在人工智能（AI）技術(shù)飛速發(fā)展的今天，AI 和通訊領(lǐng)域?qū)τ布阅艿囊筮_(dá)到了前所未有的高度。作為關(guān)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(yīng)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(jì)算對(duì)強(qiáng)大硬件支撐的需求，但其在生產(chǎn)制造過程中也面臨諸多挑戰(zhàn)，其中防止冷焊問題尤為關(guān)鍵。 

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

圖1：120毫米*120毫米的BGA

AI 技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的運(yùn)行，需要處理海量的數(shù)據(jù)和進(jìn)行極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。以深度學(xué)習(xí)為例，在訓(xùn)練一個(gè)大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，往往需要對(duì)大量的圖像、語音、文本等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)，這個(gè)過程中涉及到矩陣乘法、卷積運(yùn)算等大量復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。為了高效完成這些任務(wù)，需要強(qiáng)大的計(jì)算能力支持。

圖形處理單元（GPU）在 AI 計(jì)算中發(fā)揮著核心作用。GPU 具有大量的計(jì)算核心，能夠并行處理多個(gè)任務(wù)，大大提高了計(jì)算效率。而超大尺寸、超多數(shù)量引腳的 BGA 封裝對(duì)于 GPU 實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能至關(guān)重要。大尺寸 BGA 可以容納更多的芯片，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ罃?shù)量，從而提升數(shù)據(jù)通訊的帶寬和速度。更多的引腳意味著 GPU 與其他組件（如內(nèi)存、CPU 等）之間能夠?qū)崿F(xiàn)更高速、更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互，使得 GPU 在處理復(fù)雜的 AI 算法時(shí)，能夠快速獲取所需的數(shù)據(jù)，并及時(shí)將計(jì)算結(jié)果輸出，有力地支撐了 AI 領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)處理速度和計(jì)算能力的嚴(yán)格要求。 

接下來，我們來探討一下，超大型 BGA 在 SMT 生產(chǎn)過程中的挑戰(zhàn)和解決方向。

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(dá)20℃

在同一塊電路板上，除了超大型 BGA 這樣的大器件外，還會(huì)存在許多小型器件。由于不同尺寸器件的熱容量可能大有不同，在焊接過程中，大器件由于熱容量大，升溫速度慢，在焊接過程中溫度可能相對(duì)較低 ；而小器件熱容量小，升溫速度快，溫度可能迅速竄升。

這種過大的溫差會(huì)導(dǎo)致工藝窗口變窄，增加焊接難度，容易引發(fā)大器件冷焊（金屬間化合物 IMC 層厚度不夠）或者小器件因過熱而熱脆（金屬間化合物 IMC 層厚度太厚）的問題（圖 3）。如何提高回流爐的熱傳遞能力，提升大器件的溫度爬升速度，再配合設(shè)定盡可能低一些的熱風(fēng)溫度，減緩小器件的過渡溫度竄升，就成了回流焊工藝的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

圖3：IMC厚度與冷焊或熱脆的關(guān)系

為了解決大小器件的溫差問題，需要優(yōu)化回流爐熱傳遞的設(shè)計(jì)（圖 4），采用更先進(jìn)的熱傳遞技術(shù)，確保整個(gè)電路板上的溫度分布均勻，減小大小器件之間的溫差，為線路板上的大焊點(diǎn)、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(shù)據(jù)模擬最佳的對(duì)流加熱

2、 錫膏用量與松香收集

在表面貼裝技術(shù)（SMT）流水線生產(chǎn)中，超大型 BGA 由于尺寸巨大，其錫膏用量相較于普通 BGA 大幅增加。大量的錫膏使用雖然有助于實(shí)現(xiàn)良好的焊接連接，但也帶來了一系列問題。錫膏中含有 25% 左右的松香（Rosin）或樹脂 (Resin)，此成分在焊接過程中會(huì)揮發(fā)，若不能有效收集，會(huì)在回流爐內(nèi)積聚，不僅影響回流爐的正常運(yùn)行，還會(huì)造成這些殘留物滴漏到線路板上，對(duì)產(chǎn)品造成離子污染等問題。 

為了解決松香或樹脂的收集問題，需要對(duì)回流爐進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和配置。對(duì)于錫膏用量較大的生產(chǎn)情況，不能僅僅依賴傳統(tǒng)的標(biāo)配冷凝收集方式（熱交換器冷凝收集）。當(dāng)錫膏用量達(dá)到每天 5-6 公斤以上時(shí)，可能需要增加一些額外配置來幫助回收松香或樹脂，僅靠冷凝收集遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，此時(shí)可以考慮采用松香熱解技術(shù)，通過焚燒的方式將松香殘留焚燒掉（圖 5），或者使用麥飯石吸附等多管齊下的方法，以確?；亓鳡t內(nèi)的清潔，維持良好的焊接環(huán)境，防止助焊劑殘留物滴落污染我們的產(chǎn)品。

