恒天翊官方旗艦店
服務(wù)熱線:133 6054 0871
1. BGA器件的分類(lèi)和特點(diǎn)
說(shuō)起BGA的返修,首先我們先了解一下這種器件的特點(diǎn)。BGA封裝的I/O端子以圓形或柱狀焊點(diǎn)按陣列形式分布在封裝下面,焊點(diǎn)的加熱熔化主要通過(guò)封裝體與PCB的熱傳導(dǎo)。
BGA主要有PBGA,CBGA,CCGA和TBGA幾大類(lèi),我們目前生產(chǎn)中比較常見(jiàn)的是PBGA和CBGA。
PBGA (plastic BGA)是塑料封裝的BGA,也是目前使用較多的BGA,它使用63/37(有鉛)或者305(無(wú)鉛)成分的焊錫球,焊錫的熔化溫度為183℃或者217℃。PBGA的優(yōu)點(diǎn)是成本較低,容易加工,不過(guò)由于塑料封裝,容易吸潮。
CBGA(ceramic BGA)是陶瓷封裝的BGA,也有一定范圍的應(yīng)用,CBGA焊球的成分為90Pb/10Sn(它與PCB連接處的焊錫成分仍為63Sn/37Pb)。CBGA是在元件和印制板上采用不熔焊球(實(shí)際上是它的熔點(diǎn)大大高于回流焊的溫度),焊球直徑為0.889mm,高度保持不變。CBGA的焊錫球較PBGA不容易吸潮,且封裝的更牢靠,CBGA芯片底部焊點(diǎn)直徑要比PCB上的焊盤(pán)大,拆除CBGA芯片后,焊錫不會(huì)在PCB的焊盤(pán)上。
BGA與其他類(lèi)型元件的區(qū)別就是焊點(diǎn)在元件本體的下部,不能夠通過(guò)烙鐵等常規(guī)工具進(jìn)行拆卸焊接,而且拆卸焊接過(guò)程也不能夠看到焊點(diǎn)的熔化和固化過(guò)程。這就決定了BGA維修的特殊性。下面我們就從上述應(yīng)用最廣泛的PBGA說(shuō)起,說(shuō)說(shuō)PBGA的返修。
2. BGA器件的返修流程
BGA返修主要有下述幾個(gè)步驟:準(zhǔn)備、拆卸、植球、焊接和檢測(cè)。
3.1準(zhǔn)備:
烘干:這個(gè)是最容易讓人忽視的程序,但恰恰也是十分重要和關(guān)鍵的程序。電路板和芯片烘干的主要目的是將潮氣去除,否則由于焊接時(shí)的迅速升溫,會(huì)使芯片內(nèi)和電路板的潮氣馬上氣化導(dǎo)致芯片損壞。而烘干后的板子要在 24小時(shí)內(nèi)完成拆卸焊接,同時(shí)植球前的芯片也要保證是烘干過(guò)的,并且24小時(shí)內(nèi)完成植球。注意烘板前,將溫度敏感組件拆下后進(jìn)行烘烤,例如光纖、電池、塑膠類(lèi)拉手條等;否則容易造成的器件受熱損傷。
產(chǎn)品保護(hù):這個(gè)環(huán)節(jié)也容易被忽視,但也很重要。返修板正面、背面有光纖、附件區(qū)域的電池需要拆除后才可返修,若返修單板背面距離返修芯片10mm及10mm以外有散熱器、插裝晶振、電解電容、塑膠導(dǎo)光柱、非高溫條形碼、BGA、BGA插座等,須在其表面貼5-6層高溫膠紙進(jìn)行保護(hù)。
噴嘴和支撐的準(zhǔn)備:對(duì)于寬度大于100mm的板子,應(yīng)該給工作站加熱臺(tái)加支撐,支撐桿位置優(yōu)選位于PCB板中間,使PCB保持平面,不能支撐到器件上。噴嘴選用實(shí)際尺寸比BGA大2~5mm的噴嘴。
拆卸/焊接曲線:由于加熱中BGA錫球的實(shí)際溫度與BGA的尺寸、封裝材料、設(shè)備的加熱系統(tǒng)效率、PCB的大小厚度以至于PCB在工作站的位置都有很大的關(guān)系,所以如果電腦中存儲(chǔ)了返修曲線程序,那么每次拆卸/焊接前都要測(cè)量一下,如果沒(méi)有程序則需要制作溫度曲線。溫度曲線板的制作規(guī)則和SMT的回流溫度曲線板的制作過(guò)程是類(lèi)似,采用一塊與返修的PCB相同的試驗(yàn)板,對(duì)于BGA元件,要采取底部打孔,把熱電偶伸進(jìn)接觸到BGA錫球,然后用高溫錫或環(huán)氧樹(shù)脂固定。
