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    由于bga具有很多優勢，因此在目前電子工業中已被廣泛應用。bga的封裝形式有多種，形成了一個"家族"，它們之間的區別主要在于材料和結構（塑料、陶瓷、引線焊接、載帶等）的不同。本文將就這封裝形式對再流焊工藝的影響進行計論。
    所有的bga，無論何種類型，所利用的都是位于其封裝體底部的焊接端子-焊球。再流焊時，在巨大熱能的作用下，接球熔化與基板上的焊盤形成連接。因此，bga封裝材料及在封裝中的位置勢必會影響焊球的受熱，在有些情況下，即使是很少量的甚至是單獨的焊球，其作用也是不容忽視的。為驗證這一推論，我們采用了一結構簡單、單加熱方向的熱源對不同材料的典型的bga進行加熱試驗。
    此外，還對不同的bga封裝進行了多種加熱曲線試驗。作為標準參照，每一種封裝都分別在一有標準的PLCC和SMC的基板上，采用相同的工藝參數進行試驗。這些試驗所得出的溫度曲線可對不同封裝形式bga的加熱特點進行直接的比較。以這些結果為依據，對于每一種bga，其工藝參數可進行分別的優化，以得出使用每一形式時所期望的最佳熱響應。
     引 言
    眾所周知，bga正在迅速成為集成電路（IC）與印制板互聯的最普遍的方式之一。bga最為引人注意的基本特點是對于IO數量超過200的IO仍可以利用現有的SMT工藝。SMT最基本組成是再流焊，而現有的再流焊爐也已被證明可用于高可靠bga封裝的焊接。
    雖然bga焊接的時間溫度曲線與標準的曲線相同，但在使用時還必須了解這些封裝的特殊性能。這一點特別重要，因為與大多傳統的SMT器件不同，bga的焊點位于器件的下方介于器件體與PCB之間。因此，結構中的內部材料對接點的影響要比大多數傳統封裝形式大得多。因為，傳統封裝形式的引線沿器件體四周排列，至少可以部分暴露于加熱環境中。
bga的類型
    bga的封裝形式有多種，形成了一個（家族），它們不僅在尺寸、與IO數量上不同，而且其物理結構和封裝材料也不同?；诒疚淖谥?，"形式"一詞在此主要特指bga的物理結構，包括材料、構造和制造技術。一種特定形式的bga可以有一定的尺寸范圍，但應采用同樣的物理構造和相同的材料。以下將重點分析三種特定的bga封裝，每一種的結構形式都不同。
塑料bga
塑料球柵陣列封裝（Pbga）是目前生產中最普遍的bga封裝形式。其吸引人的優點是：
· 玻璃纖維與BT樹脂基片，約0.4mm厚
· 芯片直接焊在基片上
· 芯片與基片間靠導線連接
· 塑料模壓可封裝芯片、導線連接與基片表面的大部分。
· 焊球（通常共晶材料）在基片的底部焊盤焊接。 
    但是，有一個參數不能通用，即塑封相對于基板總面積的面積覆蓋率。對于某些塑封件，模壓塑料幾乎完全覆蓋了整個基板，相反，有些則被嚴格地限制壓在中央的一個小范圍。這也將對焊點的受熱產生影響。
陶瓷bga（Cbga）
    對于任一陶瓷IC封裝，在陶瓷bga中最基本的材料是貴金屬互聯電路的多層基片。這種封裝類型的密封對于透過封裝的熱傳導影響最大。封裝"蓋"的材料可以有多種，并且"蓋"的下方通常會有一沒有填充物的空間。這一空隙會阻礙封裝體下部焊點的受熱。
"增強型"bga
    "增強型"bga是一相對新的名詞至今為止尚未有準確的定義。通常"增強"一詞的含義是在結構中增加某種材料以增強其性能。大多數情況下，所加入的材料為金屬材料，功用是改善其正常工作時IC的散熱。這一點很重要，因為bga的優勢之一是其能為IC提供大數量的IO。由于這種類型的芯片通常會在一個很小的面積上產生在量的熱，因此，封裝時需有散熱設計。
