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面阵列器件返工或修理时,需要考虑其工艺的特殊性,这包括严格的工艺控制;精确的热量控制和准确的加热区域及时间;使用无铅焊料的因素;以及元件结构等。返修中心处理面列阵器件返工的次序和工艺,与标准表面组装元器件返工的次序和工艺,有很大区别,一般来说,工序为下列几道:拆卸旧器件;返工区域准备;贴放元件;加助焊剂/焊膏;加热;检验。 随着无铅焊料投入使用,人们必须要考虑无铅如何影响焊接和返工的操作。总的说来,采用传导加热焊接技术方面没有什么实质变化。一个例外是使用氮气焊烙铁,它对焊点区施放氮气,以减少连接处氧化的形成。当涉及到面阵列器件时,还必须考虑到无铅焊料所特有几个问颗。总工艺是相同,但对些易犯的错误,要加以关注。
拆卸旧器件和返工区域准备 从PCB上拆卸器件,决定拆卸方法时要考虑两个问题:拆卸理由,以及拆卸的元件是否要继续使用。如果器件己失效,拆卸热曲线可采用快速升温,加热时间较短,不必关心此器件仍否有用。然而,如果此器件需要再次使用,或者对于使用陶瓷器件和一些要求严格升温率的PCB,拆卸热曲线应与原组装的热曲线一样(慢而均匀加热)。 不论采用什么方法,适当的预热,将PCB彻底均温是成功的关键措施。应该避免仅从上部加热来拆卸器件,这样很易使焊盘被提裂而损坏;顶部加热熔化焊球焊点的热量,经常将返工区域过热,其升温率往往超过允许的升温率;当器件结构由几层不同材料组成时,经常会发生封装体的分层缺陷。 从PCB上拆卸元器件时,器件下焊点要全部液化,这点极为重要。利用返工装置自动提取器件,要用热电偶确认拆卸热曲线己实现。面阵列器件的焊盘和导线非常精细,一旦损坏,极难修复。为了核实是否达到合适的均匀温度,面阵列器件内部放置热电偶的同时,在外部边上放置也同等重要。 一旦元器件被拆卸,返工区要予以除残清洗等准备工作,以利贴装器件。焊盘上的残余焊料,可用一种传导式除焊锡工具予以清除,其他工具有芯吸工具和热风。使用传导式除焊工具时,应轻轻接触PCB的返工区,并采取低温。当温度超过200℃,压力稍大,极易损坏焊盘或阻焊膜。 有导通孔的PCB不太适宜使用除焊锡工具。当除焊锡咀拖过焊盘时,导通孔会吸填焊料。使用芯吸工具的效率较好,但在不熟练操作员手中,用它是有风险的。芯吸工具不要在面阵列焊盘上滑动,这样会提起焊盘,损坏阻焊膜。现在市面上有面阵列器件专用的清除芯吸工具。一旦剩余焊料被除去,重要工作是清洁PCB。贴装有微型器件的情况下,合适的清洗与焊接热曲线一样重要。
遇到无铅焊料时,焊料熔点比通常高,一般高出20℃—35℃。共晶锡铅焊料的拆卸或安装焊接的热温度曲线,要被调整提高。另外无铅焊料易于氧化,比锡铅共晶焊料更加脆性。经过几次热过程后,无铅焊料更难从PCB焊盘上清除。它不像锡铅共晶焊料那样,易得一个清洁平滑表面。对此,返工区域的准备工艺,更需注意和花费时间。
贴放
面阵列器件可用通用方法放置。手工放置面阵列器件,焊料大于1mm时,在焊盘周围印上线框,目视对正。VOS (vision overlay system)系统为多数操作者喜用,它能准确对准。通常,最小的放大倍数为35倍,才有充分能力进行对准。放置CSP、FC和其它微型器件可使用VOS,其放大倍数要达70倍。Z向放置位置精度小于50微米。放置FC时精度为25微米。 为确保正确放置,50%以上的焊球的面积应覆盖在PCB焊盘,即贴放精度是球径的50%,目的是使其有自校正能力。小于50%面积的覆盖会使整排阵列偏移。无铅焊料不会影响对准校正功能。
助焊剂和焊膏的施加
要成功贴装器件必须采用助焊剂。可单独加助焊剂,也可加己含助焊剂的焊膏。太少助焊剂,焊料难 以流动。太多助焊剂,会产生过多气体,在焊点内形成空洞,或导致焊后残留物过多。它们会引起电化学反应产生腐蚀、漏电流等缺陷。施加助焊剂方法很多:如用刷子、笔涂,或用机械泵涂布胶状助焊剂,也可用针式浸移法。
PbSn共晶焊料所用的助焊剂,多数将用在无铅焊料上。很多公司在它们无铅工艺中,应用活性更好、更稳定的助焊剂,以抗拒高温时高氧化率。值得注意的是,用氮气可减轻对新型助焊剂的需要,并能减少润湿角和改善焊料的扩散性能。 下列几种情况必需使用焊膏:器件底部焊球成分是90/10焊料;PCB焊盘上为裸铜或金;PCB曲翘;器件中含有弹性层(用于缓解CTE的不同);最初投产的组装件,焊点几何要求一致;同时,出于清洗等原因,规范上要求焊点有一定高度。 施加焊膏的方法有几种。常用方法有:用局部漏模板在PCB上印焊膏(图2);用元件漏模板在元件漏模板在元件上印焊膏;用点涂设备对每个焊盘上点涂焊膏。 加热 热曲线的预热阶段常备有底部加热措施。为成功安装,底部加热在均热阶段和再流熔化阶段也很重要,这样使PCB器件受到热应力最小。 预热阶段,底部加热确保整板均温。它可防止PCB曲翘、扭曲,并在整个工艺中过程保持返工区的平面度。预热阶段在PCB底部加热使全板升温,以免在其它阶段返工区域热量散失。 在均热阶段,当用顶部加热器加热时,底部需继续加热。顶部与底部一起加热,使返工区和器件达到140℃—170℃温度(取决于助焊剂的活化温度),并保持稳定30一60秒,使助焊剂活化并使助焊剂中挥发物质挥发尽。 在再流焊接阶段,顶部加热器施加较高温度,底部加热器也一起加热。空气或氮气通过加热器,经喷嘴喷射热气包围器件时喷嘴的排气通道能让热气从PCB和邻近器件处排出。重要是加热要缓慢均匀,使器件均匀地达到再流温度。器件上温差高于7℃—10℃,会导致器件损坏。再流焊温度要尽可能低,确保器件和PCB的安全可靠.
