BGA封装技术详解：焊球阵列的焊接、返修与检测要点
做硬件的工程师，BGA封装肯定不陌生。现在的高性能芯片——CPU、GPU、FPGA、DDR内存——基本都是BGA封装。BGA把引脚做成焊球阵列铺在芯片底部，跟传统的QFP、SOP那种四周出脚的封装比，能在同样面积下塞下更多引脚，而且电气性能更好。但BGA的焊接和返修难度也大，今天就聊聊BGA封装的技术要点。
先说说BGA的基本结构。BGA是Ball Grid Array的缩写，焊球阵列封装。芯片底部有一排排整齐的焊球，焊接时这些焊球跟PCB上对应的焊盘熔化连接。根据焊球材料不同，BGA分几种：塑封BGA（PBGA）用环氧树脂做基板，成本低，是最常见的；陶瓷BGA（CBGA）用陶瓷基板，散热好、可靠性高，多用于军品级；还有带散热片的BGA（TBGA），适合大功率芯片。焊球的间距（pitch）从0.4mm到1.27mm不等，间距越小，焊接难度越大。
BGA焊接最常用的工艺是回流焊（Reflow Soldering）。具体流程是：先在PCB的BGA焊盘上刷锡膏（用钢网印刷），然后把芯片贴上去，焊球对准焊盘，再送进回流焊炉。炉子里分预热、恒温、回流、冷却几个温区，锡膏和焊球在回流区熔化，靠表面张力自动对齐，冷却后形成焊点。整个过程的温度曲线是关键，温度太低焊料熔不透，太高会损伤芯片或PCB。一般无铅焊料的峰值温度在245°C左右，有铅的在220°C左右。
BGA的焊接质量检测是个难点，因为焊点在芯片底部，肉眼看不到。常用的检测手段有几种：第一种是X射线检测（AXI），用X光透视看焊点内部有没有气泡、短路、虚焊，这是BGA检测最常用的方法；第二种是光学检测（AOI），只能看芯片外围的焊球，内部的看不到；第三种是超声波检测（SAT），用超声波扫描看焊点有没有分层和空洞。量产线上一般是X射线全检或者抽检，关键产品还要做切片分析（cross section）看焊点的金相结构。
BGA返修是个技术活。芯片焊上去之后发现有问题，要拆下来重新焊，这个过程比首次焊接难多了。返修的步骤大致是：先用返修台（带热风加热）把芯片底部的焊球加热熔化，把芯片取下来；然后清理PCB焊盘上的残余锡膏，用吸锡线拖平；给芯片重新植球（如果焊球掉了或者氧化了）；最后重新对位贴装，再走一次回流焊。返修对温度控制要求极高，加热不均匀会导致PCB变形或者芯片损坏。小批量返修可以用手动返修台，大批量的话有自动化的返修设备。
设计BGA的PCB时也有几个要点。首先是焊盘设计，要根据芯片手册的推荐尺寸来，焊盘太大容易连锡，太小容易虚焊。其次是过孔处理，BGA下面的过孔一般要做塞孔处理，不然锡膏会流到过孔里导致焊点缺锡。还有钢网设计，BGA区域的钢网开口要根据焊盘大小和间距精确计算，间距0.4mm以下的BGA钢网厚度要减薄。最后是散热设计，BGA芯片底部要铺铜皮散热，必要时加散热片或者导热胶。这些细节做好了，BGA的焊接良率和可靠性才有保障。