BGA元件的维修技术与操作技能

       球栅列阵封装技术（Ball Gird Arroy），简称BGA封装早在80年代已用于尖端军备、导弹和航天科技中。

　　随着半导体工艺技术的发展，近年来在手机亦广泛地使用到BGA封装IC元件，它对于手机的微型化和多功能化起到决定性作用。但是，手机制造商却同时利用BGA元件的难维修性，人为加进某些限制来制约手机维修业界，使我们在维修BGA过程中碰到一定的困难，甚至无从下手。笔者从事电子通讯维修十年，并对SMD元件的焊接、解焊设备略有琢磨，籍此向同行介绍BGA元件的维修技术与操作技能，望能以"抛砖引玉"，将技术提高到更高层次。

　　 一． BGA维修中要重视的问题
　　 因为BGA封装所固有的特性，因此应谨记以下几点问题：
　　　 ①防止焊拆过程中的超温损坏。
　　　 ②防止静电积聚损坏。
　　　 ③热风焊接的风流及压力。
　　　 ④防止拉坏PCB上的BGA焊盘。
　　　 ⑤BGA在PCB上的定位与方向。
　　　 ⑥植锡钢片的性能。
　　BGA在PCB板上的装联焊接本是电子工厂自动化设备进行的，业余情况下碰到上述的问题虽有难度，但凭着细心、严谨、科学的态度，借助先进的返修设备工具，操作容易、成功率是较大的。

　　 二． BGA维修中要用到的基本设备和工具
　　BGA维修的成败，很大程度上决定于植锡工具及"热风枪"。笔者及很多同行碰到最多的难题还是植锡困难和"850"操作温度和风压"无谱"，就算采用"白光"850热风枪也都会因电压变动的原因，温度和气流也很难掌握，不知不觉中损坏BGA和主板，因此成功率不高。笔者从维修设备市场几经筛选，从精度、可靠性、科学性角度最终还是选用了以下的设备和工具（如下图）：
　　 ① SUNKKO 852B 智能型热风拆焊器。
　　 ② SUNKKO 202 BGA防静电植锡维修台。
　　 ③ SUNKKO BGA专用焊接喷头。
　　 ④ SUNKKO 3050A 防静电清洗器。
　　 而真空吸笔、放大镜（显微镜更好）则作为辅助使用。

　　 三． BGA的维修操作技能
　　 ⑴．BGA的解焊前准备。
　　 将SUNKKO 852B的参数状态设置为：温度280℃~310℃；解焊时间：15秒；风流参数：×××（1~9档通过用户码均可预置）；（如下图）
最后将拆焊器设到自动模式状态，利用SUNKKO 202 BGA 防静电植锡维修台，用万用顶尖将手机PCB板装好并固定在维修台上。
　　 ⑵．解焊。
　　 解焊前切记芯片的方向和定位，如PCB上没有印定位框，则用记号笔沿四周划上，在BGA底部注入小量助焊剂，选择合适被解焊BGA尺寸的BGA专用焊接喷头装到852B上，
将手柄垂直对准BGA，但注意喷头须离开元件约4mm，按动852B手柄上的启动键，拆焊器将以预置好的参数作自动解焊。解焊结束后在2秒后用吸笔将BGA元件取下，这样可使原锡球均匀分在PCB和BGA的焊盘上，好处是便于续后的BGA焊接。如出现PCB焊盘上有余锡搭连，则用防静电焊台处理均匀，严重的搭连，可以PCB上再涂一次助焊剂，再次启动852B对PCB加温，最终使锡包整齐光滑。通过防静电焊台采用吸锡带将BGA上的锡完全吸除。注意防静电和不要过温，否则会破坏焊盘甚至主板。
　　 ⑶．BGA和PCB的清洁处理。
　　 使用高纯的洗板水将PCB焊盘清洁擦净，采用超声清洗器（要带防静电装置）装入洗板水，将拆下的BGA进行清洗干净。
　　 ⑷．BGA芯片植锡。
　　 BGA芯片的植锡须采用激光打孔的具有单面喇叭型网孔之钢片，钢片厚度要求有2mm厚，并要求孔壁光滑整"齐，喇叭孔的下面（接触BGA的一面孔）应比上面（刮锡进去小孔）大10μm~15μm。（上述两点通过十倍的放大镜就可以观察出）。这样才能使漏印而锡浆容易落到BGA上，要注意现市场上较多的劣质钢片都不是激光加工的，而是化学腐蚀法，它除了孔壁粗糙不规则，网孔没有喇叭形或出现双面喇叭孔，这类钢片在植锡时碰到的困难就很大了。采用上述的BGA维修台中之植锡功能→模板和钢片，先在定位模板找到相应的凹位，将BGA元件用双面胶粘到凹槽内，将带有精密定位方、圆孔的钢片放到定位模板上，再用其附件磁力压块将钢片压贴模板上。由于该套工具独特的三重精密定位装置（BGA→模板→钢片），保证就算闭上眼亦能将钢片网孔很方便、很准确地对准BGA元件小焊盘（但切记钢片刻有字的为向上）。用小刮刀将小量的、较浓稠的锡浆刮到钢片的网孔里，当所有网孔已充满后，从钢片的一端将钢片慢慢地掀起，BGA芯片上即漏印出小锡堆，再次用拆焊器如前述对其加温，使BGA上锡堆变成列阵均匀的锡球。如个别焊盘未有锡球，可再压上钢片进行局部补锡。笔者不赞同连钢片一起加温的办法，因为这样除影响植锡球外，还会将精密的钢片热变形而损坏。
　　 ⑸．BGA芯片的焊接。
　　 在BGA锡球和PCB焊盘上沾上小量较浓的助焊剂（要求高纯，可采用活性松香加入到分析纯酒精中溶解出），找回原来的记号放置BGA。助焊的同时可对BGA进行粘接定位，防止被热风吹走，但要注意不能放太多焊剂，否则加温时亦会由于松香产生过多的气泡使芯片移位。PCB板同样亦是安放于防静电维修台中用万用顶尖固定并须水平安放。将智能拆焊器参数预设为温度260℃~280℃，焊接时间：20秒，气流参数不变。BGA喷咀对准芯片并离开4mm时，触发自动焊接按钮。随着BGA锡球的熔化与PCB焊盘形成较优良的锡合金焊接，并通过锡球的表面张力使芯片即使原来与主板有偏差亦会自动对中，如此大功告成。注意焊接过程中不能对BGA进行施压力，哪怕风压太大亦会使BGA下面锡球间出现短路。单面喇叭孔印锡

