微型BGA、CSP返工工藝說明

   包裝尺寸和錫球間距的減少，伴隨PCB上元件密度的增加，帶來了新的裝配與返工的挑戰(zhàn)。

  隨著電子裝配變得越來越小，密間距的微型球柵列陣(microBGA)和片狀規(guī)模包裝(CSP)滿足了更小、更快和更高性能的電子產(chǎn)品的要求。這些低成本的包裝可在許多產(chǎn)品中找到，如：膝上型電腦、蜂窩電話和其它便攜式設(shè)備。包裝尺寸和錫球間距的減少，伴隨PCB上元件密度的增加，帶來了新的裝配與返工的挑戰(zhàn)。如果使用傳統(tǒng)的返工工藝而不影響鄰近的元件，緊密的元件間隔使得元件的移動和更換更加困難，CSP提供更密的引腳間距，可能引起位置糾正和準(zhǔn)確元件貼裝的問題，輕重量、低質(zhì)量的元件恐怕會中心不準(zhǔn)和歪斜，因為熱風(fēng)回流會使元件移位。本文描述的工藝是建立在一個自動熱風(fēng)系統(tǒng)上，用來返工一些microBGA和CSP元件。返工元件的可靠性和非返工元件的可靠性將作一比較。

   工藝確認(rèn)

  本方案的目的是檢驗工業(yè)中流行的microBGA和CSP的標(biāo)準(zhǔn)SMT裝配和返工工藝。*初的CSP裝配已在工業(yè)中變得越來越流行，但是元件返工的作品卻很少發(fā)表。由于小型元件尺寸、減少的球間距和其它元件的緊密接近，對板級返工的挑戰(zhàn)要求返工工藝的發(fā)展和優(yōu)化。本研究選擇了幾種元件(表一)。這些元件代表了各種輸入/輸出(I/O)數(shù)量、間距和包裝形式。

  內(nèi)存芯片包裝通常是低I/O包裝，如包裝1、2和4。通常這些包裝用于雙面或共享通路孔的應(yīng)用。包裝3，有144個I/O，典型地用于高性能產(chǎn)品應(yīng)用。所以CSP都附著有錫/鉛(Sn/Pb)共晶焊錫球，其范圍是從0.013"到0.020"。所有包裝都縫合以允許可靠性測試。

   為裝配準(zhǔn)備了兩個測試板設(shè)計。一個設(shè)計是標(biāo)準(zhǔn)的FR-4PCB，表面有用于線出口的"dogbone"焊盤設(shè)計。**個設(shè)計使用了表層電路(SLC, Surface LaminarCircuit)技術(shù)*，和為線出口使用捕捉照相通路孔設(shè)計，而不是dogbone設(shè)計。板是1 mm厚度。圖一所示為典型的144I/O包裝的焊盤形式。

   試驗程序

   該返工工藝是在一臺帶有定制的偏置底板的熱風(fēng)返工工具**上完成的：

   使用BGA噴嘴熱風(fēng)加熱適于小型microBGA和CSP返工的低氣流能力,在定制偏置底板上對板底面加熱,計算機控制溫度曲線,校正的視覺系統(tǒng),自動真空吸取和元件貼裝.接下來的特殊工業(yè)流程是典型的用于BGA返工的。用熱風(fēng)噴嘴加熱元件到焊錫回流溫度，然后拿走。板座上的焊錫使用焊錫真空工具移去，直到座子平坦。然后座上上助焊劑，新的元件對中和貼裝，焊錫回流焊接于板上。

  要求作出元件移去和重新貼裝的溫度曲線。曲線參數(shù)必須符合錫膏制造商推薦的回流溫度和保溫時間。返工的每個元件座單獨地作曲線，由于板面吸熱的不同，內(nèi)層和相鄰元件的不同。以這種方式，將過熱或加熱不足或焊盤起脫的危險減到*小。一旦得到溫度曲線，對將來所有相同位置的返工使用相同的條件。由于一個修正的回流工藝，開發(fā)出元件取下和元件回流貼附的分開的工藝步驟。圖二所示，是使用返工工具的減少流量能力(50SCFH)的溫度曲線例子。圖三所示，是使用正?？諝饬髁吭O(shè)定(90 SCFH)的對較大元件的溫度曲線。

  對取下元件，工具的偏置底板設(shè)定到150°C，以均勻地加熱機板，將返工位置的溫度斜率減到*小。(大的溫度斜率可能引起局部板的翹曲。)板放于框架的對中定位銷上，支持高于底板面0.250"。支持塊粘貼于板返工座的背面，以加熱期間防止翹曲。板被覆蓋并加熱到135°C溫度。

  返工工具使用無力移動技術(shù)來從板上移去元件。當(dāng)過程開始，真空吸取管降低來感應(yīng)元件的高度，然后升到特定的高度進行加熱過程。當(dāng)元件達(dá)到回流溫度，真空吸嘴降低到預(yù)定高度，打開真空，移去元件而不破壞共晶焊錫接點。丟棄取下的元件，加熱板上的下一個點。

