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SMT贴片加工厂[返修工艺] 怎样返工BGA和CSP元器件?

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BAG等高难度芯片返修工艺,对设备、人员都需要想当高的要求,我们一起来看看吧!
SMT贴片加工
 
返工对工艺设备的要求
很自然,BGA/CSP元器件的返工首选的方法是对流而不是辐射,焊烙铁(热传导)也不是理想的选择。即使在常规的BGA返工中,使用IR也很难,这是因为陶瓷加热器不能够快速冷却,从而高于回流温度的时间很难控制;而使用对流容易进行严格的工艺控制,有利于建立良好的、可重复的温度曲线,不会造成元器件被过分加热,或高于回流温度的时间持续太长。
 
标准的回流由三个温区构成(表一):预热区、保温区和回流区。回流过后是PCB冷却至100℃以下的过程。使用无铅组装时,焊接工艺变得尤为关键。无铅所需的较高温度(达235℃)以及BGA/CSP对高温的敏感性,使得不正确的温度上升过程很容易损坏元器件。
 
最新的返工设备多使用四个加热区和一个系统可控的冷却区。为返工设备增加一个可控制的预热器,可以满足无铅的工艺要求。尽管设定任意温度曲线的基本要求是人们都熟悉的,设置正确的、理想的曲线还是需要经验和耐心。
 
元器件对温度的要求
一般来说,当使用的气体温度超过300℃时,BGA就会出现由于翘曲问题,导致角落产生桥接,这被称为“狗耳朵”现象。因此,回流区取265℃~285℃作为最高的气体温度。另一方面,无铅焊膏回流需要相对较高的温度,常用的最高焊接温度的峰值为235℃。
 
元器件的供应商规定的元器件外缘的最高温度为265℃,最常用的温度范围为240~250℃。这些温度非常接近于225℃~233℃的焊接温度。对无铅来说,更为严重的是,元器件允许滞留在高于回流温度以上的时间,从共晶焊料的60~90秒降到无铅所需的15~30秒,降幅达三至四倍。这意味着返工设备必须能够快速升温,并快速降温。
 
元器件的兼容性
许多制造厂家正向着无铅焊料球技术过渡,共晶焊料球在美国仍是标准选择,元器件厂家则已经将使用无铅焊球作为标准。如果无铅元器件能被用在通用的焊接工艺中,那么生产工艺就不必作大的改动。因此,元器件是向着无铅的趋势发展,制造厂家只需生产一种元器件产品,就可以同时满足使用无铅或有铅制程的生产企业的需求。
 
温差设置
元器件表面的温差(温度分布的均匀程度),是高质量的返工和组装所必须考虑的一个因素。通常, 10℃的增量被认为是可以接受的。器件上下部的温度差是另一个重要因素。新的无铅焊接工艺要求温差最好在5℃。在小的PCB上(如手机的线路板)使用较小的元器件,达到这一温差控制不是很难,相反BGA越大,要达到该温差就越难。
 
温度曲线控制
为确保焊点不会出现脆裂的现象,温度需要得到更好的控制,包括加热、快速升温和降温,特别是对板子底部的加热过程。加热板不能够快速升温和降温,所以不适合于无铅焊接工艺的应用。
 
回流炉中升温过程是由传送带的速度来控制的,而在返工过程中,由于焊点熔融或PCB处在约125℃以上的玻璃态转变温度时(由基板使用的材料而定)PCB不能移动。因此,返工过程中,移动PCB是不可取的,处于高于回流温度的时间如果不可控制也是不行的。IR陶瓷加热器就是不符合后一种要求的例子。滞留在回流温度以上时间,无铅焊膏的范围在15~30秒,对于免清洗共晶焊料来说,通常为45~60秒。
 
设置温度曲线的原则有三点,即足以使焊料熔融和形成金属间化合物;足以使焊剂活化和产生润湿的效果;以及使用足够低的温度以不损坏元器件和PCB。无铅焊料使用的返工温度曲线完全不同与有铅共晶焊料,而且容差非常小,达到的难度较高。以下有一个例子,说明了无铅焊接温度曲线与共晶焊料的标准曲线的差别,其中最关键的是温度控制以及快速地升温和冷却
 
正如前面所述,达到回流温度以上的时间一般被限制在30秒,有的甚至只有15秒钟。然而,整个表面和上下表面的温差对于使焊点达到所需温度又非常重要。元器件越大,它的热膨胀系数CTE的差别也就越大,如果从元器件的中心到元器件的角落的热膨胀与PCB的膨胀不符的话,位于元器件角落的焊点就会处在受应力状态,对无铅焊点尤为关键。
 
无铅产品的检测与含铅的不同
常用的共晶焊接工艺中,表面粗糙的焊点通常被作为不合格产品。然而,对无铅的焊点,这却是正常的现象。向无铅过渡的公司需要实施全新的质检标准。视觉检测设备需要对正面的光进行控制,而不需要较强的背光,否则图片看上去太亮和发光。
 
检测BGA/CSP的传统方法X射线目前仍可以使用,不过,X-Ray检测不出焊点的外观质量。近两年时兴的视觉检测设备,在目前的经济困境下,是一些企业唯一的检测设备。与75000~ 120000 美元的X射线检测设备比较,这种检测设备的费用一般便宜的多,仅为20000 ~ 25000美元。X射线和视觉检测设备之间的另一个差别是,视觉检测设备可以观察到焊球上下的焊接点,从而可以检测和判定金属间化合的形成情况。即使特别昂贵的X射线检测设备也很难做到这点。
 
在选择视觉检测设备时,还需要考虑到BGA和CSP器件的不同。CSP的质量比BGA的小,如果对回流炉的工艺控制得不妥的话,CSP的温度就会很高。如果CSP与大型BGA使用同一板子(这是常见的),视觉检验更有有必要,必须注意的是,CSP 的脱膏高度为0.007″~ 0.008″(0.2mm),而BGA的脱膏高度为0.0018″~ 0.020″(0.5mm)。

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