷小钢板在銲垫区重印锡膏，再採用精密对淮的设备将全新BGA/CSP安放在定位的锡膏上，随后即以热风将之焊牢。要注意必须一次就做好，以减少焊垫与板材间所产生CTE差异之剪力伤害。由于BGA/CSP重工中所施加的热量，比起一般小零件要高出很多，是故尤其要小心施工。完工后还须用进行透视检查，以确保腹底内球均已焊妥。

三、结论

随著时间的无情脚步，全球无铅焊接的大限即将逼近，业界上下游备战时间已所剩无几。然而业界对无铅的痛苦与后患仍然警觉不足，多半的原因是每天工作太忙，在日日救火下根本无心顾虑到大半年以后的灾难；少部份的心态可能是自认工作经验早已炉火纯青，大不了兵来将挡水来土掩而已。抱持后者想法之人，正是所谓"无知者无惧"的颟预与幼稚！初生之犊不怕虎长出角来反怕狼， 古之明训岂可玩忽？无铅焊接最容易出问题者，正是BGA或CSP等球脚阵列之封装产品，由于腹底内外球之热量差异颇多〈10℃左右），加上无铅焊接热量剧增后造成载板弯翘之另番恶化，使得BGA焊接原有的缺失更再成为雪上加霜的致命伤。手机板上CSP或其他用途之大型BGA者，绝对将成为无穷痛苦的来源。