  元件移去后接下來是座子修飾。這個是使用返工工具的自動焊錫清道夫來完成的。板放在偏置底板上，預(yù)熱到大約130°C。返工座在開始過程前加助焊劑。焊錫清道夫?qū)LC預(yù)熱到420°C，對FR-4預(yù)熱到330°C，檢查板的高度，然后一次過橫移過焊盤的每一排，當(dāng)其移動時把焊錫吸上到真空管。反復(fù)試驗得出對較小元件座的焊錫高于板面0.010"，對較大元件座0.012"。使用異丙醇清潔座，檢查是否損壞。典型的可避免的觀察是焊錫污斑和阻焊的損壞。

  元件貼放和回流步驟如下進行。板預(yù)熱到135°C，使用無麻刷擦過板面來給座加助焊劑。助焊劑起著將元件保持在位和回流前清潔焊盤表面的作用。使用返工工具的分離光學(xué)能力來將元件定位在板，完成元件貼裝。

  元件貼裝后，真空吸取管感覺元件高度，向上移到預(yù)定高度。這允許吸取管保持與熱風(fēng)噴嘴內(nèi)面的元件接觸，當(dāng)熱風(fēng)預(yù)熱步驟開始時保持元件在位置上。跟著預(yù)熱保溫后，吸取管向上移動另外0.015"或0.020"，以防止焊錫回流期間元件倒塌。

   結(jié)果與討論

  為了成功的CSP元件移動和更換，過程調(diào)整是需要的。在峰值溫度，真空吸取管要降低到元件表面，損壞焊接點和濺錫到板上周圍區(qū)域。盡管返工工具據(jù)說是使用無力移動技術(shù)，元件上輕微的壓力足以損壞一小部分的共晶焊接點。板也看到去向上翹曲，使情況惡化。為了防止這個，在移去步驟中增加額外的高度，使得真空吸取管在移去時不會壓縮焊接點。

  自動元件座清理工藝成功地使焊盤上的焊錫變平。這個步驟是關(guān)鍵的，因為焊盤必須平坦以防止貼裝時的歪斜。留下的焊錫覆蓋層在任何焊盤上典型地小于0.001"高。圖四是在元件移去和座子清理后的典型的元件座的一個例子。

  元件貼放和回流是*困難的。在給座子上助焊劑后，貼放元件和回流座子，通常元件會偏斜。在不同情況下，元件錫球在板上焊盤內(nèi)熔濕不均勻。人們相信，元件太輕，在熱風(fēng)噴嘴內(nèi)移來移去。這種現(xiàn)象甚至發(fā)生在返工工具所允許的低氣流量情況。為了防止元件移動，返工工具設(shè)定程序，在貼裝之后把真空吸取管留在元件頂上，直到通過溫度曲線的預(yù)熱部分。當(dāng)回流周期開始時，真空管回輕輕縮回，允許元件熔濕焊盤而不損壞焊接點。這個方法使用很好，但有一些缺點?；亓髌陂g，元件上的吸取管的高度和重量有時會造成錫橋。真空吸取管似乎也會降低BGA的自對中能力。

  面對的另一個問題是板的翹曲。因為板很薄，翹曲是一個很大的關(guān)注。使用特殊的支持塊來防止翹曲，在每個步驟，板被預(yù)熱以減少可能引起翹曲的溫度差。盡管如此，還有問題。板會在高度讀數(shù)的壓力下向下弓，隨后在加熱過程中向上翹曲。這意味著，不得不在每一步中增加額外的高度。甚至這還不足夠。相同的拆卸參數(shù)會破壞拆卸中的元件，并且還不**到足以拆卸另一塊板上的相同位置的元件。

  另外，使用的板的上助焊劑技術(shù)招徠問題；它是很主觀的，一個技術(shù)員與另一個技術(shù)員差別很大。太多的助焊劑產(chǎn)生一層液體，回流期間CSP元件可能漂移。同時，太少助焊劑意味著當(dāng)熱空氣**次開動時，沒有粘性的東西來保持元件在位置上。較近的論文指出，只對BGA本身而不是板的焊接點上助焊劑改進了返工工藝的效率。*終返工焊接點與非返工焊接點是可以比較的。

   可靠性

   裝配的測試板進行從-40°C到125°C和從0°C到100°C的加速溫度循環(huán)(ATC,accelerated temperature cycling)試驗。也進行絕緣電阻(IR, Insulationresistance)測試。對任何的包裝都沒有發(fā)現(xiàn)IR失效。包裝4有早期ATC失效(100~200個周期，-40°C~125°C)，后來發(fā)現(xiàn)，該包裝的供應(yīng)商由于可靠性問題沒有繼續(xù)該包裝。包裝1~3在0°C~100°C的測試中表現(xiàn)良好(大多數(shù)情況經(jīng)受大于1000次循環(huán))，而-40°C~125°C的試驗有混合的結(jié)果。這個溫度循環(huán)范圍可能太進取一點。包裝1和2的返工元件的循環(huán)壽命比非返工元件稍微低一點，而包裝3具有可比較的循環(huán)壽命。

   結(jié)論

  MicroBGA和CSP元件可用傳統(tǒng)的熱風(fēng)返工工藝進行返工。為得到高效率，返工工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)是需要的。因為CSP元件小型，重量輕，要求對熱風(fēng)流量和真空吸管高度的調(diào)節(jié)以避免元件對不準(zhǔn)或元件損壞。使用優(yōu)化的返工工藝返工的元件，保證了另外的可靠性測試。

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