引言
Essemtec公司研发了一种新型的高质量BGA重新植球工艺，该工艺可集成至点胶及贴装设备的一体化解决方案中，为昂贵BGA元器件的再利用创造了新机遇。这一创新方法实现了助焊剂涂布和焊料球放置工序与后续焊接流程的无缝对接。
本文详细分析了大型BGA器件组装的难点、解决方案及其影响，并提出了一种适用于军事、航空航天、计算和通信等多个电子领域的新方法。
Shavi Spinzi
任Nano Dimension/Essemtec
公司AME及PCB技术副总裁
BGA重新植球的需求
BGA重新植球有多种原因，包括经济、技术、可靠性、可持续性和特定的行业要求。
•BGA元器件成本昂贵。通过重新植球实现回收再利用，可以大幅节约成本，避免直接更换的高昂开支。此举有助于减少资源浪费，满足循环经济的需求。
• 重新植球BGA有助于提升元器件的可持续性，延长其使用寿命，减少对新资源的需求，降低电子元件生产及处理对环境的负担。这种方法有助于减少电子垃圾，推动电子产品生产与消费模式的可持续性发展。
•技术故障通常涉及BGA焊料球的分离或开裂，导致BGA与PCB基板之间的电气连接不良。这些问题主要是由于BGA与PCB之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，以及组装过程中产生的机械应力、材料疲劳和热应力造成。BGA封装边缘的焊料球尤其容易产生裂纹。
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当然，在其他如国防/航空航天部门和研发工作等应用中，BGA的重新植球同样具有价值。在这些行业中，使用铅基焊接的设计通常需要继续使用经过验证的技术和材料。如果使用的BGA是用符合ROHS标准的材料制造的，则必须将其转换为铅基焊料球材料。相反，也可能需要将铅转化为符合ROHS标准的材料。
此外，研发中心可能希望重复使用成本较高的BGA元器件，因为他们经常进行大量的概念验证（POC）设计试验。重新植球提供了一种简便且经济的方法来实现这些元器件的再利用。
BGA重新植球的主要方法
行业广泛使用的BGA重新植球技术方法有若干种。最常见的3种是：
•手动钢网放置焊料球：使用小型专用钢网，将焊料球精确地定位在已去除焊料球的封装顶部。
•机器人重新放置焊料球再加激光焊接：机器人放置焊料球，然后使用激光焊接单独固定每个焊料球。
•机器人重新放置焊料球再加回流焊接：机器人选择性点涂助焊剂，然后放置焊料球，最后进行回流焊，将焊料球焊接到封装上。
图1：BGA封装损坏
手动重新植球过程涉及使用小型钢网掩模 ，耗时且成功完成BGA重新植球的概率较低。手动重新植球过程中的主要缺陷类型有：
缺失焊料球：放置焊料球穿过钢网时，可能会有遗漏。
焊料球错位：不精确的手动对准会导致焊料球与栅格错位。
表1. 工艺顺序
目前，行业的质量标准通常不允许BGA元器件进行3次以上的重新植球。因此，限制维修周期和次数对于确保BGA元器件的可靠性和品质至关重要。过度的热循环和焊盘表面的反复清洗可能会损害接触表面的质量，从而降低元器件在运行中的整体可靠性。
与手工使用钢网完成大型BGA重新植球相比，采用机器人放置焊料球并随后进行回流焊接的成功率要高得多。机器人工艺能够确保BGA的高可靠性和精确性，同时保持一致的可重复性。
在机器人放置焊料球并采用激光焊接工艺中，机器人将焊料球精确地放置在BGA封装上。然后，利用激光将每个焊料球逐个焊接到封装上。激光提供局部热量，最大限度地减少了元器件和周围区域的热应力，提高了焊点的可靠性和精度。然而，该工艺的明显缺点是其速度较慢，因为需要单独焊接每个焊料球。此外，该工艺对材料成分很敏感，为了支持不同材料的焊接，需要特别调整激光参数。
图2：卷带上的焊料球
图3：机器人放置焊料球及回流焊接工艺
Essemtec开发和实施的机器人放置焊料球和后续回流焊接的集成工艺可以在一台机器上完成，该工艺结合了机器人点涂助焊剂和机器人放置焊料球技术。首先，将助焊剂涂布到BGA焊盘上，然后从喂料器上拾取焊料球并放置到BGA上。使用配备卷带的专用喂料器装载具有相应直径焊料球的物料。
图4：Essemtec PUMA 4一体机可完成重新植球操作
该系统可适应各种焊料球尺寸，从250µm的小直径到1mm及以上的大直径焊料球。此外，该方法根据需要支持不同的焊料球材料，包括Pb或符合ROHS标准的材料。
图5给出的图像说明了BGA重新植球的工艺阶段，分别展示了涂布助焊剂、放置焊料球体和回流焊接后的BGA元器件。
图5：从左到右，涂布助焊剂后的BGA；放置在BGA上的焊料球体；回流焊后的BGA
机器人工艺结果分析
在回流焊后拍摄了BGA重新植球工艺形成的焊料球剖面。结果表明其质量高，尺寸可接受。图6显示了0.5mm间距重新植球BGA的剖面实例。
图6：重新植球工艺形成的焊料球剖面和高度测量
结果：
•观察到良好的焊点，未发现任何异常
•未检测到可焊性问题、裂纹、损坏或任何其他问题
•托高（BGA焊料球高于BGA底表面的高度）完全在可接受的公差范围内
•对于500µm焊料球，高度变化不超过25µm，完全在制造公差范围内。
总结
一体化工艺集成了助焊剂点涂和精确焊料球放置功能，实现了流畅、可靠且快速的BGA重新植球过程。
该工艺兼容多种焊料球材料和尺寸，通过减少高价值废料的产生和推动循环经济的发展，一体化机器人BGA重新植球工艺已被证实是一种低成本、高效率的方法，能够有效回收再利用昂贵的BGA元器件。此外，该工艺还允许更换焊料球材料，以适应特定的设计需求。
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