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資深老外分享BGA芯片的返修焊接
發布時間:2018-07-04 14:28:50

封裝描述

PBGA是一種封裝形式,其主要區別性特征是利用焊球陣列來與基板(如PCB)接觸。此特性使得PBGA相對于其他引腳配置不同的封裝形式(如單列、雙列直插、四列型)有一個優勢,那就是能夠實現更高的引腳密度。PBGA封裝內部的互連通過線焊或倒裝芯片技術實現。包含集成電路的PBGA芯片封裝在塑封材料中。

001ednc20180111圖1. PBGA器件示意圖

PBGA器件返修

將PBGA器件裝配到PCB上之后,若發現缺陷,應當返修以移除不良器件,并換上工作正常的器件。移除器件之前,應加熱不良器件直至焊接接頭液化,以便于從電路板上移除不良器件。

常規返修程序如下:

1. 準備板子。

2. 移除器件。

3. 清潔PCB焊盤。

4. 涂敷焊膏。

5. 器件對齊和貼片。

6. 固定器件。

7. 檢查。

移除器件和分層

移除器件時,可能會在PBGA和/或PCB上產生機械應力。應小心移除不良器件,避免損傷PCB、鄰近器件及不良器件本身,尤其是若用戶打算對不良器件進行故障分析時。

PBGA器件上若有過大應力,例如將器件加熱到額定峰值溫度以上或過度暴露于高溫下,可能導致封裝分層或外部物理損壞(參見圖2和圖3)。對于要做進一步分析的器件,移除不當所引起的分層會加大找出真正故障機制的難度。因此,為了進行有效的故障分析,妥善移除不良器件是十分必要的。

002ednc20180111圖2. 過度加熱引起PBGA器件的基板和塑封材料之間分層(通過掃描聲學顯微鏡觀測)

003ednc20180111圖3. 過度加熱導致PBGA上出現裂紋的低放大率圖像(側視圖)

準備板子

強烈建議在返修開始前對PCB組件進行干烘,以消除殘留水分。若不消除,在回流期間,殘留水分可能會因為“爆米花效應”而損傷器件。在125°C下烘烤PCB組件至少4小時,只要這些條件不超過PCB上其他器件的額定限值。如果這些條件超過其他器件的額定限值,則應使用聯合行業標準IPC/JEDEC J-STD-033中說明的備選烘烤條件。

移除器件

可使用不同的工具來移除器件。為了移除器件,可能要加熱器件,直至焊料回流,然后在焊料仍處于液態時通過機械手段移除器件??删幊虩峥諝夥敌尴到y可提供受控溫度和時間設置。

返修時應遵循器件裝配所用的溫度曲線。返修溫度不得超過濕度靈敏度等級 (MSL) 標簽上規定的峰值溫度。加熱時間可以縮短(例如針對液化區),只要實現了焊料完全回流即可。焊料回流區處于峰值溫度的時間應小于60秒。拾取工具的真空壓力應小于0.5 kg/cm2,以防器件在達到完全回流之前頂出,并且避免焊盤浮離。請勿再使用從PCB上移除的器件。

控制返修溫度以免損壞PBGA器件和PCB。應當考慮由于熱質量不同,相比基于引線框的封裝,例如標準外形集成電路 (SOIC) 和引線框芯片級封裝 (LFCSP),PBGA的加熱速度可能更快。注意,用耐熱帶蓋住器件周圍的區域可提供進一步的保護。此外,建議加熱PCB下方以降低PCB上下兩面的溫差,使板彎曲最小。

定義返修工具設置時,應標定溫度曲線。首次返修特定器件時,這種標定尤其重要。還需要利用不同的主體尺寸、焊料成分或不同的PCB材料、配置、尺寸和厚度對PBGA器件進行標定,因為它們可能有不同的熱質量值。標定必須包括對溫度、時間和設備工具的其他設置進行監控(參見圖4)。應將熱電偶裝配到板組件的不同部分,如PBGA器件上部和PCB上部(參見圖5)。分析時間和溫度曲線數據,從評估中獲得器件移除的有效參數。

004ednc20180111圖4. 器件移除評估的簡化流程圖

005ednc20180111圖5. 器件移除標定設置示意圖

清潔PCB焊盤

移除PBGA器件之后,PCB上的焊盤會有過多的焊料,必須在安裝替換PBGA器件之前予以清理。焊盤清理可分為兩步:

  1. 去錫。利用吸錫線和刀片型烙鐵去除焊盤上過多的焊料(參見圖6)。所選刀片的寬度應與器件占用的最大寬度相匹配。刀片溫度必須足夠低,以避免損壞電路板??蓪⒑竸┩吭诤副P上,然后用吸錫線和烙鐵去除過多焊料。

006ednc20180111圖6. PCB焊盤去錫

  1. 清潔。在返修區域上用清洗劑清潔,并用無絨布擦干凈。

使用的清洗劑取決于原始總成所用的焊膏類型。

涂敷焊膏

在將替換PBGA器件安裝到電路板上之前應涂敷焊膏,目的是取代最初裝配電路板時涂敷的焊膏,從而保證PBGA焊接接頭的可靠性。給每個焊球涂敷的焊膏量必須一致,以免在電路板上安裝PBGA時發生不共面問題。

可利用模板來將焊膏涂敷到PCB焊盤上。模板對齊精度是使回流焊錫處理保持均勻的關鍵。使用與電路板裝配相同的PBGA孔徑幾何圖形和模板厚度。使用梯形孔徑(參見圖7)以確保焊膏均勻釋放并減少污點。

007ednc20180111圖7. 模板孔徑幾何圖形(A比B長)

某些情況下,利用模板將焊膏均勻精確地涂敷在PCB焊盤上可能不可行,尤其是對于器件密度高或幾何空間緊張的電路板。這種情況下,應考慮將焊膏涂敷在器件底部的焊球上。為此,可利用模板將焊膏涂敷在焊球上端,或將焊膏分配給所有焊球(參見圖8和圖9)??衫脤iT設計的夾具和/或返修設備來達到這一目的。

008ednc20180111圖8. 焊膏模板將焊膏印制到焊球上

009ednc20180111圖9. 將焊膏分配到焊球上

器件對齊和貼片

將器件精準貼放到電路板上是很重要的。帶分光束光學系統的貼片設備有助于PBGA和電路板的對齊。此類成像系統涉及到將PBGA焊球鏡像疊放在PCB焊盤鏡像上(參見圖10)。貼片機必須具有支持用戶沿x軸和y軸進行微調(包括旋轉)的能力。

010ednc20180111圖10. 利用分光束光學系統對齊PCB和器件

貼片精度取決于所用的設備或工藝。雖然PBGA封裝在回流焊過程中往往會自動對齊,但應確保貼片偏差小于PCB焊盤寬度的50%。若對齊誤差過大,焊料橋接可能引起電氣短路。

固定器件

因所有回流參數均經過優化,故應使用原始裝配過程中制定的熱曲線。

檢查

回流之后,檢查裝配好的PBGA有無缺陷,如未對齊或受損等。利用X射線檢查有無問題,如焊料橋接和錫珠等。如有必要,執行電氣驗證測試以驗證器件功能正常。

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