         四． BGA焊接过程的分析
　　 大家知道BGA元件的"娇"，亦知道PCB主板的"嫩"，是异常精密的多层立体交叉式布线，大部分的过层走线只有头发丝的几分之一，因此在焊接过程中往往是决定BGA成败的关键。"拆焊器"的操作与调整相当重要，一是温度，二是气流风压，都必须一清二楚，不能随便，否则前功尽废，甚至带来无可修复毁坏结果，所以使用传统850型"热风枪"就要格外小心，最好先用温度计先测量出热风温度，切不要拿BGA线路板去试吹。为什么相当维修人员觉得焊接BGA太难，主要还是无法掌握"热风枪"的热风参数，依靠主观判断或"经验"去焊接高要求、高精度的BGA元件，从实际和科学的角度上来看，非常的不严谨，自然成功的几率也就低了。
　　 超温焊接操作，虽然速度很快，但带来两个问题：
　　 ①BGA锡球应与PCB焊盘所形成的合金成份变得脆、硬并且由于高温氧化而生成疏松的晶粒结构，PCB在装机时氧化的锡球受力容易断裂，出现不良虚焊。
　　 ②超温会使"嫩"的多层布线主板局部过热变形，严重时起泡分层而报废。同时，现时相当多的维修者使用"热风枪"吹焊BGA时因为没有专用BGA风咀，简单采用将"热风枪"原喷咀拿掉进行操作，由于此时的热风范围很大，往往是将BGA旁的SMD元件一起受热，造成了BGA是焊好了，但其周边的不耐热元件（如钽电解电容、陶瓷元件等）则烧坏，而使用BGA专用风咀就可以安全避免这问题的发生。 过大的风流风压施加在BGA芯片上，等同于外力压到芯片上，由于BGA芯片轻而薄，有可能使锡球内部搭连，前功尽弃。因此，在焊接BGA过程中，科学地设置合适的温度、风流、时间、焊接区域四个参数显得尤为重要。

　　 五． BGA焊接后的检查与PCB主板的清洗
　　 非专业人员都不具备专用检查BGA焊接质量的X线探测设备，因此我们只能借助放大镜灯对已焊上PCB的BGA元件进行检查，主要是芯片是否对中，角度是否相对应，与PCB 是否平行，有无从周边出现焊锡溢出，甚至短路等，否则都要重新拆焊，绝不能草率地通电试机，以免扩大故障面。而只有在检查无误时方可通电检查电性能和功能。另外，在通电检查性能功能正常后，应对BGA元件及PCB进行超声清洗，以去掉多余的助焊剂和有可能出现的锡屑。

        BGA元件安装在手机主板，除了利用锡球焊接PCB外，还在BGA和PCB之间的缝隙注入强力胶水进行加固。而在我们的维修过程中，如何将胶水去掉以利植锡和焊接，这是技能之一；在BGA或PCB的拆焊过程中，由于对"热风枪"温度的难以掌握，往往会错手损坏焊盘甚至脱落，碰到这个问题该如何办呢？这是技能之二；今后随着手机设计技术的发展，其内部线路将大规模地集成为单片化BGA，这样使得BGA的尺寸增大许多，事实上现在有些机型已是这样，而在返修这种大型BGA时，我们应掌握那些较科学的方法，而不是让读者去猜什么"绝技"呢。这是技术之三。以下分别一一介绍。

