球栅阵列（BGA）元器件由引脚网格阵列（PGA）器件演变而来，它继承了许多相同的电气优势，同时引入了更紧凑、更高效的互连形式。

　　BGA不使用分立的引脚，而是依靠封装底部的焊球来连接到PCB。在一些先进设计中，PCB和BGA封装上都有焊球。

　　在堆叠配置中，例如封装上封装，这些焊球还用于互连多个封装，从而在更小的外形尺寸内实现更高的功能集成。

　　BGA的优势

　　与其他封装类型相比，BGA具有以下多种优势：

　　▪ 高电路密度：其紧凑的布局支持电子产品先进的小型化趋势。

　　▪ 改善的热传导性：更短的散热路径减少了内部芯片的过热问题。

　　▪ 低电感：更短的互连可最小化高频信号的失真。

　　由于这些优势，BGA已成为先进电子产品的关键组成，包括智能手机、汽车电子控制单元、航空航天系统和军用级模块等领域。

　　缺乏机械顺应性

　　BGA的缺点之一是缺乏机械顺应性。与具有可弯曲引脚的封装不同，焊料球是刚性的。这使得BGA容易受到以下因素的应力影响：

　　▪热循环（封装与PCB之间的热膨胀系数差异）▪振动和机械弯曲，尤其是在高要求的环境中

　　为了解决这个问题，通常会使用填充材料来重新分配应力并提高机械可靠性，特别是在关键任务系统中，如航空电子设备、军用处理器和汽车控制器等。

　　BGA引脚上覆盖透明保护硅胶的实例

　　图1：填充工艺的剖面实例

　　重植BGA焊料球的必要性

　　在制造或翻新BGA的过程中，需要重植焊料球有以下多种原因：

　　1. 焊料合金的转换：许多国防和航空航天应用要求使用SnPb（锡铅）焊料，以确保可靠性，因此需要将标准的无铅焊料转换为锡铅焊料。

　　2. 翻新与维修：重植焊料球可以延长高价值元器件的使用寿命，否则这些元器件可能会被废弃。

　　3. 保证质量的返工：在来料检验过程中发现焊料球被损坏或被污染，可以通过重植焊料球进行更换。

　　重植焊料球工艺

　　图2：基于夹具的重植焊料球工艺

　　选择重植焊料球服务提供商

　　在外包重植焊料球工艺时，采购人员和工程师应该寻找符合IPC J-STD-001、IPC-7711、GEIA-STD-0006和IEC TS 62647-4标准的服务提供商。需要验证的关键能力包括：

　　• 封装尺寸为 3 × 3 mm ~ 60 × 60 mm• 引脚间距为 0.20 mm ~ 1.5 mm• 焊料球直径为 8 mil ~ 35 mil• 支持的方法：基于夹具的重植焊料球和预制件/钢网系统

　　彻底的后处理检测是必不可少的。服务提供商应该能够完成共面性检查、焊料球体积测量、碎屑检测以及短路/开路分析。

　　重植BGA焊料球的风险

　　尽管重植焊料球是有效延长BGA元器件使用寿命的方法，但如果在未经严格控制的条件下进行，仍然存在若干固有风险。

　　在去除焊料球或回流过程中，过度的热量可能导致焊盘分层、焊盘浮起或载板翘曲，这些问题可能会使元器件无法使用。

　　在工艺之间清洁不充分会增加残留助焊剂截留或离子污染的风险，这可能会影响长期可靠性并引发电化学迁移。

　　焊料球错位或焊料分布不均可能导致共面性问题、桥连或“枕头效应（head-in-pillow）”缺陷，如果没有先进的X光检测技术，很难发现这些缺陷。

　　此外，在多次返工过程中反复加热可能会使元器件的金属化层退化，进而削弱其整体机械强度。

　　因此，重植BGA焊料球应该只能由经过培训的技术人员在受控设备、验证的工艺和全面的检测流程下完成，以最大限度地降低风险并确保符合IPC及行业标准。

　　降低重植焊料球风险的最佳常规方法

　　• 热量管理：使用严格控制的回流温度曲线，避免过热引起焊盘分层、焊盘浮起或载板翘曲。

　　• 工艺清洁度：确保在去除焊料球工艺与重植焊料球焊接工艺之间彻底清洁，以去除助焊剂残留物并防止离子污染。

　　• 精准的焊料球定位：使用夹具、钢网或预制件，确保焊料球的精确对齐和均匀的焊料分布。

　　• 检测工艺：根据IPC-A-610和IPC-7095标准，进行目检和X光检查，以检测共面性问题、焊料桥连、空洞或隐蔽缺陷。

　　• 次数限制：尽量减少重植焊料球或返工的次数，以减少金属化疲劳并延长元器件的使用寿命。

　　• 标准符合性：验证所有工艺是否符合适用的要求，如IPC J-STD-001、IPC-7711、GEIA-STD-0006和IEC TS 62647-4。

　　• 具备资格的人员和设备：只使用经过培训的技术人员和经过校准的自动化设备，以确保工艺的可重复性和可靠性。

　　检测挑战

　　目检根据IPC-A-610标准，检查人员使用显微镜或内窥镜检查是否有缺失的焊料球、焊料桥连以及焊料球尺寸的一致性。适当的照明、放大倍数选择及操作员培训是确保检查一致性的重要因素。

　　X光检查由于大多数BGA焊点是隐藏的，X光检查对于发现目检无法检测到的缺陷（如枕头效应、空洞或短路等）至关重要。多角度成像可以提高缺陷检测的可靠性。

　　（图3：重植焊料球缺陷的X光视图）

　　结论

　　重植BGA焊料球是经过验证且可靠的工艺，可用于延长高价值元器件的使用寿命和可用性。无论目标是为了满足国防及航空航天合规性而转换焊料合金、翻新元器件以继续使用，还是恢复元器件的初始技术规范，重植焊料球都为制造商提供了比报废更具成本效益的替代方案。

　　当正确完成工艺时——通过受控的温度曲线、精确的焊料球定位和彻底的检测——重植焊料球能够确保元器件满足商业、军用和航空航天应用的严苛要求。通过遵循行业标准并采用完善的检测方法，工程师和采购人员可以自信地将重植焊料球纳入返工策略，保持先进电子组件的性能和可靠性。

　　随着电子设备不断缩小，同时对更高可靠性和处理能力的需求不断增加，重植焊料球将会在维持供应链、满足合规需求以及延长关键元器件使用寿命方面发挥越来越重要的作用。

　　【本文转自公众号电子首席情报官ECIO，转载仅供学习交流。】