[FLYIF]谈关于FBGA封装芯片的手工焊接经验

By | 2018年2月27日

作为电子小白最近给一台即将报废的手机更换了emmc芯片,该芯片是FBGA封装,焊接难度较大,尤其刚开始因为不得要领失败了很多次,并且交掉了一颗8G芯片做了学费[/流泪],本文分享一些自己总结的经验,也不一定正确,欢迎指正。

常见芯片封装

一般常见的芯片封装有DIP,QFP,PGA,BGA,CSP等,它们的特点简述如下:
- 其中DIP(Dual Inline-pin Package)双列直插式封装技术,老式芯片如廉价单片机等大多采用这种形式;
- QFP(Plastic Quad Flat Package)方型扁平式封装技术,以表面贴片形式焊在电路板上,焊这种芯片可以使用拖焊的焊接手法;
- PGA(Pin Grid Array Package)插针网格阵列封装技术,这种芯片底部大多有密集的针脚,一般安装在PGA插座中,老式奔腾系列CPU多件这种封装形式;
- BGA(Ball Grid Array)焊球阵列封装技术,这种芯片与PGA的区别是底部的是焊盘而不是插针;
- CSP(Chip Scale Package)芯片尺寸封装,其跟上面技术最大的区别在于其封装尺寸和芯片核心尺寸基本相同,uBGA、WBGA、TinyBGA、FBGA等均属于CSP的表现形式。

FBGA芯片的常用焊接方法

一般工厂中都有自动化生产线,大多在点胶机和丝网印刷机之后都有SMT贴片机,用于将表面贴装元件准确的放置在PCB板上,然后用回流焊技术进行贴装(也就是将已经在电路板上的元件加温焊上去,跟热风枪原理差不多);工厂中另一种常见的焊接技术叫波峰焊,多用于焊接需要PCB打孔的插件(如DIP);

其实对于焊接贴装芯片,最重要的是做好温度控制。对于维修行业多使用BGA返修台等设备,能做到精确温度控制的大多在4K以上,带光学对焦可以将芯片自动贴装的设备至少1.8W。另外次高档的淘宝有几百块的预热台也可以增加成功率,当然为拆个破手机上面这些败家设备肯定犯不着了,下面说说如何用持家良品热风枪进行焊接。

工具、步骤及注意事项

首先焊接FBGA芯片除了必备热风枪外,最好要有以下的工具:吸锡线、电烙铁、焊油、植锡网、锡膏、刮刀、洗板水。

一般焊接都有以下焊接步骤:

植锡

FBGA全靠芯片正下方的焊盘与PCB连接,因此焊接前先要给芯片焊盘上植上锡球(一般新买来的芯片商家都会植好,可以跳过这一步)。

最标准的植锡方法是通过锡球进行植锡,具体方法也比较多,效率最高是通过植球台,最底下放芯片,上层两张同样的用植球台盖夹好的植锡网,一张网上放锡膏,一张上放锡球,先放有锡膏的网,隔网用刮刀刮一遍,然后换锡球网,晃动进行植球,然后取下芯片放预热台加热植球,此法可以批量生产,效率极高。当然需要的设备也多。

另外一种锡球植锡方法是只用一张锡网放锡球,底部放芯片并在芯片焊盘上刷好焊油,然后摇晃放锡球的植锡网进行植锡,使锡球通过焊油粘在芯片焊盘上。我在没有植球台的情况下试了一下该方法,失败告终。

第三种论坛提供的方法是用镊子直接在芯片焊盘上摆锡球。我想了想用镊子在芯片上摆153个0.3毫米的锡球那我一定是疯了,直接没试,从网上反馈结果来看这方法纯属坑人。

植球失败后下面说家用最靠谱的方法:锡网锡浆植锡,简单说就是芯片压网下面,然后上锡浆,用刮刀将锡浆在锡网上刮平,然后热风枪吹球,芯片一取,洗板水一洗,剔除没在焊盘上的锡,热风枪将锡点吹圆滑,搞定!

