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深圳市鼎华科技发展有限公司

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小球径BGA返修工艺的改进

时间:2014-04-26 17:25:32 来源:鼎华科技 点击: 2535次

随着IC技术的不断进步,IC的封装技术也得到迅速发展,BGA器件就是顺应了集成电路多引出线的要求,并且具有良好的表面安装工艺性。因此,近两年来越来越多的电子产品中使用了BAG封装的芯片。

在我们公司目前生产的产品中,主要有网络设备方面的PCBA的数字板,功放板以及在传输中使用的接口板,由于板子的种类众多,所以实际使用到的BGA大小规格不一.我们焊接的时候以球径大小可以规类到<0.55mm>0.55mm两种大小不同的BGA.在过去的2年时间,我们接到不少于10个关于BGA维修方面的客户投诉,我们研究后发现这个问题都发生在球径<0.55mmBGA维修方面.所以我们成立小组针对最小类的BGA焊接做了研究实验,在实验中发现通过BGA返修台维修后发现BGA的球径明显会小于SMT直接回流焊后的球径大小.

实验结果我们通过改进焊接工艺,参考SMT回流焊的原理,利用小钢片做丝网在PCB焊盘刷上焊锡膏的方法来取得和SMT回流焊一样的焊接效果.目前这种焊接方法已经推广到我们生产中的所有球径<0.55mmBGA的焊接.同时我们对无铅焊接的也采用同样的办法进行返修.

实验背景分析

BGA是现在电路板中使用非常普遍的器件,通常用到器件的直径范围为0.25mm-0.76mm,目前从我们公司现在的产品出发,目前使用到的BGA球径一般在0.45mm-0.76mm之间SMT贴装的过程中,由于多种原因,致使总有一些不良产生,如空焊、短路等,所以难免会有维修产生。对于普通SMT元件,如贴片电阻、贴片电容、SOICSOJPLCC等,维修比较容易,基本不需要另外配置维修系统。但是对于集成度很高的BGA芯片来讲,普通的焊接工具无法满足返修的要求,所以我们必须借助于BGA返修台的大型焊接工具来完成返修.BGA器件的焊接设备一般采用热风对流及红外辐射两种方式,现在新型的返修设备一般都采用热风和红外混合加热方式,加热过程中同样要求加热温度是可控制的,可通过设置最高温度和加热计时器来保证焊接可重复性。我们现在实际使用中两种设备都用到了,这个对于我们的认证也更具有可比性.

20112月我们的客户发现工厂维修过的BGA出现了功能上面的问题,怀疑是BGA的返修引起的BGA焊接性能问题.于是我们做成团队对出现的BGA性能问题做了仔细分析,通过头脑风暴的分析得出可以有三个方面原因:

天气的变化引起环境稳定的降低;BGA返修台在操作中产生了参数变动,引起不稳定;以及有可能使用的焊接方法不是很好引起的问题.

 

原因分析:

然后我们对以上的三个可能产生的原因进行了论证:

2.1天气的变化引起环境稳定的降低

BGA机器周围的环境温度记录进行查询以及团队的实际测试,结果是车间内采用的是中央空调来控制,而且规定的温度范围是22-26,一旦车间的实际温度超出这个温度范围,温度报警器会发出报警,同时中央空调会在最短时间内把温度调节到规定的范围内;实际我们也测试了一天上午,中午和晚上的温度差在3℃以内,所以外界的天气变化不会引起车间内的温度变化,原因天气的变化引起环境稳定的降低被排除.

 

2.2 BGA返修台在操作中产生了参数变动,引起不稳定

BGA返修台内存储参数的Profile和实际测试所得的温度进行比对,得出比对的参数值,结果显示所有的误差都在误差范围内,得出机器本身的性能和机器的加热参数没有被修改,不会对BGA的焊接产生不良问题;

产品型号: 1X-MODEM

芯片型号

热风罩(150mm)

时间(s)

74

80

37

48

64

U24746 U24741

风量

U24743 U24745

TRH()

185

230

267

310

80

U24747 U24750

TPH()

210

271

300

343

70 

 

2.3 使用的焊接方法引起的问题

假设我们一直来的焊接方法有问题,那么可能带来的问题不应该在现在才被发现,于是我们参考了一年多来1000多个BGA返修的样本,发现总的不良率在3%左右,而实际发生的不良的芯片的都集中在球径较小的BGA(0.45mm<=d<=0.55mm)上面,而大球径的BGA(d>0.55mm)不良率接近于零.由此数据说明这个不良可能跟我们现在的工艺焊接方法有一定的关系.最终团队决定采用目前实际反修和参考SMT机器焊的方法来验证这个问题.

