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摘 要：BGA技术的出现给制造业带来了压力，迫使人们要用一种新的眼光来寻找装配工艺方法。为了能够满足产品小型化的要求，能够降低引脚针间距的芯片规模封装和倒装芯片技术，将永无止境地向前发展，精确贴装的能力将继续是一个非常重要的因素。
随着电子产品向着便携式、小型化、网络化和多媒体化方向的迅速发展，对电子组装技术提出了更高的要求，新的高密度组装技术不断孕育而出，其中球栅阵列封装（ball grid array简称BGA）就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。
早在20世纪80年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了更高的要求，虽然SMT使电路组装具有轻、薄、短、小的特点，对于具有大量引线数的精细间距元器件的引线间距以及引线的共平面度也提出了更为严格的要求，但是由于受到加工精度、可生产性、成本和组装工艺的制约，一般认为矩形扁平封装（quad flat packs简称QFP）器件间距的极限为0.3mm，这就大大限制了高密度组装的发展。另外，由于精细间距QFP器件对组装工艺要求很严格，使其应用受到了限制，为此一些公司就把注意力放在了开发和应用比QFP器件性能更为优越的BGA器件上。
1 BGA器件的引入
精细间距器件的局限性在于细引线易变曲、质脆而易断，对于引线间的共平面度和贴装精度的要求都很高。BGA技术采用的是一种全新的设计思维方式，它采用将圆型或者柱状点隐藏在封装下面的结构形式，引线间距大、引线长度短。这样，BGA封装就消除了精细间距器件中由于引线问题而引发的共平面度和翘曲的问题。
BGA与QFP器件相比，前者的最大优点是I/O引线间距大，已注册的BGA引线间距有1.0、1.27、1.5mm，可取代0.4－0.5mm的精细间距器件。图1为球栅阵列器件的示意图。
由于BGA器件相对而言其间距较大，它们在回流焊接过程中具有自动排列定位的能力，所以比类似的其它元器件操作便捷，在组装时具有高可靠性。据国外一些印刷电路板制造技术资料介绍，BGA器件在使用常规的SMT工艺规程和设备进行组装生产时，能够始终如一地实现缺陷率小于20×10－6，而与之相对应的器件，如QFP，在组装过程中所形成的产品缺陷率至少要超过其10倍。
对于印刷电路板（PCB）装配厂商来说需要大量的坚固耐用的封装器件，这些元器件具有不断增强的功能，它们被安置在非常拥挤的PCB上面，这些器件具有大量的I/O引脚。由于降低了引脚之间的间距，使得PCB组件的装配工作显得非常复杂。主要涉及到引脚得易碎性和在实施大规模的装配工艺操作时，很难保持具有良好的共面性和引线的相互直线性。BGA封装器件其固有的特点是用焊料合金取代了易碎的引脚，从而可以确保具有良好的机械、电气、以及具有良好热耗散的互连。
不断增加的引脚数量要求和不断缩小的PCB实际尺寸，致使BGA器件的应用领域不断得到开拓。引线间距在1.27mm到1.52mm的BGA器件与相同大小的引脚间距尺寸在0.38mm到0.30mm的超微细间距器件相比较，对SMT生产工艺的要求不是那么严格，另外因为微细间距元器件容易引发现代高质量贴装设备的有关技术问题，以及由于印刷工艺处理和对这些易碎的元器件进行操作所引发的其它一些问题，结果导致许多制造厂商更加亲睐于拥有很多引脚数量的BGA封装器件。BGA元器件拥有相对宽松的引脚间距，这使得实施有关的印刷工艺显得相对容易些，同时也可以拥有相对较粗的“引脚”，这样就降低了因触摸和焊接所产生的问题。但是BGA技术的出现也给制造业带来了压力，迫使人们要用一种新的眼光来重新审视装配工艺方法。
2 元器件的调准
当处理BGA器件的时候，会对贴装设备的调准能力提出一些新的要求，对于以往的视觉系统来说，所拥有的光源可以满足较大的有源器件的需要，例如：矩形扁平封装器件，光源可以从元器件的后面散发出来。这是因为QFP器件的引脚突出在元器件体外，当光源从后面投射的时候，可以投影出一个很平滑的阴影，不会产生出虚幻的反射现象。当我们利用这种背光技术观察一个BGA器件的时候，只会看到一个黑色的矩形。
一台PLCC类型的视觉规则系统可以通过元器件的边来对元器件进行调准处理，但是相对于贴装的质量有两个问题依然难以解决。首先，球栅阵列形式无法接受与相对应的封装件边缘的允许误差，从而引发无法接受的大量贴装错误。对于陶瓷BGA器件来说所产生的问题将大于塑料BGA器件。其次，对焊球的检测无法实施，可能会发生本应焊接在焊盘上的结果焊接在了电路板上的错误。因为存在这些问题，视觉系统必须进行改良，以实现对球栅阵列的整个底面进行观察和检测。
由于在BGA器件上的焊球是在封装件的下面，应该开发正面的光源系统，使之能够均匀地照亮整个表面。一台具有良好性能的视觉系统，要求其能对下面的物理现象进行检测：
总的焊球数量、焊球的间距、焊球的“规模”。
