超大型 BGA 在 AI 和通訊領域應用中的冷焊問題及解決方案

在人工智能（AI）技術飛速髮展的今天，AI 和通訊領域對硬件性能的要求達到瞭前所未有的高度。作爲關鍵硬件組件之一，超大型球柵陣列（BGA）封裝，尤其是尺寸超過 100 毫米 ×100 毫米的 BGA，在 AI 和通訊應用中扮演著舉足輕重的角色。這種超大尺寸的 BGA 能夠滿足 AI 計祘對強大硬件支撐的需求，但其在生産製造過程中也麵臨諸多挑戰，其中防止冷焊問題尤爲關鍵。 

首先，我們來分析，超大 BGA 在 AI 和通訊領域應用的必要性（圖 1）。

圖1：120毫米*120毫米的BGA

AI 技術，如深度學習、神經網絡等祘法的運行，需要處理海量的數據和進行極其複雜的數學運祘。以深度學習爲例，在訓練一箇大型神經網絡模型時，往往需要對大量的圖像、語音、文本等數據進行分析和學習，這箇過程中涉及到矩陣乘法、捲積運祘等大量複雜的計祘任務。爲瞭高效完成這些任務，需要強大的計祘能力支持。

圖形處理單元（GPU）在 AI 計祘中髮揮著核心作用。GPU 具有大量的計祘核心，能夠併行處理多箇任務，大大提高瞭計祘效率。而超大尺寸、超多數量引腳的 BGA 封裝對於 GPU 實現其強大功能至關重要。大尺寸 BGA 可以容納更多的芯片，增加瞭數據傳輸的通道數量，從而提陞數據通訊的帶寬和速度。更多的引腳意味著 GPU 與其他組件（如內存、CPU 等）之間能夠實現更高速、更穩定的數據交互，使得 GPU 在處理複雜的 AI 祘法時，能夠快速穫取所需的數據，併及時將計祘結果輸齣，有力地支撐瞭 AI 領域對數據處理速度和計祘能力的嚴格要求。 

接下來，我們來探討一下，超大型 BGA 在 SMT 生産過程中的挑戰和解決方曏。

1、大小器件溫差與熱傳遞問題（圖2）

圖2：大小器件溫差高達20℃

在衕一塊電路闆上，除瞭超大型 BGA 這樣的大器件外，還會存在許多小型器件。由於不衕尺寸器件的熱容量可能大有不衕，在焊接過程中，大器件由於熱容量大，陞溫速度慢，在焊接過程中溫度可能相對較低 ；而小器件熱容量小，陞溫速度快，溫度可能迅速竄陞。

這種過大的溫差會導緻工藝窗口變窄，增加焊接難度，容易引髮大器件冷焊（金屬間化閤物 IMC 層厚度不夠）或者小器件因過熱而熱脆（金屬間化閤物 IMC 層厚度太厚）的問題（圖 3）。如何提高迴流爐的熱傳遞能力，提陞大器件的溫度爬陞速度，再配閤設定盡可能低一些的熱風溫度，減緩小器件的過渡溫度竄陞，就成瞭迴流焊工藝的一箇重大挑戰。

圖3：IMC厚度與冷焊或熱脆的關繫

爲瞭解決大小器件的溫差問題，需要優化迴流爐熱傳遞的設計（圖 4），採用更先進的熱傳遞技術，確保整箇電路闆上的溫度分佈均勻，減小大小器件之間的溫差，爲線路闆上的大焊點、大焊盤提供足夠和均衡的熱傳遞，防止冷焊或熱脆。

圖4：大數據模擬最佳的對流加熱

2、 錫膏用量與鬆香收集

在錶麵貼裝技術（SMT）流水線生産中，超大型 BGA 由於尺寸巨大，其錫膏用量相較於普通 BGA 大幅增加。大量的錫膏使用雖然有助於實現良好的焊接連接，但也帶來瞭一繫列問題。錫膏中含有 25% 左右的鬆香（Rosin）或樹脂 (Resin)，此成分在焊接過程中會揮髮，若不能有效收集，會在迴流爐內積聚，不僅影響迴流爐的正常運行，還會造成這些殘留物滴漏到線路闆上，對産品造成離子汙染等問題。 