微型器件热曲线比标准器件的热曲线时间短。在安装微型器件时可使用较低温度。微型器件外形尺寸与其硅片尺寸相近,没有采取充分密封材料用以保护。其焊球尺寸小;质量少,封装体又薄,透过器件传热非常快。而标准BGA安装时,热气包围它需要较长的加热时间,因此,如将标准器件的热曲线用在微型器件上,器件会升温过热,必须避免这样做。 很多返工设备在加热过程中,可对热曲线参数调整。通常对一件PCB,安装许多热电偶在各个地方。开发一个热曲线,热电偶最佳放置地点有器件顶部;至少放在一个球上,最好二个,内外各一;PCB底部,一个在返工区下部,一个在返工区旁。在以上地点放置热电偶,能做到:监视器件顶部与底部的温度差;监视器件中心部与外侧部的温度差;监视这些焊球所处的热温度。 建立热曲线可以用已组装的器件或重新组装。两种方法都可开发出可靠的热曲线,但都必须注意某些问题。如用己组装好的器件,重要的是放好热电偶。它们必须与现存焊点接触。最好方法是从印制板底部钻孔至焊点内,再用环氧树脂胶(或其他方法)将热电偶固牢。通常在器件顶部固定热电偶是容易些,特别是对微型器件。 如果重新组装,重要的是在整个过程中,要确保焊球与热电偶接牢。如热电偶与球不接触,则会得到错误数据。在整个工艺过程中,做到热电偶与松动的器件固牢,并与PCB保持接触是比较困难的。一旦得出热曲线,必须将这个热曲线再一次进行核实。 面阵列器件返工目前面对的最重要的问题之一是,器件耐受最高温度为220℃。当一个无铅焊料(SAC合金)熔化温度为217℃(或更高些)时,其工艺窗口是非常狭窄的。因此BGA的无铅焊料球修理是一项特殊作业,大多数技术人员不易操作,成本也高。可购置更先进的,能精确控温在±3.5℃内的特殊返工设备。另外,面阵列器件用无铅焊料时更易于产生空洞。 检验 对于面阵列器件,最常用的是X射线检测。其次是采用视频显微镜,它能从90°角观察器件的下面。视觉检验后,再用电测以核实安装正确。 无铅焊料合金会困扰目检员,因为工业界己熟悉光滑明亮的焊点。即使在N2炉中再流焊,焊点通常还是外貌黯淡,有时呈现颗粒状。用X射线检验时,有些缺陷,如空洞并不太容易检测出来。因为对空洞的发现能力是与材料密度有关的。没有铅,一个实球与含空洞的球的对比几乎没有差别。为了彻底检验,要增强成像力,这需要更昂贵X射线检验设备以及先进的软件。 总结
无铅焊料的面阵列器件返工并不困难,但是业界必须面对一个现实,即无铅合金迄今没有一个工业标准,一些公司开始进入无铅生产时,可以出现各种无铅合金。从返工观点来看会遇到两个方面的问题。首先是合金间可能存在相容性问题。修理技术员不能目视监别出PCB上用了什么合金,最初制造用的焊料合金,工作台上用的合金以及元件端子涂层,PCB涂层,烙铁涂锡合金等都要相互兼容,从而避免产生一个不受控制的合金,即几种份量不清楚、成份不知道的焊料合金混合而产生的合金。无铅时代是个良好愿望,很明显电子工业还没有完全准备好,业界至少应该确定出一个简单合金用以替代SnPb共晶合金;另一方面,可靠性仍然是一个首要关注的问题,除非找出一个合金,能证实其可靠性与SnPb共晶合金一样,否则很难做到完全不用铅。
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