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微型BGA与CSP的返工工艺

时间:2014-05-20 14:27:31 来源:鼎华科技 点击: 2554次

By Thomas W. Dalrymple and Cynthia Milkovich 包装尺寸和锡球间距的减少,伴随PCB 上元件密度的增加,带来了新的装配与返工的挑战。 随着电子装配变得越来越小,密间距的微型球栅列阵(microBGA)和片状规模包装(CSP)满足了更 小、更快和更高性能的电子产品的要求。

这些低成本的包装可在许多产品中找到,如:膝上型电 脑、蜂窝电话和其它便携式设备。包装尺寸和锡球间距的减少,伴随PCB 上元件密度的增加,带 来了新的装配与返工的挑战。如果使用传统的返工工艺而不影响邻近的元件,紧密的元件间隔使 得元件的移动和更换更加困难,CSP 提供更密的引脚间距,可能引起位置纠正和准确元件贴装的 问题,轻重量、低质量的元件恐怕会中心不准和歪斜,因为热风回流会使元件移位。本文描述的 工艺是建立在一个自动热风系统上,用来返工一些microBGA 和CSP 元件。

 

返工元件的可靠性和 非返工元件的可靠性将作一比较。 本方案的目的是检验工业中流行的microBGA 和CSP 的标准SMT 装配和返工工艺。最初的CSP 装 配已在工业中变得越来越流行,但是元件返工的作品却很少发表。由于小型元件尺寸、减少的球 间距和其它元件的紧密接近,对板级返工的挑战要求返工工艺的发展和优化。本研究选择了几种 元件(表一)。这些元件代表了各种输入/输出(I/O)数量、间距和包装形式。 内存芯片包装通常是低I/O 包装,如包装1、2 和4。通常这些包装用于双面或共享通路孔的应 用。

包装3,有144 个I/O,典型地用于高性能产品应用。所以CSP 都附着有锡/铅(Sn/Pb)共晶 焊锡球,其范围是从0.013"到0.020"。所有包装都缝合以允许可靠性测试。 为装配准备了两个测试板设计。

一个设计是标准的FR-4 PCB,表面有用于线出口的"dogbone"焊 盘设计。

 

第二个设计使用了表层电路(SLC, Surface Laminar Circuit)技术*,和为线出口使用 捕捉照相通路孔设计,而不是dogbone 设计。板是1 mm 厚度。图一所示为典型的144 I/O 包装 的焊盘形式。 该返工工艺是在一台带有定制的偏置底板的热风返工工具**上完成的: 使用BGA 喷嘴热风加热 适于小型microBGA 和CSP 返工的低气流能力 在定制偏置底板上对板底 面加热 计算机控制温度曲线 校正的视觉系统 自动真空吸取和元件贴装 接下来的特殊工业流程是典型的用于BGA 返工的。用热风喷嘴加热元件到焊锡回流温度,然后拿走。

板座上的焊锡使用焊锡真空工具移去,直到座子平坦。然后座上上助焊剂,新的元件对中和 贴装,焊锡回流焊接于板上。 要求作出元件移去和重新贴装的温度曲线。曲线参数必须符合锡膏制造商推荐的回流温度和保温 时间。返工的每个元件座单独地作曲线,由于板面吸热的不同,内层和相邻元件的不同。以这种 方式,将过热或加热不足或焊盘起脱的危险减到最小。

 

旦得到温度曲线,对将来所有相同位置 的返工使用相同的条件。由于一个修正的回流工艺,开发出元件取下和元件回流贴附的分开的工 艺步骤。图二所示,是使用返工工具的减少流量能力(50 SCFH)的温度曲线例子。图三所示,是 使用正常空气流量设定(90 SCFH)的对较大元件的温度曲线。 


对取下元件,工具的偏置底板设定到150°C,以均匀地加热机板,将返工位置的温度斜率减到 最小。(大的温度斜率可能引起局部板的翘曲。)板放于框架的对中定位销上,支持高于底板面 0.250"。支持块粘贴于板返工座的背面,以加热期间防止翘曲。板被覆盖并加热到135°C 温度。 返工工具使用无力移动技术来从板上移去元件。当过程开始,真空吸取管降低来感应元件的高度, 然后升到特定的高度进行加热过程。当元件达到回流温度,真空吸嘴降低到预定高度,打开真空, 移去元件而不破坏共晶焊锡接点。丢弃取下的元件,加热板上的下一个点。 元件移去后接下来是座子修饰。