圖5：必要時(shí)配備松香裂解或麥飯石吸附技術(shù)

3、氮?dú)饪刂婆c殘氧濃度管理

在超大型 BGA 的焊接過程中，對(duì)氮?dú)獾目刂?，也就是?duì)殘氧量的控制至關(guān)重要。焊接過程中的高溫環(huán)境容易使金屬表面氧化，而氧化會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度降低、導(dǎo)電性變差等問題，甚至引發(fā)冷焊。

通過向焊接區(qū)域充入氮?dú)?，可以降低氧氣含量，減少金屬氧化的可能性。在生產(chǎn)過程中，不能僅僅關(guān)注某一個(gè)高溫區(qū)的殘氧濃度，而要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)爐膛，從預(yù)熱區(qū)、高溫區(qū)到冷卻區(qū)的殘氧濃度進(jìn)行全面控制，確保其始終控制在較低水平，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個(gè)很好的管控手段，為高質(zhì)量的焊接提供穩(wěn)定的低殘氧環(huán)境。

圖6：殘氧穿梭機(jī)測得的全爐膛殘氧曲線

4、CPK 回流爐穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)測

對(duì)于生產(chǎn)超大型 BGA 這種高附加值的產(chǎn)品，回流爐的穩(wěn)定性至關(guān)重要?；亓鳡t的溫度波動(dòng)、加熱均勻性等因素都會(huì)直接影響焊接質(zhì)量。若回流爐穩(wěn)定性不佳，可能導(dǎo)致焊接過程中焊點(diǎn)溫度不穩(wěn)定，時(shí)而過高時(shí)而過低，這不僅容易引發(fā)冷焊、虛焊等焊接缺陷，還可能導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量一致性差，廢品率增加。

實(shí)時(shí)進(jìn)行回流爐穩(wěn)定性監(jiān)控是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵手段之一。通過實(shí)時(shí)在線監(jiān)測（CPK-on-the-?y）設(shè)備穩(wěn)定性技術(shù)，可以對(duì)回流爐的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，如最高溫度、恒溫時(shí)間、液相時(shí)間等焊接三要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析（圖7）。一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常波動(dòng)，能夠及時(shí)采取措施進(jìn)行檢查，確?；亓鳡t始終處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，從而保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。這就是我們所說的 preventive maintenance (預(yù)防性保養(yǎng)）。

圖7：CPK在線監(jiān)控

5、 冷卻工藝的挑戰(zhàn)

超大型 BGA 在焊接過程中的冷卻環(huán)節(jié)是決定焊點(diǎn)質(zhì)量的核心因素之一。由于其熱容量極大，在常規(guī)冷卻條件下，冷卻斜率往往難以達(dá)到工藝要求，冷卻速度不足導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)不理想，易出現(xiàn)焊點(diǎn)表面粗糙、內(nèi)部應(yīng)力集中等問題，嚴(yán)重影響焊接強(qiáng)度與可靠性。傳統(tǒng)回流焊設(shè)備標(biāo)配的頂部冷卻方式，僅能從單面帶走熱量，對(duì)于大熱容量的 BGA 而言，無法實(shí)現(xiàn)快速且均勻的冷卻效果，難以滿足高質(zhì)量焊接的需求，建議回流爐冷卻區(qū)必須滿配，也就是說回流爐冷卻區(qū)的底部冷卻模組一定要配上（圖8）。這樣，從上和下，兩面對(duì)線路板進(jìn)行強(qiáng)制超冷冷卻。

