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BGA元件的组装和返修  

2013-05-23 16:33:24|  分类: SMT技术文章 |  标签: |举报 |字号 订阅

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大多数制造商都认为,球珊阵列(BGA)器件具有不可否认的优点。但这项技术中的一些问题仍有待进一步讨论,而不是立即实现,因为它难以修整焊接端。只能用X射线或电气测试电路的方法来测试BGA的互连完整性,但这两种方法都是既昂贵又耗时。 
设计人员需要了解BGA的性能特性,这与早期的SMD很相似。PCB设计者必须知道在制造工艺发生变化时,应如何对设计进行相应的修改。对于制造商,则面临着处理不同类型的BGA封装和最终工艺发生变化的挑战。为了提高合格率(yield),组装者必须考虑建立一套处理BGA器件的新标准。最后,要想获得最具成本-效益的组装,也许关键还在于BGA返修人员。
两种最常见的BGA封装是塑封BGA(PBGA)和陶瓷BGA封装(CBGA)。PBGA上带有直径通常为0.762mm的易熔焊球,回流焊期间(通常为215℃),这些焊球在封装与PCB之间坍塌成0.406mm高的焊点。CBGA是在元件和印制板上采用不熔焊球(实际上是它的熔点大大高于回流焊的温度),焊球直径为0.889mm,高度保持不变。
第三种BGA封装为载带球栅阵列封装(TBGA),这种封装现在越来越多地用于要求更轻、更薄器件的高性能组件中。在聚酰亚胺载带上,TBGA的I/O引线可超过700根。可采用标准的丝网印刷焊膏和传统的红外回流焊方法来加工TBGA。
组装问题
BGA组装的较大优点是,如果组装方法正确,其合格率比传统器件高。这是因为它没有引线,简化了元件的处理,因此减少了器件遭受损坏的可能性。
BGA回流焊工艺与SMD回流焊工艺相同,但BGA回流焊需要精密的温度控制,还要为每个组件建立理想的温度曲线。此外,BGA器件在回流焊期间,大多数都能够在焊盘上自动对准。因此,从实用的角度考虑,可以用组装SMD的设备来组装BGA。
但是,由于BGA的焊点是看不见的,因此必须仔细观察焊膏涂敷的情况。焊膏涂敷的准确度,尤其对于CBGA,将直接影响组装合格率。一般允许SMD器件组装出现合格率低的情况,因为其返修既快又便宜,而BGA器件却没有这样的优势。为了提高初次合格率,很多大批量BGA的组装者购买了检测系统和复杂的返修设备。在回流焊之前检测焊膏涂敷和元件贴装,比在回流焊之后检测更能降低成本,因为回流焊之后便难以进行检测,而且所需设备也很昂贵。
要仔细选择焊膏,因为对BGA组装,特别是对PBGA组装来说,焊膏的组成并不总是很理想。必须使供应商确保其焊膏不会形成焊点空穴。同样,如果用水溶性焊膏,应注意选择封装类型。
由于PBGA对潮气敏感,因此在组装之前要采取预处理措施。建议所有的封装在24小时内完成全部组装和回流焊。器件离开抗静电保护袋的时间过长将会损坏器件。CBGA对潮气不敏感,但仍需小心。
返修
返修BGA的基本步骤与返修传统SMD的步骤相同:

为每个元件建立一条温度曲线; 
拆除元件; 
去除残留焊膏并清洗这一区域; 
贴装新的BGA器件。在某些情况下,BGA器件可以重复使用; 
回流焊。 
当然,这三种主要类型的BGA,都需要对工艺做稍微不同的调整。对于所有的BGA,温度曲线的建立都是相当重要的。不能尝试省掉这一步骤。如果技术人员没有合适的工具,而且本身没有受过专门的培训,就会发现很难去掉残留的焊膏。过于频繁地使用设计不良的拆焊编织带,再加上技术人员没有受过良好的培训,会导致基板和阻焊膜的损坏。
建立温度曲线
与传统的SMD相比,BGA对温度控制的要求要高得多。必须逐步加热整个BGA封装,使焊接点发生回流。
如果不严格控制温度、温度上升速率和保持时间(2℃/s至3℃/s),回流焊就不会同时发生,而且还可能损坏器件。为拆除BGA而建立一条稳定的温度曲线需要一定的技巧。设计人员并不是总能得到每个封装的信息,尝试方法可能会对基板、周围的器件或浮起的焊盘造成热损坏。
具有丰富的BGA返修经验的技术人员主要依靠破坏性方法来确定适当的温度曲线。在PCB上钻孔,使焊点暴露出来,然后将热电偶连接到焊点上。这样,就可以为每个被监测的焊点建立一条温度曲线。技术数据表明,印制板温度曲线的建立是以一个布满元件的印制板为基础的,它采用了新的热电偶和一个经校准的记录元件,并在印制板的高、低温区安装了热电偶。一旦为基板和BGA建立了温度曲线,就能够对其进行编程,以便重复使用。
利用一些热风返修系统,可以比较容易地拆除BGA。通常,某一温度(由温度曲线确定)的热风从喷嘴喷出,使焊膏回流,但不会损坏基板或周围的元件。喷嘴的类型随设备或技术人员的喜好而不同。一些喷嘴使热风在BGA器件的上部和底部流动,一些喷嘴水平移动热风,还有一些喷嘴只将热风喷在BGA的上方。也有人喜欢用带罩的喷嘴,它可直接将热风集中在器件上,从而保护了周围的器件。拆除BGA时,温度的保持是很重要的。关键是要对PCB的底部进行预热,以防止翘曲。拆除BGA是多点回流,因而需要技巧和耐心。此外,返修一个BGA器件通常需要8到10分钟,比返修其它的表面贴装组件慢。

清洗贴装位置
贴装BGA之前,应清洗返修区域。这一步骤只能以人工进行操作,因此技术人员的技巧非常重要。如果清洗不充分,新的BGA将不能正确回流,基板和阻焊膜也可能被损坏而不能修复。
大批量返修BGA时,常用的工具包括拆焊烙铁和热风拆焊装置。热风拆焊装置是先加热焊盘表面,然后用真空装置吸走熔融焊膏。拆焊烙铁使用方便,但要求技术熟练的人员操作。如果使用不当,拆焊烙铁很容易损坏印制板和焊盘。
在去除残留焊膏时,很多组装者喜欢用除锡编织带。如果用合适的编织带,并且方法正确,拆除工艺就会快速、安全、高效而且便宜。
虽然使用除锡编织带需要一定的技能,但是并不困难。用烙铁和所选编织带接触需要去除的焊膏,使焊芯位于烙铁头与基板之间。烙铁头直接接触基板可能会造成损坏。 焊膏-焊芯BGA除锡编织带专门用于从BGA焊盘和元件上去除残留焊膏,不会损坏阻焊膜或暴露在外的印制线。它使热量通过编织带以最佳方式传递到焊点,这样,焊盘发生移位或PCB遭受损坏的可能性就降至最低。
由于焊芯在使用中的活动性很好,因此不必为避免热损坏而拖曳焊芯。相反,将焊芯放置在基板与烙铁头之间,加热2至3秒钟,然后向上抬起编织带和烙铁。抬起而不是拖曳编织带,可使焊盘遭到损坏的危险降至最低。编织带可去除所有的残留焊膏,从而排除了桥接和短路的可能性。 去除残留焊膏以后,用适当的溶剂清洗这一区域。可以用毛刷刷掉残留的助焊剂。为了对新器件进行适当的回流焊,PCB必须很干净。
贴装器件
熟练的技术人员可以"看见"一些器件的贴装,但并不提倡用这种方法。如果要求更高的工艺合格率,就必须使用分光(split-optics)视觉系统。要用真空拾取管贴装、校准器件,并用热风进行回流焊。此时,预先编程且精密确定的温度曲线很关键。在拆除元件时,BGA最可能出故障,因此可能会忽视它的完整性。
重新贴装元件时,应采用完全不同的方法。为避免损坏新的BGA,预热(100℃至125℃)、温度上升速率和温度保持时间都很关键。与PBGA相比,CBGA能够吸收更多的热量,但升温速率却比标准的2℃/s要慢一些。
BGA有很多适于现代高速组装的优点。BGA的组装可能不需要新的工艺,但却要求现有工艺适用于具有隐藏焊点的BGA组装。为使BGA更具成本效益,必须达到高合格率,并能有效地返修组件。适当地培训返修技术人员,采用恰当的返修设备,了解BGA返修的关键工序,都有助于实现稳定、有效的返修。

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