技术的发展不断地推动着电子元件变得越来越小，因此，产品设计师经常被迫在物料清单（BOM）上指定越来越小的设备。有时，微型设备能为原始设备制造商（OEM）节省成本，这看起来是一件好事，但很多时候其实是根本没有其他选择。
元件制造商通过不断淘汰旧设备，试图将新技术推向市场，并跟上消费趋势。对于那些在其工业硬件中设计有“旧”版本零件的OEM来说，这可能会造成问题，因为他们可能需要重新进行设计。
产品设计师并不总能意识到，重新设计他们的产品以包括微型设备会造成各种挑战。您可能认为设计与制造没有什么联系。虽然新的设备电气性能可能很好，但如果它位于较大的设备旁边，则电子制造商可能需要修改其制造工艺，并进行一些额外的试验，以保证制造出的产品质量一致。 所有这些都需要更多的时间，在某些情况下还需要专门的设备和治具。
在本文中，我们将与大家分享一个研究案例，其内容是关于SIM卡座附近微球栅阵列（BGA）的印制电路板组装（PCBA）。我们将一步步展示我们采取的工艺步骤，确保始终如一的焊点，并与您分享我们的试验结果。
不幸的是，我们不能告诉你客户是谁。与所有客户一样，我们有保密协议，但我们可以告诉您，他们是一家全球化安全服务公司。我们也不能详细描述这个产品。但是我们可以告诉你，PCBA是双面的，8层以上，0.4"间距的微BGA（尺寸2.7 mm x 2.4 mm），BGA边上是尺寸为26mm x 20mm的SIM卡读卡器。
多级焊料钢网
这给我们带来了挑战。微BGA需要0.08 mm的焊料高度，而SIM卡读卡器需要0.125 mm焊料高度。处理这一特定挑战并实现不同焊膏高度的常规方法是使用多级焊料钢网。多级钢网可以通过两种常见技术（分步和增量法）制造，如果您想了解这两种方法各自的优缺点，我们最近撰写了一篇关于这个主题的文章。
不幸的是，在使用分步法钢网之后，我们发现微BGA存在焊料短路和大约25％的故障率。
左图：短路的BGA 右图：无短路的BGA
虽然我们认为可以进一步改进钢网材料和设计（更换为电镀镍，减少焊料沉积，并使用纳米涂层），但我们希望将短路的风险降至最低，所以决定试着将助焊剂直接应用于微BGA上。
直接应用助焊剂
我们尝试了Mycronic的浸渍装置，将它装在我们的表面贴装设备上。 该装置由刮刀和助焊剂转移板组成，转移板上切割有不同深度的多个空腔。喷出助焊剂，然后刮刀将其刮过空腔，填充，最后将微型BGA直接浸入其中。
在我们的尝试过程中，我们制造了两块面板，共使用了16个微BGA。我们还尝试了两种不同的助焊剂深度，一个面板为0.1 mm，另一个为0.14 mm，目标是助焊剂至少达到50％的球高度（0.2 mm）。太多的助焊剂会导致部件粘在腔中。还有一个需要注意的地方是，在回流焊时，球之间的间隙会充满助焊剂残渣，如果您需要通过树脂填充使其连接更牢固，这可能会造成问题。
在将设备安装到电路板并回流之后，我们重新检查了这些板子以寻找潜在的问题。
结果
我们使用X光检查了面板，没有发现短路，安装情况良好。虽然X射线图像比较可靠并能提供良好的细节水平，在检测验证结果时，我们通常建议不止使用一种检查方法。
为了确保焊盘和BGA之间有良好的润湿性，我们决定将一个PCBA水平横截面，另一个垂直横截面。水平横截面确认了焊点形成良好，并且可以看到球流动到了由阻焊层分隔开的焊盘周围。在垂直横截面中，可以看到两个球是带着PCB上的焊盘分离的。因为这是试验，所以问题不大，并且这是由于横截面时所施加的力造成的。为了避免这个问题再次发生，我们将在横截面前将PCB灌封在透明树脂中。
左图：水平横截面，显示BGA中心的横截面。可以看到PCB的铜焊盘，BGA球和两者之间的连接。右图：垂直横截面，只留下焊球。
结论
将助焊剂直接应用于微BGA是钢网印刷的一个良好替代品，但是成本很高。根据制造商不同，浸渍单元和转移板的成本大约在13万元至17万元之间，而分步钢网的成本仅为几千人民币。很大程度上，是否采用这种方法取决于您正在制造的产品和每月的产量。如果产量足够高，那么投资自动化解决方案可能是正确的决定。但是，如果生产小批量产品，那么您可能无法收回投资，应该继续使用不同的模具设计和材料进行试验。
希望这篇文章能够为电子制造商们每天面临的挑战提供一些有用的见解。尽管大部分问题可以通过稳健的工程和NPI流程来克服，但最有效的方式还是让设计和制造团队从一开始就更加紧密合作。
因此，如果再遇到不得不进行更改元件的情况，我们建议您查看板的其余部分，然后在确定材料之前与制造合作伙伴联系，以确保您的设计能够以高性价比的方式制造。
本文原载于JJS Manufacturing博客，点击这里访问。