前面两项要求所带来的好处相当明显，焊球的“规模”使用是为了能够发觉不符合要求或与规定尺寸大小不符。一旦检测了表面阵列的情况以后，图像处理程序将可以计算焊球阵列距心，以及正确的贴装旋转角度。BGA视觉规则系统必须能够解决排列状态，中心部分发生空穴现象、1号引脚（边角上的引脚）缺失，以及其它无效对准的格阵排列现象。
对于BGA器件来说，目前也在趋向于进一步的小型化，这影响到视觉摄像机，要求采用视觉扫描（field of view简称 FOV）。较小的封装要求采用较小的FOV，这样就导致像素分辨率要提高。这种情形进而转换成要求增加视觉的准确性和尽可能地使用同样小型化FOV摄像机，以满足从小型化的BGA器件一直到大型BGA器件的需要。
对于BGA器件的精度要求与以往的微细间距元器件相比较显得颇为宽松。对于间距为0.305mm、0.381mm和0.508mm的元器件来说，为了能够满足其贴装要求，设备的精度要求为±0.0508mm或者±0.0762mm，但是对于间距为1.27mm的BGA器件来说，为了能够满足其贴装要求，精度要求仅为±0.305mm。在回流焊接期间，BGA在某种程度上具有自我对准中心的能力，虽然说在回流焊接实施好了以后，进行检测工作是非常困难的，为此采用了X射线进行检测。
3 适应各种BGA封装的视觉系统
BGA器件的结构可按焊点形状分为两类：球形焊点和柱状焊点。球形焊点封装方式可分为塑料球栅阵列（PBGA）、陶瓷球栅阵列（CBGA）和载带自动键合球栅阵列（TBGA），它们的差异也表现在焊球的合成物组成的成分上面，由于这3种类型的BGA器件附着到载体上面的方式各异，结果也就导致了它们在以后实施组装时的工艺操作差异。
PBGA器件是BGA封装器件中最为常见的一种类型，它采用PCB材料所制成。载体填充有低共熔点合金（63Sn/37Pb）的焊料球，这些焊料球在200℃以下的温度范围内，能够彻底发生回流。对PBGA器件进行拆卸时，要求在回流发生以前，将助焊剂送至元器件的下面。在新的BGA器件进行安置时，也推荐使用焊剂。
CBGA器件的焊料球是由90Pb/10Sn的合金所组成，其在300℃时发生熔化。这种含铅量颇高的焊料球，通过低共熔点焊料附着到陶瓷载体上，然后这种器件通过低共熔点焊料连接到PCB上面。由于在通常情况下，回流焊接温度不会超过220℃，所以在装配、拆卸和重新贴装工艺过程实施中，这种高含铅量焊料球不会发生回流现象。
与CBGA器件相类似，TBGA器件也是采用90Pb/10Sn组成的焊料球阵列。然而这些焊料球预先通过对高熔点焊料球的回流，附着到载体上去的。与CBGA器件一样，TBGA器件可以采用低共熔点焊料附着到PCB上。
因为有着各种各样的封装形式，视觉调整具有非常灵活的能力是非常关键的，对于贴装设备来说，对BGA器件分类有2种。
（1）在黑色背景下面的白色球体，这种设计方式相当的普遍，可以用在PBGA器件和一些具有暗影实体的陶瓷BGA器件上（见图2所示）。
（2）在白色背景下面的白色球体，许多陶瓷BGA器件归入这一范畴（见图3所示）。
在黑色背景下的白色球体相对容易创建图像的视觉规则系统。它能够呈现出清晰的圆形图像，给予散射的光线以及适当的摄像机拍摄（见图4所示）。但是对于在白色背景下面的白色球体来说，图像可靠地捕获和排列是非常困难的（见图5所示）。视觉规则系统能够创建可以观看球体的阴影部分，一个“炸面圈”的图像。对于一台视觉设备来说，为了能够创建这一图像，光源必须非常分散，摄像机的透镜应该是远心的；由于可以接受的光只能是来自于与透镜面方向垂直的光线。
4 有关操作方面的问题
对于采用共熔合金的BGA器件来说，焊球的共平面度一般不会是一个问题，在回流焊接期间，可对焊球的倒塌进行控制，保证焊膏芯体的接触。这些焊球在常规的回流焊接期间，不会发生倒塌现象，所以说对良好的焊料连接的要求将超过对共面性的要求。因为BGA封装就设计来说显得比较粗线条，所以焊球应承担在制造商的制造过程中和检测过程中保持良好的共面性。
现在BGA器件通常组装在托盘中，但是在大规模的使用过程中常常专门购买装载在载带上或者带轮上的形式。在可能的情况下，载带形式是元器件交付优先考虑的办法，这是因为可以实现较高的在线元器件装载量，然而，对于PBGA器件来说，这种方式容易受到潮湿的侵袭，所以说在从密闭封装中取出元器件到实施回流焊接工艺操作这段时间受到了限制。对于长时间的暴露在大气环境中的PBGA器件需进行烘干处理，以去除掉所吸收到的潮湿气体，如果不这样做的话，在回流焊接工艺实施期间，潮湿气体将会扩散和蒸发，引起元器件内部的脱层现象。
当使用安置在托盘中的充满焊球体的BGA器件时，会产生另外一个问题，那就是从一个大容量的托盘中穿梭般来回取出元器件的定序装置可能会产生问题。穿梭般往来的移动装置通常下面具有一个真空吸嘴，它将需要进行移动的器件固定在光滑的底部。这种吸嘴往往需要进行不断的改良，以求能够适应在底部安置了焊球的各种各样的BGA器件。
5 结束语
BGA封装是一项已走向成熟的技术，为了能够满足BGA器件商业方面的需要，元器件封装的价格还会不断地下降。为了能够满足产品小型化的要求，降低引脚针间距的芯片规模封装和倒装芯片技术，将会永无止境地向前发展，表面贴装设备是否具有精确贴装的能力将继续扮演一个非常重要的角色。 |