SMT回流焊接工藝中一般使用兩種常見(jiàn)類(lèi)型的溫度曲線,它們通常叫做保溫型(平臺(tái)型)和帳篷型(三角型)溫度曲線。在保溫型曲線中,裝配在一段時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷相同的溫度。帳篷型溫度曲線是一個(gè)連續(xù)的溫度上升,從裝配進(jìn)入爐子開(kāi)始,直到裝配達(dá)到所希望的峰值溫度。返修工作站不同于回流爐,溫區(qū)有限,想做成平臺(tái)型的曲線比較困難,所以一般都是采用三角型的曲線。注意控制升溫斜率在3度/秒以下;也要注意冷卻斜率,冷卻快,錫點(diǎn)強(qiáng)度會(huì)稍微大一點(diǎn),但不可以太快而引起元件內(nèi)部的溫度應(yīng)力,一般冷卻斜率不大于5度/秒。制作曲線的關(guān)鍵是要對(duì)PCB的底部進(jìn)行充分的預(yù)熱,以防止翹曲;回流時(shí)間和最大溫度就參考推薦的參數(shù)即可。
3.2拆卸:
在返修準(zhǔn)備工作做好的情況下,拆卸工作比較容易,只需選擇相應(yīng)的溫度曲線程序。拆卸程序運(yùn)行中,根據(jù)BGA封裝的物理特性,所有的焊點(diǎn)均位于封裝體與PCB之間,焊點(diǎn)的加熱熔化主要通過(guò)封裝體與PCB的熱傳導(dǎo)。返修程序運(yùn)行完畢后,由設(shè)備自動(dòng)吸取被拆器件,當(dāng)器件表面粗糙不平情況下允許采用鑷子夾取;采用鑷子夾取時(shí),先用鑷子輕輕撥動(dòng)器件,確定器件已經(jīng)完全融化后立即夾起。
拆卸后,在BGA芯片植球和貼裝之前,應(yīng)清理返修區(qū)域,包括BGA焊盤(pán)和PCB焊盤(pán)。清理焊盤(pán)一般用扁平烙鐵頭+吸錫編帶。吸錫編帶專(zhuān)門(mén)用于從BGA焊盤(pán)和元件上去除殘留焊膏,不會(huì)損壞阻焊膜或暴露在外的印制線。將吸錫編帶放置在基板與烙鐵頭之間,加熱2至3秒鐘,熱量通過(guò)編帶以最佳方式傳遞到焊點(diǎn),然后向上抬起編帶和烙鐵,抬起而不是拖曳編織帶,可使焊盤(pán)遭到損壞的危險(xiǎn)降至最低。編織帶可去除所有的殘留焊錫,從而排除了橋接和短路的可能性。去除殘留焊錫以后,用適當(dāng)?shù)娜軇┣逑春副P(pán)區(qū)域。
3.3植球:
經(jīng)過(guò)拆卸的BGA器件一般情況下可以重復(fù)使用,但由于拆卸后BGA底部的焊球被不同程度的破壞,因此必須進(jìn)行植球處理后才能使用。
錫球和輔料的選擇:
植球使用的輔料選擇很重要,目前主要使用的焊錫膏和助焊膏,使用助焊膏時(shí),置完球的芯片加熱過(guò)程中,在熱風(fēng)的工作站環(huán)境下錫球往往容易連橋,所以推薦選用錫膏來(lái)進(jìn)行植球。
而錫球則根據(jù)芯片的datasheet來(lái)進(jìn)行選擇,成份上主要有無(wú)鉛305、有鉛63/37和CBGA用到的90Pb/10Sn等幾種,大小主要有0.3、0.4、0.5、0.6和0.7mm幾種。需要注意的是在選擇錫膏工藝時(shí),錫膏的成份要與錫球的成份一致,而且在錫球大小的選擇上,要比原始芯片的直徑小一些,這樣錫球和錫膏重新融合成錫球后會(huì)最接近于原始芯片的大小。
植球的幾種常用方法:根據(jù)植球工具和材料的不同,植球的方法也不相同,但工藝流程是相同的。即印刷焊膏--置球—加熱。植球方法的區(qū)別在于第二步的置球。目前比較通用的置球方式有三種。
a.多用途植球器