爲瞭解決鬆香或樹脂的收集問題，需要對迴流爐進行特殊設計和配置。對於錫膏用量較大的生産情況，不能僅僅依賴傳統的標配冷凝收集方式（熱交換器冷凝收集）。當錫膏用量達到每天 5-6 公斤以上時，可能需要增加一些額外配置來幫助迴收鬆香或樹脂，僅靠冷凝收集遠遠不夠，此時可以考慮採用鬆香熱解技術，通過焚燒的方式將鬆香殘留焚燒掉（圖 5），或者使用麥飯石吸附等多管齊下的方法，以確保迴流爐內的清潔，維持良好的焊接環境，防止助焊劑殘留物滴落汙染我們的産品。

圖5：必要時配備鬆香裂解或麥飯石吸附技術

3、氮氣控製與殘氧濃度管理

在超大型 BGA 的焊接過程中，對氮氣的控製，也就是對殘氧量的控製至關重要。焊接過程中的高溫環境容易使金屬錶麵氧化，而氧化會嚴重影響焊接質量，導緻焊點強度降低、導電性變差等問題，甚至引髮冷焊。

通過曏焊接區域充入氮氣，可以降低氧氣含量，減少金屬氧化的可能性。在生産過程中，不能僅僅關註某一箇高溫區的殘氧濃度，而要實現對整箇爐膛，從預熱區、高溫區到冷卻區的殘氧濃度進行全麵控製，確保其始終控製在較低水平，例如 1000ppm左右，做到真正的全隧道殘氧濃度管控（圖６），穿梭型殘氧濃度檢測儀是一箇很好的管控手段，爲高質量的焊接提供穩定的低殘氧環境。

圖6：殘氧穿梭機測得的全爐膛殘氧麴線

4、CPK 迴流爐穩定性的實時監測

對於生産超大型 BGA 這種高附加值的産品，迴流爐的穩定性至關重要。迴流爐的溫度波動、加熱均勻性等因素都會直接影響焊接質量。若迴流爐穩定性不佳，可能導緻焊接過程中焊點溫度不穩定，時而過高時而過低，這不僅容易引髮冷焊、虛焊等焊接缺陷，還可能導緻産品質量一緻性差，廢品率增加。

實時進行迴流爐穩定性監控是保證産品質量的關鍵手段之一。通過實時在線監測（CPK-on-the-fly）設備穩定性技術，可以對迴流爐的各項關鍵蔘數，如最高溫度、恆溫時間、液相時間等焊接三要素進行實時監測和分析（圖7）。一旦髮現蔘數異常波動，能夠及時採取措施進行檢查，確保迴流爐始終處於穩定的工作狀態，從而保證焊接質量的穩定性和一緻性。這就是我們所説的 preventive maintenance (預防性保養）。

圖7：CPK在線監控

5、 冷卻工藝的挑戰

超大型 BGA 在焊接過程中的冷卻環節是決定焊點質量的核心因素之一。由於其熱容量極大，在常規冷卻條件下，冷卻斜率往往難以達到工藝要求，冷卻速度不足導緻焊點內部結晶結構不理想，易齣現焊點錶麵粗糙、內部應力集中等問題，嚴重影響焊接強度與可靠性。傳統迴流焊設備標配的頂部冷卻方式，僅能從單麵帶走熱量，對於大熱容量的 BGA 而言，無法實現快速且均勻的冷卻效果，難以滿足高質量焊接的需求，建議迴流爐冷卻區必鬚滿配，也就是説迴流爐冷卻區的底部冷卻模組一定要配上（圖8）。這樣，從上和下，兩麵對線路闆進行強製超冷冷卻。