　　 一． 胶水的处理
　　 据笔者掌握，现在手机主板和BGA之间所使用的胶水，基本是三大类型：①醚类粘胶。②环氧树脂粘胶。③聚脂粘胶。而这些胶水在生产施工时，有可能是双组份型固化或紫外光固化，因此，如要对其进行溶胶处理，确有一定困难。现在我们所采取的有效办法是：选取对应的溶胶水并要选无腐蚀性的和挥发量小的。对于解焊BGA同时拆除胶水的，采用智能型拆焊器控制好温度先将BGA与衣板分离，通过合适的温度使胶水变软，但注意胶水未软化前绝不能强行拆拔BGA，否则损无疑。现在市场上的BGA溶胶水，实际效果并不理想，主要是溶胶时间过长（有些需2-3小时）。而笔者采用了"煮汤"办法大大地加速胶水的溶化：找一个小金属盒，如最好是"清凉油"的铁盒，将其清洗干净后作为"锅"，"煮汤"时将带有胶水的BGA元件放入，然后倒入小量溶胶水，将盖合上。"锅"放置于恒温焊台的烙铁部分，将温度调校到200℃~250℃，烙铁将加热熔胶水，并加速BGA上胶水的分离。但注意如采用的是挥发性强的溶胶水被加热，会造成金属盒上盖冲开，所以小心为上。而主板上残存的胶水，则采用恒温拆焊器定温250℃~280℃先将其加热，然后涂熔胶水，经多次反复直至清除。

　　 二． BGA或PCB上焊盘损坏的修复
　　 无论是BGA或是PCB上的焊盘，都是采用铜银合金通过电铸沉积出来的，它在常温时是有足够的机械强度的，但在温度影响特别是超温时，则容易脱落。而我对其修复的办法很简单并可靠：
　　 ①通过放大镜或显微镜观察，用较尖的刀锋将脱掉焊盘留下的"根"，小心地刮开一个小凹圆坑，尺寸与原焊盘稍大些，约0.1mm深度，并刮出"根"的金属光泽出来;
 
　　 ②采用耐高温导电胶微量涂上（为修复出与原焊盘相同的焊盘，可以采用BGA植锡钢片反面压上进行漏印上去），然后用150℃左右的热风加热约20分钟，即可成为一个即能耐300℃高温，亦能导电的修复焊盘，而某些文章介绍采用细铜线绕成焊盘状再用锡去焊象头发丝大小的"根"，就算能焊上，我们可以想象出有多大的机械吸附强度？并且在续后的对BGA焊接到主板上时，这样的"焊盘"在受温度加热时，非常容易再脱落，造成前功尽弃。（关于耐高温导电胶，如读者需要的，可与笔者联系）

　　 三． 大型单片式BGA芯片的返修注意事项和方法
　　 大型单片式BGA芯片，通常指比"拆焊器"头大的IC。笔者在维修手提电脑时经常碰到，而现今的手机亦开始应用起来了。或许，会有人认为返修小型BGA与大型BGA都同样操作即可，那是错误的。原因是小型BGA面积小，相对来说属于"点"型，其对PCB的应力可忽略；而大型BGA面积大，相对来说属地"面"型，其对PCB的应力就需要考虑了。应力变大会出现什么样情况？大家想想BGA钢片受热时，越大的钢片变型越大，这就是应力的作用。如果你维修的手机主板由于大面积加热而出现应力形变，那么您可以想象有什么后果了，因些，碰到这些机子时，应注意三点：1）还是注意温度的设定；2）一定要采用BGA专用喷咀，不要大面积乱吹；3）要采用上下同时加热办法消除和减小受热应力。 具体方法如下：采用BGA维修平台水平固定好主板，在被拆BGA下方放置SUNKKO 853辅助预热台，将温度设定于200℃~220℃，并恒温1分钟，BGA上方仍采用SUNKKO 852并装置BGA喷咀，选择设置参数（参阅上期介绍），即可安全快捷地拆下和焊上大型BGA元件。

　　 四． 后话（记）
　　 BGA元器件的维修，是一项技术性与技巧性很强的操作，绝不能来得马虎了事，必须切记细心、严谨、科学的态度，能借助先进的返修设备就尽可能使用，有先进工艺的就应学习和采用，不要被一些"土办法"所迷惑，否则"赔了夫人又折兵"，将原来不大的故障扩大化，甚至将主板报废了。笔者相信，有业界各高手的不断研究创新，手机BGA的返修技术一定能更先进、更容易、更科学。