此種植球器使用時(shí),需要根據(jù)芯片的球徑和球間距選擇相應(yīng)的模板,模板的開(kāi)口尺寸一般比錫球直徑大0.05-0.1mm,將模板固定在底座上,錫球均勻的撒在模板上,搖晃植球器,多余的錫球從模板上滾到錫球收集槽中,使模板表面恰好每個(gè)漏孔中保留一個(gè)錫球。然后把植球器放置在返修工作站上,把印刷好錫膏的BGA器件吸在工作站的吸嘴上(印好錫膏的焊盤(pán)面向下),按照焊接BGA的方法進(jìn)行對(duì)中,使BGA器件底部圖像與植球器模板表面每個(gè)錫球圖像完全重合。然后將吸嘴向下移動(dòng),把BGA器件貼裝到植球器模板的表面的錫球上,將BGA器件吸起來(lái),錫球?qū)⒄吃贐GA器件相應(yīng)的焊盤(pán)上(,小心用鑷子取下器件,進(jìn)行后續(xù)的加熱。此種植球的優(yōu)點(diǎn)是模板利用率高,只需準(zhǔn)備4片不同規(guī)格的模板即可滿足絕大多數(shù)類(lèi)型BGA的植球。缺點(diǎn)是操作稍顯復(fù)雜,需要借助工作站的視覺(jué)對(duì)中系統(tǒng),而且大批量植球時(shí)效率不高。
b.專(zhuān)用植球器
專(zhuān)用植球器需要根據(jù)芯片的DATASHEET進(jìn)行制作,一個(gè)裝載BGA器件的底座,加上鑲嵌印刷網(wǎng)板的蓋板和鑲嵌漏球模板的蓋板各一個(gè)。使用時(shí),首先印刷網(wǎng)板的蓋板裝載到裝載有BGA的底座上,印刷錫膏后,取下蓋板,然后把漏球模板的蓋板裝載到底座上,將錫球均勻的撒在模板上,搖晃植球器,多余的錫球從模板上滾到錫球收集槽中,使模板表面恰好每個(gè)漏孔中保留一個(gè)錫球。垂直取下蓋板,觀察BGA器件上有無(wú)缺少錫球的現(xiàn)象,用鑷子補(bǔ)齊錫球。此種植球的優(yōu)點(diǎn)是植球操作簡(jiǎn)單,成功率高,缺點(diǎn)是植球工裝成本比較高,需要對(duì)每種不同封裝的BGA器件制作一套。
c.萬(wàn)能植球器
此種萬(wàn)能植球器原理和專(zhuān)用植球器類(lèi)似,區(qū)別就是此種植球器底座可以通過(guò)三個(gè)絲桿控制X和Y方向的寬度以及Z方向的高度,從而適合絕大多數(shù)BGA芯片。固定好芯片后,后續(xù)的流程和專(zhuān)用植球器完全相同。如果維修不同封裝的BGA,只需要制作相應(yīng)的印刷網(wǎng)板和漏球網(wǎng)板,然后把網(wǎng)板放入蓋板適配器上,進(jìn)行對(duì)位調(diào)整到合適位置鎖緊即可。
上述三種植球方法,各有優(yōu)缺點(diǎn)。不管采用哪種植球方法,后續(xù)的工作都要放到一個(gè)托板上,進(jìn)行回流焊接。焊接時(shí)BGA器件的錫球面向上,需要注意的是熱風(fēng)量調(diào)到最小,以免把錫球吹移位,溫度設(shè)定也比實(shí)際焊接溫度要低一些,同時(shí)適時(shí)觀察錫球熔化的狀態(tài),融融狀態(tài)下持續(xù)十幾秒就要停止加熱,減少對(duì)芯片的熱沖擊。
3.4焊接:
焊接輔料的選擇:無(wú)論是焊接新BGA還是植球后的BGA,對(duì)輔料的選擇都是很?chē)?yán)格的。焊接輔料主要有助焊膏和焊錫膏兩種。兩種輔料各有特點(diǎn),助焊膏方式不需要制作鋼網(wǎng),涂覆簡(jiǎn)單快捷,維修速度快,但穩(wěn)定性差,尤其對(duì)于大尺寸BGA容易產(chǎn)生開(kāi)路等缺陷;而焊錫膏方式需要制作鋼網(wǎng),對(duì)印刷要求一定的技巧,但可以有效地補(bǔ)償加熱過(guò)程中由于PCB變形產(chǎn)生的翹曲,有效防止開(kāi)路的產(chǎn)生,改善焊接效果,得到比用助焊膏焊接更好的效果。