    特殊的增強型封裝本文稱作"超級bga"（Sbga），結構形式是在封裝的頂部是一倒扣的銅質腔體，以增強向周圍環境的散熱。一薄而軟的基片在焊在銅片的底面，作為沿周邊幾行焊球附著之焊盤（即中央無焊球分布，參照JEDEC）。內導線將基板與芯片相連接，芯片從底部塑封。
    表1列出了bga封裝的物理參數。表中PLCC84用來作為特點與性能的參照而列入。有趣的是除IO指標外，PLCC的其它指標均為中間值。
表1
　 PLCC Pbga Cbga Sbga
IO 84 225 361 312
尺寸 30mm 27mm 25mm 37.5mm
基材 塑料 塑料 陶瓷 鋁 塑料 銅
質量 6.3g 2g 7.4g 7.5g
     
    再流焊就本質上講是一個熱的傳遞過程，即將所有SMA上的焊點升溫至焊熔點以上使熔化的焊料流動形成焊點。對于bga而言，大量的焊點必須相對均勻地受熱，以達到再流焊所要求的溫度曲線（峰值溫度、液相時間等）。
    根據bga封裝的物理特性，所有的焊點均位于封裝體與PCB之間，焊點的加熱熔化主要通過封裝體與PCB的熱傳導。關于這一點目前概念有些混亂，有人認為在以熱風為主的再流焊爐中，bga下方焊點的加熱是靠熱氣流在裝體下部的流動而實現的。這一理論是不正確的，因為，首先在這種類型的爐中熱氣流的流態主要是垂直于組件的方向，并沿此方均勻分布，因此爐內并不存在熱氣流從器件一端穿過器件中心流向另一端的壓力差。其次，封裝體與PCB之間的空間非常小，且又存在許多焊球，勢必會阻礙氣流的運動。以熱風為主的爐子之所以能夠對bga進行完美的焊接并不是因為它可將熱氣流"壓入"器件的下方，而是因為它可以在器件的上下二個表面，以相對較低的溫度而產生高較的熱傳遞，同時又能使得小型器件避免過熱。整個熱傳遞制如下：
 ·   熱量通過輻射與對流被傳遞至bga器件的上表面與PCB的下表面，輻射與對流的多少，不同設計的爐子各有不同。
 ·   熱量通過傳導穿過器件體與PCB直接到達焊點。
    熱傳導速率取決于材料的厚度和物理性質。因此，不同形式的bga，因其材料的不同對焊點的加熱速度也不相同。而且，即使整個焊球矩陣分存面上，熱傳導的速率也不相同。因為不管何種形式的bga，中心都有IC芯片。對于Pbga，若塑封區面積小于焊球矩陣分布區面積，熱傳導的不均勻性還將會在器件的邊緣處顯現。其它封裝形式也有其獨特的結構特性。圖1至圖3為本文所討論的三種不同的封裝形式。垂直箭頭表示不同的熱傳遞路徑。
    對于Pbga和Cbga，由于材料組合的不同，從器件頂部至底部焊球所進行的熱傳導路徑也不相同。一個最簡單的比較方法是選同一方向，然后分別計算其"熱阻"。對于某種材料，其熱阻等于選定熱遞方向上材料的厚度與該材料熱導率之商?？偀嶙铻樵谶x定方向上各層材料熱阻之和。表2列出了三種封裝6個傳熱方向的總熱阻（假設材料為均勻的）。
表2
封裝形式 Pbga Sbga Cbga
路徑 R-1   R-2 R-3   R-4 R-5 R-6
材料 模壓塑料 模壓塑料 基板 熱延銅箔 鋁帽 鋁帽
 芯片   基板 　   基板 氣隙 基板
 基板 　 　 　 芯片 　
 　 　 　 　 基板 　
熱阻 (hr ft2℃C/BTUx10?3) 4.9 5.8 3.8 3.8 176 0.2
    這一結果表明Pbga和Cbga上的焊球由于在底面位置的不同，其受熱速度也不相同。與之相反，Sbga卻表現出了兩益于再流焊 的特點：第一，對于所有的焊球它具有單一的熱遞路徑，這將會消除受熱的不均勻性；另外，總熱阻很?。ㄒ驗殂~的高的熱導率），這將會加快熱的傳遞而簡化再流焊溫度曲線的調整。在這里需要說明的是，總熱阻值并不能完全代表再流焊時的實際受熱情況。更準確的熱傳遞計算還應將材料本身的能量吸收考慮在內。對焊點實際受熱速率的計算還應將來自PCB底部的熱計算在內。而本文之所以進行這樣的分析，主要目的是以熱阻為主要指標，對焊接時不同封裝上的特定點受熱情況進行討論。