这个是使用返工工具的自动焊锡清道夫来完成的。板放在偏置底 板上,预热到大约130°C。返工座在开始过程前加助焊剂。焊锡清道夫对SLC 预热到420°C, 对FR-4 预热到330°C,检查板的高度,然后一次过横移过焊盘的每一排,当其移动时把焊锡吸 上到真空管。反复试验得出对较小元件座的焊锡高于板面0.010",对较大元件座0.012"。使用 异丙醇清洁座,检查是否损坏。典型的可避免的观察是焊锡污斑和阻焊的损坏。 元件贴放和回流步骤如下进行。板预热到135°C,使用无麻刷擦过板面来给座加助焊剂。 助焊剂起着将元件保持在位和回流前清洁焊盘表面的作用。使用返工工具的分离光学能 力来将元件定位在板,完成元件贴装。 元件贴装后,真空吸取管感觉元件高度,向上移到预定高度。这允许吸取管保持与热风 喷嘴内面的元件接触,当热风预热步骤开始时保持元件在位置上。跟着预热保温后,吸 取管向上移动另外0.015"或0.020",以防止焊锡回流期间元件倒塌。 为了成功的CSP 元件移动和更换,过程调整是需要的。在峰值温度,真空吸取管要降低到元件表 面,损坏焊接点和溅锡到板上周围区域


尽管返工工具据说是使用无力移动技术,元件上轻微的 压力足以损坏一小部分的共晶焊接点。板也看到去向上翘曲,使情况恶化。为了防止这个,在移 去步骤中增加额外的高度,使得真空吸取管在移去时不会压缩焊接点。 自动元件座清理工艺成功地使焊盘上的焊锡变平。这个步骤是关键的,因为焊盘必须平坦以防止 贴装时的歪斜。留下的焊锡覆盖层在任何焊盘上典型地小于0.001"高。图四是在元件移去和座 子清理后的典型的元件座的一个例子。 元件贴放和回流是最困难的。在给座子上助焊剂后,贴放元件和回流座子,通常元件会偏斜。在 不同情况下,元件锡球在板上焊盘内熔湿不均匀。


人们相信,元件太轻,在热风喷嘴内移来移去。 这种现象甚至发生在返工工具所允许的低气流量情况。为了防止元件移动,返工工具设定程序, 在贴装之后把真空吸取管留在元件顶上,直到通过温度曲线的预热部分。当回流周期开始时,真 空管回轻轻缩回,允许元件熔湿焊盘而不损坏焊接点。这个方法使用很好,但有一些缺点。回流 期间,元件上的吸取管的高度和重量有时会造成锡桥。真空吸取管似乎也会降低BGA 的自对中能 力。 面对的另一个问题是板的翘曲。因为板很薄,翘曲是一个很大的关注。使用特殊的支持块来防止 翘曲,在每个步骤,板被预热以减少可能引起翘曲的温度差。尽管如此,还有问题。板会在高度 读数的压力下向下弓,随后在加热过程中向上翘曲。这意味着,不得不在每一步中增加额外的高 度。甚至这还不足够。相同的拆卸参数会破坏拆卸中的元件,并且还不精确到足以拆卸另一块板 上的相同位置的元件。 另外,使用的板的上助焊剂技术招徕问题;它是很主观的,一个技术员与另一个技术员差别很大。 太多的助焊剂产生一层液体,回流期间CSP 元件可能漂移。同时,太少助焊剂意味着当热空气第 一次开动时,没有粘性的东西来保持元件在位置上。较近的论文指出,只对BGA 本身而不是板的 焊接点上助焊剂改进了返工工艺的效率。最终返工焊接点与非返工焊接点是可以比较的,如图五 所示。 装配的测试板进行从-40°C 到125°C 和从0°C 到100°C 的加速温度循环(ATC, accelerated temperature cycling)试验。也进行绝缘电阻(IR, Insulation resistance)测试。


对任何的包 装都没有发现IR 失效。包装4 有早期ATC 失效(100~200 个周期,-40°C~125°C),后来发现, 该包装的供应商由于可靠性问题没有继续该包装。包装1~3在0°C~100°C的测试中表现良好(大 多数情况经受大于1000 次循环),而-40°C~125°C 的试验有混合的结果。这个温度循环范围可 能太进取一点。包装1 和2 的返工元件的循环寿命比非返工元件稍微低一点,而包装3 具有可比 较的循环寿命。 MicroBGA 和CSP 元件可用传统的热风返工工艺进行返工。


为得到高效率,返工工艺参数的调节 是需要的。因为CSP 元件小型,重量轻,要求对热风流量和真空吸管高度的调节以避免元件对不 准或元件损坏。使用优化的返工工艺返工的元件,保证了另外的可靠性测试。

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