 

. BGA返修过程

首先我们选定实际操作过程中最多的BGA芯片,Intel公司生产的闪存芯片(d=0.45mm)作为这个实验的对象,然后返修台选择以底部热风对流加热的METCAL APR5001返修台.为了便于比较,我们选定生产中检查遇到数子板子上面使用的芯片为U100U82,相互间有一定的间隔距离.

 

3.1 BGA的拆卸;

使用APR5001设定好的程序自动返修系统拆除BGA,并用烙铁将PCB焊盘残留的焊锡清除干净,使焊盘平整,并用除锡带和扁形烙铁头进行清理,注意操作时不要损坏焊盘和阻焊膜。再使用专用清洗剂将助焊剂残留物清除干净。

 

3.2 焊接BGA;

3.2.1 在选定的BGA U82位置按我们传统方法,在不用焊膏情况进行焊接操作,实际选定200*150mm的加热罩,按返修设定的程序进行回焊,过程大概需要8分钟,直到主板完全冷却;

3.2.2 在选定的BGA U100位置按我们新设计的方法进行操作,选择U100对应的丝网钢片,紧贴于PCB板上,用刮刀将锡膏均匀涂于丝网表面,让锡膏能均匀的通过小孔渗透到PCB的焊盘上面(整个过程类似于SMT机器自动刷焊锡膏的过程),然后小心去掉丝网钢片,检查焊盘上面的锡膏是否适量和均匀(如果出现漏点或者过多,必须先清洗掉焊锡膏以后,重复以上动作);PCB板置于BGA返修台上,按机器设定的返修程序进行自动焊接,设定曲线,温度和U82焊接一致

. BGA返修后的质量比对;

4.1 功能检查

待板子完全冷却后,对这个主板做功能项测试,通过软件检查U82U100的格式化和读写功能,测试结果主板都能测试通过,所以可以判断BGA的返修是成功的;

 

4.2 X-Ray焊点检查

X-Ray检查X-Ray机器对返修后的BGA U100U82做检查,第一步,X-Ray的正常模式下先自动搜索到所有PCB板上面的器件的影像;第二步,定位到我们需要检查的BGABGA U82U100的位置,第三步,先对U82U100的焊接分别进行检查;查看BGA焊锡球是否很圆润,有没有变形,连焊现象;第四步,U82U100的焊锡球球直径进行对比,并截图.

对比显示,U100的球直径明显大于U82的焊锡球直径;实际测得U82的焊锡球直径从顶部到底部分别为:0.41mm-0.49mm-0.43mm;U100的焊锡球直接从顶部到底部部分分别为:0.45mm-0.55-0.48mm; 对比发现焊锡球的中间值差距有0.1mm左右.

       

                         U82                         U100

 

4.3     实验验证

4.3.1    PCB板冷热冲击实验一;

把返修过U82U100的主板带到实验室,在实验室我们选定用来的做冷热冲击用的实验箱.第一步,设定好冷热冲击实验箱的温度,低温:-40,高温80;连续循环4个周期,20min/循环.实验完成后,取回板子重新做功能测试,发现板子功能还是没有问题;

4.4.2  PCB板冷热冲击实验二;

变更设置,调整实验参数,低温:-60,高温80,连续循环20个周期,20min/循环.实验完成后,取回主板重新做功能测试,发现U82部分功能出现不正常现象,让后用软件对U82进行管脚定位,发现G2G3两个管脚功能不正常,不能顺利的进行读写操作;U100的功能工作正常.

 

4.1 红墨水实验

把主板上面的BGA U82用红墨水浸透,分别从BGA的四周灌入红墨水,直到一边进一边有红魔水漏出为止然后把板子平放待自然风干24小时以上,让红墨水渗透后能凝固.待过24小时后,取出主板用撬棒把BGA拔除,观察BGA焊接的焊点以主板和BGA面的焊接情况

从红墨水实验的结果可以明显看出G2G3的点有明显的红色,说明这两个的焊接不是很好,在经历了激烈的冷热冲击实验后出现了轻微的虚焊现象.

 

结论

通过对焊接后的BGA的可靠性对比,结论很显然的通过丝网再PCB焊盘加焊锡膏后用BGA机器做回焊后的锡球焊接质量远远大于没有在PCB焊盘加焊锡膏直接焊剂的BGA焊接质量.对目前统计我们实际工作中BGA焊锡球径在0.45mm<=d<=0.6mm(适当放宽了0.05mm)之间统计并完成丝网的制作,同时要求实际工作中必须严格按照我们实验的流程操作.

实际跟踪3个月后的数据,小球径(0.45mm<=d<=0.55mm)BGA焊接的不良率从原来的0.6%左右降了0%,证明我们的采用新的返修工艺方法完全有效,并且推广到GSM产品和LTE产品上面应用.

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