圖8：底部冷卻模組的重要性

6、 選擇性回流焊技術(shù)的應(yīng)用

在傳統(tǒng)回流焊技術(shù)中，回流爐內(nèi)的熱風(fēng)馬達(dá)通常劃分為 5 個(gè)控制小組，分別由獨(dú)立的變頻器調(diào)控風(fēng)機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)速：冷卻區(qū)上下部分整合為一組設(shè)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，預(yù)熱區(qū)上、高溫區(qū)上、預(yù)熱區(qū)下、高溫區(qū)下則構(gòu)成其余四組。這種分組控制模式下，調(diào)整風(fēng)速時(shí)需同步改變整組風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，難以對(duì)局部溫區(qū)進(jìn)行精細(xì)化調(diào)節(jié)。而新一代選擇性回流焊技術(shù)打破這一局限，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速獨(dú)立閉環(huán)控制（RPM），無論是各加熱區(qū)（上 / 下）還是冷卻區(qū)（上 / 下）的風(fēng)機(jī)，均可根據(jù)工藝需求單獨(dú)設(shè)定轉(zhuǎn)速。該技術(shù)顯著提升了溫度曲線調(diào)控的靈活性與精準(zhǔn)度，工程師無需再受限于“ 整組調(diào)快或調(diào)慢” 的約束，可針對(duì)不同溫區(qū)的熱傳導(dǎo)特性，通過微調(diào)單臺(tái)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，快速匹配復(fù)雜的溫度曲線需求，大幅縮短工藝調(diào)試周期，同時(shí)降低因溫度控制偏差導(dǎo)致的焊接不良率，為高密度、高精度電子組件的焊接生產(chǎn)提供了更高效、穩(wěn)定的解決方案。

針對(duì)超大型 BGA，需要根據(jù)其具體的尺寸、材質(zhì)、熱特性以及所使用的錫膏特性等因素，通過實(shí)驗(yàn)和模擬分析，精細(xì)調(diào)整回流焊溫度曲線，確保整個(gè)焊接過程在合適的溫度條件下進(jìn)行，選擇性回流焊技術(shù)，值得嘗試。

7、選擇合適的焊接材料

合適的焊接材料是保證焊接質(zhì)量、防止冷焊的基礎(chǔ)。對(duì)于超大型 BGA 的焊接，要選擇質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定的錫膏。錫膏的成分、顆粒大小、熔點(diǎn)等參數(shù)都會(huì)影響焊接效果，應(yīng)根據(jù) BGA 的具體要求和焊接工藝選擇合適的錫膏。例如，一些高精度的錫膏具有更好的流動(dòng)性和潤濕性，能夠在焊接過程中更好地填充焊點(diǎn)間隙，形成良好的焊接連接，減少冷焊的可能性。

8、優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)

電路板的設(shè)計(jì)對(duì)超大型 BGA 的焊接質(zhì)量也有重要影響。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，要充分考慮 BGA 的布局、焊盤尺寸、散熱過孔等因素。合理的 BGA 布局可以減少熱集中現(xiàn)象，避免局部溫度過高或過低，有助于減小大小器件之間的溫差。

焊盤尺寸應(yīng)與 BGA 的引腳尺寸精確匹配，過大或過小的焊盤都可能導(dǎo)致焊接不良，增加冷焊的風(fēng)險(xiǎn)。散熱過孔的設(shè)計(jì)要合理，既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(diǎn)的強(qiáng)度。此外，還可以通過在電路板上增加散熱層、優(yōu)化布線等方式，改善電路板的熱性能，為防止冷焊提供有利條件。

9、人員培訓(xùn)與質(zhì)量管控

操作人員的技能水平和質(zhì)量意識(shí)對(duì)于防止冷焊至關(guān)重要。對(duì)參與超大型 BGA 焊接生產(chǎn)的人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，使其熟悉焊接工藝、設(shè)備操作以及各種質(zhì)量控制要點(diǎn)，能夠正確設(shè)置參數(shù)、及時(shí)處理異常情況。

建立完善的質(zhì)量管控體系，從原材料檢驗(yàn)、生產(chǎn)過程監(jiān)控到成品檢測，每個(gè)環(huán)節(jié)都要嚴(yán)格把關(guān)。在生產(chǎn)過程中，加強(qiáng)巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正可能導(dǎo)致冷焊的問題；對(duì)成品進(jìn)行全面檢測，通過 X 射線檢測、功能測試等手段，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合要求，只有經(jīng)過嚴(yán)格檢測合格的產(chǎn)品才能進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

在 AI 領(lǐng)域中，超大型 BGA 雖然為強(qiáng)大的計(jì)算能力提供了硬件基礎(chǔ)，但其生產(chǎn)過程中的冷焊問題需要通過綜合考慮多方面因素，采取一系列有效的措施來加以解決。從優(yōu)化焊接工藝、控制焊接環(huán)境、選擇合適的焊接材料到優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)以及加強(qiáng)人員培訓(xùn)和質(zhì)量管控，每一個(gè)環(huán)節(jié)都緊密相連，共同保障超大型 BGA 的焊接質(zhì)量，推動(dòng) AI 硬件技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

【本文轉(zhuǎn)自《一步步新技術(shù)》雜志，作者陳偉是（庫爾特機(jī)電設(shè)備（上海）有限公司 埃莎亞太區(qū) 總經(jīng)理?！?/strong>