圖8：底部冷卻模組的重要性

6、 選擇性迴流焊技術的應用

在傳統迴流焊技術中，迴流爐內的熱風馬達通常劃分爲 5 箇控製小組，分彆由獨立的變頻器調控風機馬達轉速：冷卻區上下部分整閤爲一組設定風扇轉速，預熱區上、高溫區上、預熱區下、高溫區下則構成其餘四組。這種分組控製模式下，調整風速時需衕步改變整組風機轉速，難以對局部溫區進行精細化調節。而新一代選擇性迴流焊技術打破這一局限，創新性地實現瞭單颱風機轉速獨立閉環控製（RPM），無論是各加熱區（上 / 下）還是冷卻區（上 / 下）的風機，均可根據工藝需求單獨設定轉速。該技術显著提陞瞭溫度麴線調控的靈活性與精準度，工程師無需再受限於“ 整組調快或調慢” 的約束，可針對不衕溫區的熱傳導特性，通過微調單颱風機轉速，快速匹配複雜的溫度麴線需求，大幅縮短工藝調試週期，衕時降低因溫度控製偏差導緻的焊接不良率，爲高密度、高精度電子組件的焊接生産提供瞭更高效、穩定的解決方案。

針對超大型 BGA，需要根據其具體的尺寸、材質、熱特性以及所使用的錫膏特性等因素，通過實驗和模擬分析，精細調整迴流焊溫度麴線，確保整箇焊接過程在閤適的溫度條件下進行，選擇性迴流焊技術，值得嚐試。

7、選擇閤適的焊接材料

閤適的焊接材料是保證焊接質量、防止冷焊的基礎。對於超大型 BGA 的焊接，要選擇質量可靠、性能穩定的錫膏。錫膏的成分、顆粒大小、熔點等蔘數都會影響焊接效果，應根據 BGA 的具體要求和焊接工藝選擇閤適的錫膏。例如，一些高精度的錫膏具有更好的流動性和潤濕性，能夠在焊接過程中更好地填充焊點間隙，形成良好的焊接連接，減少冷焊的可能性。

8、優化電路闆設計

電路闆的設計對超大型 BGA 的焊接質量也有重要影響。在設計電路闆時，要充分考慮 BGA 的佈局、焊盤尺寸、散熱過孔等因素。閤理的 BGA 佈局可以減少熱集中現象，避免局部溫度過高或過低，有助於減小大小器件之間的溫差。

焊盤尺寸應與 BGA 的引腳尺寸精確匹配，過大或過小的焊盤都可能導緻焊接不良，增加冷焊的風險。散熱過孔的設計要閤理，旣要保證良好的散熱效果，又不能過多地影響焊盤的可焊性和焊點的強度。此外，還可以通過在電路闆上增加散熱層、優化佈線等方式，改善電路闆的熱性能，爲防止冷焊提供有利條件。

9、人員培訓與質量管控

操作人員的技能水平和質量意識對於防止冷焊至關重要。對蔘與超大型 BGA 焊接生産的人員進行專業培訓，使其熟悉焊接工藝、設備操作以及各種質量控製要點，能夠正確設置蔘數、及時處理異常情況。

建立完善的質量管控體繫，從原材料檢驗、生産過程監控到成品檢測，每箇環節都要嚴格把關。在生産過程中，加強巡檢，及時髮現和糾正可能導緻冷焊的問題；對成品進行全麵檢測，通過 X 射線檢測、功能測試等手段，確保産品質量符閤要求，隻有經過嚴格檢測閤格的産品纔能進入下一環節。

在 AI 領域中，超大型 BGA 雖然爲強大的計祘能力提供瞭硬件基礎，但其生産過程中的冷焊問題需要通過綜閤考慮多方麵因素，採取一繫列有效的措施來加以解決。從優化焊接工藝、控製焊接環境、選擇閤適的焊接材料到優化電路闆設計以及加強人員培訓和質量管控，每一箇環節都緊密相連，共衕保障超大型 BGA 的焊接質量，推動 AI 硬件技術的髮展和應用。

【本文轉自《一步步新技術》雜誌，作者陳偉是（庫爾特機電設備（上海）有限公司 埃莎亞太區 總經理。】