對(duì)于CBGA,由于錫球是高溫的90Pb/10Sn,熔點(diǎn)為302℃,焊接過(guò)程不熔化,故返修過(guò)程必須涂覆焊錫膏。
通過(guò)對(duì)實(shí)際焊接過(guò)程的分析及對(duì)焊接結(jié)果的觀察統(tǒng)計(jì),在PCB上涂覆焊錫膏具有穩(wěn)定性高,減少焊接缺陷,補(bǔ)償PCB熱變形等助焊膏不具備的優(yōu)點(diǎn),所以在實(shí)際焊接過(guò)程中,給出如下建議。在BGA尺寸大于15mm*15mm時(shí)和BGA是CBGA封裝條件下,必須使用焊錫膏作為焊接輔料;在BGA尺寸小于15mm*15mm,且PCB厚度大于等于1.6mm時(shí),如果對(duì)維修速度要求較高,可以考慮使用助焊膏。
BGA焊接的流程:印刷錫膏(助焊膏)-視覺(jué)對(duì)中-回流
a. 印刷錫膏(助焊膏)
涂覆助焊膏:用畫(huà)筆蘸少許助焊膏,在焊盤(pán)上來(lái)回輕輕涂抹,檢查焊盤(pán)上助焊膏的涂抹情況,要求助焊膏涂布均勻。不可有助焊膏堆積現(xiàn)象,焊盤(pán)上不可有纖維、毛發(fā)等殘留。
印刷錫膏:印刷錫膏使用的鋼網(wǎng)有兩種類(lèi)型,簸箕型和鋼片型,兩種類(lèi)型應(yīng)用都很普遍,網(wǎng)板的厚度和開(kāi)孔的選擇與SMT生產(chǎn)鋼網(wǎng)的規(guī)范一致,依據(jù)錫球直徑和間距的大小。下面以鋼片型鋼網(wǎng)為例,說(shuō)說(shuō)印刷錫膏的流程。選擇對(duì)應(yīng)的印錫鋼網(wǎng),將印錫的小鋼網(wǎng)定位并用膠帶粘貼在PCB上(用來(lái)固定鋼網(wǎng),并防止錫膏外溢);需要使鋼網(wǎng)開(kāi)口和焊盤(pán)完全重合,不錯(cuò)位。用刮刀取適量錫膏,然后在小鋼網(wǎng)上刮過(guò)。刮錫膏時(shí)盡量使錫膏能在鋼網(wǎng)和刮刀之間滾動(dòng)。然后向上慢慢的提起鋼網(wǎng),提取的過(guò)程中,要減少手的抖動(dòng)。
b.視覺(jué)對(duì)中
將涂抹好錫膏的單板平穩(wěn)放置在工作臺(tái)上,將器件放在機(jī)器噴口中的吸嘴上,注意方向,然后進(jìn)行視覺(jué)對(duì)中,使器件和焊盤(pán)的影像重合,運(yùn)行機(jī)器,完成貼放動(dòng)作。(采用印錫返修時(shí),必須使用設(shè)備將BGA貼放在PCB上,不得使用手工放置。采用刷助焊膏返修時(shí),可以用手工放置器件,以絲印框?yàn)闇?zhǔn)進(jìn)行對(duì)位)。器件貼放后,需要檢查返修器件的高度是否一致,是否有高度不平、器件傾斜等異常。
c.回流
貼裝檢查完畢后,選擇與芯片對(duì)應(yīng)的溫度曲線程序?qū)GA進(jìn)行加熱,程序運(yùn)行完畢,完成器件焊接過(guò)程。待板子冷卻后取走PCB。
3.5 檢測(cè):
由于BGA焊點(diǎn)是不可見(jiàn)焊點(diǎn),所以除了電性能測(cè)試外,主要應(yīng)用X射線檢測(cè)。X射線透視圖可顯示焊接厚度、形狀及質(zhì)量的密度分布。厚度與形狀不僅是反映長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)質(zhì)量的指標(biāo),在測(cè)定開(kāi)路、冷焊、短路缺陷及焊接不足方面,也是很好的指標(biāo)。
4. BGA返修常見(jiàn)問(wèn)題分析
芯片翹曲:
BGA出現(xiàn)焊接缺陷后,如果進(jìn)行拆卸植球焊接,總共經(jīng)歷了SMT回流,拆卸,焊盤(pán)清理,植球,焊接等至少5次的熱沖擊,接近了極限的壽命,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)最終有5% 的BGA芯片會(huì)有翹曲分層,所以在這幾個(gè)環(huán)節(jié)中一定要注意控制芯片的受熱,拆卸和焊盤(pán)清理和植球環(huán)節(jié)中盡量降低溫度和減少加熱時(shí)間。