    溫度曲線對比試驗
    試驗在三種bga封裝上分別進行，以測試在典型再流焊過程中的實際熱響應。試驗選用相對較短（略長于3秒）的加熱周期，使溫升速度快、焊接時間短，以使器件受熱的不均勻性得到充分表現。
    為研究封裝體本身內部的溫度差，應在封裝體的多個位置安裝多個熱電偶，典型位置為中心與邊緣二處。積累了一定的經驗后，應對于各種形式的bga，能確定出一個關鍵點。
    對于任一SMA，熱偶的固定方式對于溫度曲線的準確性非常重要。這就要求熱電偶的接點應與被測焊點密切接觸。對于bga中心處的焊點則需要在PCB的底部鉆一孔以使熱偶能插入與焊球接觸。需要一個專用試驗板（因為試驗完后便可能廢棄），并在其上精確地鉆--1mm的小孔，然后用環氧膠沿導線密封。就工藝試驗而言，這一過程對于實現精確而可靠bga再流焊工藝過程很是關鍵。
   圖4是--裝有Cbga試驗的實際的時間溫度曲線。四條曲線中，粗線分別表示型CHIP元件和PLCC器件的溫度變化，基本可反映出無bga器件產品板的工藝過程，CHIP以最快速升溫且焊點溫度達到最高；而PLCC則升溫最慢，焊點溫度最低；其它元器件的曲線位于二者之間。細線表示Cbga 的二個不同位置的溫度變化。其中有一條幾乎與PLCC曲線相重合，它反映的是bga角上的情況。第四條線反映的是bga中心的情況，溫度低于所有其它位置點。圖中可以看出測試結果與上述計算的結果相吻合。三種bga的實際測試結果見表3。
表3 溫度曲線結果比較
元器件 位置 熱阻(hr ft2°C/BTUx10?3) 峰值溫度(°C) 與PLCC的偏差 液態時間
2125片式 端子 　 212 　 62
PLCC-84 引線 　 200 　 52
Pbga 角 R-3=3.8 205 +5 59
　 中心 R-1=4.9 200 0 55
Cbga 角 R-6=0.2 201 +1 54
　 中心 R-5=176 195 -5 39
Sbga 角 R-4=3.8 202 +2 56
　 中心 R-4=3.8 201 +1 53
    這些結果不僅驗證了前面熱阻計算時所作的預測，而且證明了同一封裝中不同位置焊點的溫度不同?？梢钥吹?，無論是Cbga還是Pbga，其中心焊球與邊緣焊球間有5-6℃的溫差。與Sbga所不同的是，Sbga的受熱均勻且升溫迅速，而Cbga的中心卻很難達到再流焊溫度。但是上述的熱阻值并不能完全描述真實的加熱過程，而且不能以任何絕對的方式使用。因為，從上述可以看出Cbga角上的熱阻最低，但這并不意味著在相同的試驗條件下，與其它封裝器件相比，它所達到的溫度最高?？傊?，熱阻值的大小僅能說明一個區域中溫度的不均勻性，對于具體焊點的熱響應，還必須進行實際的溫度曲線試驗。
    試驗的優化
    溫度曲線測試的最后一步是優化溫度設定，以使所有的焊點均能滿足再流焊技術要求，而三種封裝中需要進行溫度設定調整的只有Cbga。從上可知，試驗溫度的確定是以參照元器件2125及PLCC-84可進行適當焊接為標準。參照表3，可以看出Pbga與Sbga的液相時間與最主高溫度均在CHIP元件和PLCC所要求的范圍之內。假如其它的關鍵數如升溫速率和預熱時間也在相應范圍之內，那么就可以就，采用這一設定能夠滿足這兩種bga封裝元器件的焊接需要。
    Cbga封裝不能滿足上述條件。因為，盡管其邊角上的焊點溫度符合要求，但其中心焊球的最高值液相時間卻低于PLCC。在調整爐溫設定時，使所有焊球的焊接溫度達到規定值的通常法是增加加熱時間。因此，可將傳送帶的速度降低，使加熱時間從3.2分鐘增加至4分鐘。這樣一來，預熱時間也相應得以延長，從而使Cbga在進入再流焊區之前，達到與其它元器件更加接近的溫度。最終得到的曲線（見表4）可使Cbga上的所