锡网锡浆植锡说起来简单,但纯属手艺活,失败率极高,因此没练好千万别拿自己的爱机直接上,交学费的概率超过90%,下面重点说这种方法的注意事项:
1. 部分植锡网有正反面(孔壁非垂直),因此植锡时最好有字的一面朝上;
2. 植锡网在使用前一定要清洗干净!!!这个很重要!否则很有可能导致芯片与植锡网有缝隙而产生连锡;
3. 芯片压网下面后,芯片焊盘一定要跟网孔完全对齐;
4. 【重要】不管是刮锡还是用热风枪吹的时候,锡网一定要跟芯片贴紧。有人用镊子用力按住锡网两边,这种有可能导致锡网中间翘起然后失败,因此压好后应该用镊子按压锡网检查芯片焊盘是否有光影变化,如果有肯定是没压好。另外可以在将焊盘对好之后先用热风枪对一下,这样可以有效避免中间凸起。另外为了避免在吹球的过程中凸起,可以在有条件时用镊子压芯片中央,另外有些植锡网压芯片中央会导致四周凸起,也需要注意。
5. 刮浆的时候要刮平,刮完之后用纸巾或者棉签擦去多余的锡浆。另外我一般在刮之前在网孔上吹一些焊宝,但这样做会导致进入网孔的锡浆量减少并导致锡珠成长不及预期,如果吹一定要趁焊宝液态的时候刮完锡。
6. 【重要】热风枪吹球的时候风速一定要调小(我一般使用100的风速280的温度)。吹的角度一定要倾斜,一般与植锡网呈20到30度夹角,千万不能垂直于植锡版!热风枪风嘴一般离网2CM左右。(只要风速一大很容易使焊锡沸腾或者从网里面蹦出来,只要发现吹着吹着有一个孔给吹空了基本上意味这此次植锡就失败了。另外垂直吹也未尝不可,但是必须使用更小的风速,出风口要与网保持更远的距离,极难控制)
7. 吹球的目标是网孔出现金属光泽,一旦出现金属光泽应当立即停手去吹其他的网孔,整个过程要跟赶羊的一样,一排一排的赶完即可,千万不要对着已经吹化的网孔一直吹,很容易导致爆锡;
8. 吹球完毕后用镊子顶芯片引脚的对角线可以轻松的将芯片从网上取下,千万不要直接扣芯片,否则很容易因为爆锡某个焊盘卡在网上,然后整个焊盘被扯下来,我的8Gemmc就是这么没的;
9. 芯片植锡完成后,先仔细的检查有没有引脚被焊锡连一块,如果有看看焊锡是否能清除,要是面积大除不掉也不要硬抠,用吸锡线吸干净再来一遍即可。除完不在焊盘的焊锡(最好用洗板水洗一下,我没有洗板水用酒精代替了,效果一般),然后用热风枪开小风将锡球吹圆滑就OK;
10. 有网友分享在植锡网与芯片对孔之前先给芯片四角挂点锡容易定位,亲测确实有一些帮助。
11. 【最重要的几点】A:芯片上所有的锡球要一样大!不一样大的重新植!否则贴上去不是短路就是虚焊!B:锡球可以小一些,一般不要紧,最重要的还是第一条,锡球一定要一样大!!!

贴装FBGA到PCB

在将芯片贴装到电路板上的时候,一定要先将电路板上的焊盘清理干净,一般而言芯片跟PCB只能有一个植锡,当然如果锡球植到了PCB上,这里该清理芯片了。

清理之后将芯片与电路板上的框线对齐,然后开热风枪焊接(我一般风速450,温度300),热风枪要与芯片垂直,不然很有可能吹跑了。据说芯片引脚只要与PCB焊盘对齐60%以上,等焊锡融化后其张力会将芯片自动扶正,据说在这个过程中芯片会微微移动,而且这种移动可以作为焊接完成的标志,但我眼瞎就从来没观察到这种移动,也有可能是我一开始就对的太齐了。因此我判断焊接完成完全是靠经验,另外网上说焊好后拿镊子轻轻推一下芯片,芯片能自动归位,我这种手残试了几次,没一次归位的,估计是推太狠了。后来才发现焊好后拿镊子在芯片上盖上轻轻的碰击,芯片有归位的迹象,也许网友也是这意思吧,好吧我承认我想当然了。(另外焊接完成后芯片与框线将对的十分整齐,这也可以作为焊接完成的标志)

另外,注意焊接过程中的温度控制,专业的BGA返修台都有预设的温度曲线,热风枪这种就全靠经验了,总之别太高,印象中大多芯片的耐温也就260左右。当然也不是热风枪开260芯片温度就是260,这是两个概念。

写在最后

折腾了几天最终掌握了FBGA的焊接方法,文章最后写点题外话。

一般来说金属锡Sn是一种对身体有益的金属元素,尤其在抗癌方面有一定的应用,但其熔点为231.89℃,因此为了降低电路焊接难度,当前我们使用的焊锡大多为铅锡合金,其比例为锡63%,铅37%,熔点为183℃,虽然加铅会有效的降低熔点,但是铅Pb(熔点327.50℃)作为一种重金属,对人体有极大危害,而且血铅进入人体后很难排出,将给人体,尤其是儿童,造成不可逆的伤害。

因此奉劝各位在焊接工作过程中一定要注意安全,焊接中加热至400℃~500℃时,将有大量铅蒸气逸出,并在空气中迅速氧化成氧化亚铅,而凝集为铅尘。所以焊接场所一定要通风,同时带好口罩勤剪指甲,工作之后一定记得洗手。2006年的欧盟立法制定的一项强制性标准ROHS标准,当前销往欧洲日本等的电子设备必须采用环保的焊锡(主要是锡铜银合金,熔点218℃),但考虑到焊接难度等问题,尤其本例是使用的锡膏,其中用含铅焊锡工作的应该是绝大多是,因此一定注意安全,焊完之后收拾干净,没事少碰焊锡,毕竟健康最重要,其他的事开心就好\^-^

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