PCB翹曲:
熱風(fēng)工作站采用上下部同時(shí)局部加熱來(lái)完成BGA的焊接,由于PCB材質(zhì)的熱脹冷縮性質(zhì)和PCB本身的重力作用,因而對(duì)PCB中BGA區(qū)域產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力,會(huì)使得PCB在返修過(guò)程中產(chǎn)生一定程度上的翹曲變形,支撐雖然起了一定的作用,但PCB變形仍然存在。嚴(yán)重時(shí)這種變形會(huì)導(dǎo)致外部連接點(diǎn)與焊盤(pán)的接觸減至最小,進(jìn)而產(chǎn)生BGA四角焊點(diǎn)橋接,中間焊接空焊等焊接缺陷。因此要盡量控制溫度,由于工作站底部加熱面積較大,在保證曲線最大溫度和回流時(shí)間條件下,增加預(yù)熱時(shí)間,提高底部加熱溫度,而降低頂部加熱溫度,會(huì)大大的減少PCB的熱變形;另外就是注意底部支撐放置的位置和高度。
焊接開(kāi)路:
造成焊接開(kāi)路的原因比較復(fù)雜,上面論述的PCB翹曲是一個(gè)原因。另外還有幾個(gè)因素可能導(dǎo)致開(kāi)路,重點(diǎn)查看焊接曲線是否正確,不正確的曲線會(huì)導(dǎo)致回流時(shí)間過(guò)短或溫度過(guò)低,而錫球和錫膏沒(méi)有充分回流造成開(kāi)路;是否因?yàn)椴捎昧酥父喽皇呛稿a膏作為焊接輔料,使用焊錫膏回流制程,發(fā)生開(kāi)路的可能性會(huì)減少,這是因?yàn)楹稿a膏對(duì)共面性的要求較低;是否PCB和芯片焊接前沒(méi)有進(jìn)行烘干等等。
焊接短路:
PCB翹曲是導(dǎo)致焊接短路的原因之一,其他原因還有,網(wǎng)板開(kāi)孔的厚度和印刷的錫膏量是否合適,錫膏過(guò)厚且不均勻,極容易產(chǎn)生短路;PCB和芯片是否烘干,如果沒(méi)有烘干,爆米花現(xiàn)象將可能引起短路;清理焊盤(pán)時(shí)是否破壞了阻焊膜,如果阻焊被破壞,很容易導(dǎo)致短路;另外就是溫度曲線是否正確。
5. 綜述
不管BGA返修技術(shù)怎么發(fā)展,返修效果如何的好,芯片在多次受到熱沖擊條件下,仍然存在著壽命縮短,穩(wěn)定性變差的隱患,所以在提高返修能力的基礎(chǔ)上,還要從前端SMT環(huán)節(jié),通過(guò)制程優(yōu)化、設(shè)備和人員物料等管理環(huán)節(jié),減少BGA的返修,從而達(dá)到高合格率,使BGA更具成本效益。
目前BGA的生產(chǎn)制程也很穩(wěn)定,每家公司也都在提高工藝水平加強(qiáng)管理,BGA缺陷率也在逐步降低,但百密也有一疏,不可能完全杜絕BGA返修。所以每家公司適當(dāng)?shù)嘏嘤?xùn)返修技術(shù)人員,采用恰當(dāng)?shù)姆敌拊O(shè)備,了解BGA返修的關(guān)鍵工序,并且不斷總結(jié)返修的經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化返修的制程,改進(jìn)返修工藝,這些都有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、有效的返修。
恒天翊堅(jiān)信質(zhì)量是產(chǎn)品的靈魂,嚴(yán)守每一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)的每一道工藝、服務(wù)的每一個(gè)細(xì)節(jié)!