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双面PCB上无铅阵列封装器件的返修

【来源:EM asia China电子制造中国】【作者:Paul Wood】【时间: 2008-2-1 8:55:31】【点击:


Paul Wood—OK International公司市场发展经理

摘要: 近年来,电路和元器件变得越来越小及精细,同时也越来越复杂,功能越 来越多。与此同时,激烈的竞争给制造的各个环节造成巨大压力,而产出率和 盈利能力成为关键。在这个背景下,返修 (rework) 已不是可有可无或偶尔为之 的工作,而成为了不可回避的任务。同时,它也是最具风险的工作之一,是电 子行业中要求最高的环节之一,尤其是在涉及阵列封装件的场合。的确,高质 量和高效的返修是能否成功装配BGA器件,从而发挥其盈利能力的 唯一重要的因素。随着无铅焊接工艺的导入,返修的质量变得更 为关键,这是因为无铅工艺需要更高的温度,有可能直接或间接造成那些温度敏感板材和元器件的不可逆损坏。

无论采用的是有铅还是无铅工艺,针对的是常规 还是阵列封装器件,返修的主要步骤 (除焊、 拆片、清洗和重装)基本上是相同的。返修行 内人士对这些都非常清楚,并备有完善的文档说用,不必 在这里多说。因此,本文的重点将放在加热方面(这也是无铅返修带来的最大问题),以及如何更好地对大尺寸双面PCB 上的阵列封装件进行返修。

课题

更高的温度
含铅焊料的熔点在183OC,回流焊温度范围为210- 220OC;而最通用的无铅SAC焊料合金的熔点在217OC, 回流焊温度在235-250OC之间。这个温度范围非常接近元 器件的耐温上限。例如,裸片的IPC上限为260OC,这对某些元器件厂家来说已经太高。工艺窗口显然比过去更加窄小。与此同时,若要避免出现诸如电路板翘曲,元器件熔 化,开路、短路、桥接,电路板分层,产生气孔,甚至元 器件损坏之类的缺陷,就必须精确地设置和控制工艺温度 曲线(比如回流温度、升温速率、保温时间和温差)、加 热器尺寸及位置。现在的焊接需要更高的温度,而且,无 铅焊料必须加热到至少230OC来确保焊接点的可靠性。由于 工艺温度有 +/- 5OC的容差,因此温度至少要达到235OC (或 按iNEMI标准达到245OC), 才可得到可靠的焊点。

BGA封装体损坏
在这样的温度下进行返修焊接,最大的困难之一是如 何做到被返修BGA封装体(通常是由耐温程度有限的塑料 制成)保持在一个相对较低的温度。对于大尺寸的BGA, 高温会使封装体的角部向下扭曲(这是造成桥接缺陷的一个主要原因),使元器件很难被正确地焊好。造成这种情 况的原因可能是使用了劣质BGA基板材料。有些元器件生 产厂家尚未针对无铅温度改造其原来的有铅封装工艺,只 是简单地用无铅焊料进行植球;抑或是在向真正的无铅封装切换时,提供廉价的过渡性产品。

温差
返修时要考虑的另一个因素是板卡上不同部件之间的 温差(即ΔT)。具有严格工艺控制的好的返修工艺,能确 保被返修的焊球间的温差接近5OC但不超过10OC。同样地, 为了避免板翘曲以及可能带来的可靠性问题,有些厂家专 门规定整块板上的温差要小于7OC。

升温速率
时间就是金钱,而且产出率越高,利润率就越高。这 无论对于返修还是制造的其它任何环节都是真理,因此, 回流处理越快越好。这样就会迫使返修人员提高无铅焊料 的升温速率,部分原因是因为目标工艺温度提高了。降温速率也会更快,这是为了确保处于熔化温度和峰值温度的 时间尽可能短。工艺控制在这里仍然是关键。

加热器和空气温度
在对阵列封装器件加热时,对流式(通过一个热风喷嘴)加热器比热传导方式加热器更实用,因为其见效快, 而且可使整个组件和封装体逐渐升温。

另一个重要因素是加热器相对于PCB的大小和位置。 如果热量仅集中在待返修的区域,基板的温度将大大超过其可承受限度,而PCB的其余地方还是冷的。这样就会造成PCB产生翘曲,使板上的连线承受应力,同时,非常高的局部温度会使PCB上的阻焊膜起泡。

为了避免这些问题,加热有铅PCB的标准方法不只是加热待返修的BGA,而是用最大可达220OC的热风对整个PCB加热,使其达到回流温度。这样,元器件表面温度可 能会达到190OC 至200OC,而焊料将达到220OC。

不幸的是,由于某些原因,有些公司在付出代价后发 现,这种方法不能用于无铅PCB,因为提高热风温度会引 起灾难性的后果,尤其是对板的背面。这是因为背面与正 面一样都有敏感的元器件和连接器。这些元器件的塑料部 分会会变形和损坏,需要额外进行返修,或是它们的引脚 也可能会部分/完全回流;由此导致元器件和连接器的焊点 被拉长、下垂,或变形,甚至从板的背面脱落。正是由于 存在这样潜在的产生缺陷和损坏的风险,当完成返修后, 应像对待正面的元器件一样,检查背面的元器件是否有烧 坏、退色和变形的情况发生。

有些返修人员为了避免这种风险会从背面将无铅板预 热到一个远低于熔点(217OC)的温度,然后再直接从正 面加热,直到形成回流。虽然这比完全不预热好,但为了 使其下面的焊球全部融化,BGA还是要暴露在超过其可以 耐受的极限温度下,从而带来热损坏的风险。

有BGA器件双面板的最佳工艺温度曲线
考虑到上述种种问题,在对大尺寸双面板上的阵列封 装器件进行返修时,需要精心设计能够持续受控的工艺温 度曲线,使得足够大的回流装置能够容纳并支持PCB不产生 形变;并有足够的功率快速预热整块电路板;而且在准确的时间和温度范围内仅对被返修的部分进行回流。

当然,对具体的电路板来说,最佳的温度曲线将取 决于其尺寸、质量、元器件类型和密度。例如,对于装有 BGA阵列封装器件的大尺寸双面PCB来说,必须有一个预 热段;使用大型的阵列加热器从下面将整个组件加热到某 个低于焊料熔点的温度,理想温度为190OC。预热到这个温度后,将板下面的大型加热器关闭,再使用集中在BGA返 修部位的上下两面的热喷嘴将温度加到回流温度,并保 持一个很短的时间段。由于有预热段,就可采用温度较低 的热风来达到最终的工艺温度。这样就能大大降低了对 BGA、封装体,以及周围阻焊膜热损伤的风险。

此外,将PCB其它部分的温度保持在较低的190OC- 200OC范围,返修部位的温度就能快速、轻易地返回到安全 温度,避免电路板局部形变的风险。而且,由于PCB其它 部分的温度保持在熔点以下,背面器件损坏的风险也会降 低,回流焊也只针对所需部位进行。采用这种方法还有可 能使整个电路板范围内的温差保持在非常小的范围内。

结论
经验、耐心和大量的反复试验已经为双面板的离线 返修工艺勾画出一个轮廓,并利用专用软件对优化具体 产品工艺温度曲线提供了很有价值的基础。

精度和速度是成功、高效返修的关键,仅使用简单 的硬件“提高温度”通常是不够的。返修设备的功能必 须足够强大,可在无铅工艺所需的较高温度下轻松、精 确地工作;同时,闭环反馈机制和专门的控制软件对提 高阵列器件的返修质量、加快返修速度和降低成本也越 来越重要。

 


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