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資深老外分享PBGA芯片的返修焊接

發(fā)布時間:2018-01-12 來源:Ramon Navarro 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】PBGA是一種封裝形式,其主要區(qū)別性特征是利用焊球陣列來與基板(如PCB)接觸。此特性使得PBGA相對于其他引腳配置不同的封裝形式(如單列、雙列直插、四列型)有一個優(yōu)勢,那就是能夠?qū)崿F(xiàn)更高的引腳密度。PBGA封裝內(nèi)部的互連通過線焊或倒裝芯片技術(shù)實現(xiàn)。包含集成電路的PBGA芯片封裝在塑封材料中。

封裝描述
 
PBGA是一種封裝形式,其主要區(qū)別性特征是利用焊球陣列來與基板(如PCB)接觸。此特性使得PBGA相對于其他引腳配置不同的封裝形式(如單列、雙列直插、四列型)有一個優(yōu)勢,那就是能夠?qū)崿F(xiàn)更高的引腳密度。PBGA封裝內(nèi)部的互連通過線焊或倒裝芯片技術(shù)實現(xiàn)。包含集成電路的PBGA芯片封裝在塑封材料中。
 

圖1. PBGA器件示意圖
 
PBGA器件返修
 
將PBGA器件裝配到PCB上之后,若發(fā)現(xiàn)缺陷,應(yīng)當(dāng)返修以移除不良器件,并換上工作正常的器件。移除器件之前,應(yīng)加熱不良器件直至焊接接頭液化,以便于從電路板上移除不良器件。
 
常規(guī)返修程序如下:
 
1. 準(zhǔn)備板子。
 
2. 移除器件。
 
3. 清潔PCB焊盤
 
4. 涂敷焊膏。
 
5. 器件對齊和貼片。
 
6. 固定器件。
 
7. 檢查。
 
移除器件和分層
 
移除器件時,可能會在PBGA和/或PCB上產(chǎn)生機械應(yīng)力。應(yīng)小心移除不良器件,避免損傷PCB、鄰近器件及不良器件本身,尤其是若用戶打算對不良器件進行故障分析時。
 
PBGA器件上若有過大應(yīng)力,例如將器件加熱到額定峰值溫度以上或過度暴露于高溫下,可能導(dǎo)致封裝分層或外部物理損壞(參見圖2和圖3)。對于要做進一步分析的器件,移除不當(dāng)所引起的分層會加大找出真正故障機制的難度。因此,為了進行有效的故障分析,妥善移除不良器件是十分必要的。
 

圖2. 過度加熱引起PBGA器件的基板和塑封材料之間分層(通過掃描聲學(xué)顯微鏡觀測)
 

圖3. 過度加熱導(dǎo)致PBGA上出現(xiàn)裂紋的低放大率圖像(側(cè)視圖)
 
準(zhǔn)備板子
 
強烈建議在返修開始前對PCB組件進行干烘,以消除殘留水分。若不消除,在回流期間,殘留水分可能會因為“爆米花效應(yīng)”而損傷器件。在125°C下烘烤PCB組件至少4小時,只要這些條件不超過PCB上其他器件的額定限值。如果這些條件超過其他器件的額定限值,則應(yīng)使用聯(lián)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IPC/JEDEC J-STD-033中說明的備選烘烤條件。

移除器件
 
可使用不同的工具來移除器件。為了移除器件,可能要加熱器件,直至焊料回流,然后在焊料仍處于液態(tài)時通過機械手段移除器件??删幊虩峥諝夥敌尴到y(tǒng)可提供受控溫度和時間設(shè)置。
 
返修時應(yīng)遵循器件裝配所用的溫度曲線。返修溫度不得超過濕度靈敏度等級 (MSL) 標(biāo)簽上規(guī)定的峰值溫度。加熱時間可以縮短(例如針對液化區(qū)),只要實現(xiàn)了焊料完全回流即可。焊料回流區(qū)處于峰值溫度的時間應(yīng)小于60秒。拾取工具的真空壓力應(yīng)小于0.5 kg/cm2,以防器件在達到完全回流之前頂出,并且避免焊盤浮離。請勿再使用從PCB上移除的器件。
 
控制返修溫度以免損壞PBGA器件和PCB。應(yīng)當(dāng)考慮由于熱質(zhì)量不同,相比基于引線框的封裝,例如標(biāo)準(zhǔn)外形集成電路 (SOIC) 和引線框芯片級封裝 (LFCSP),PBGA的加熱速度可能更快。注意,用耐熱帶蓋住器件周圍的區(qū)域可提供進一步的保護。此外,建議加熱PCB下方以降低PCB上下兩面的溫差,使板彎曲最小。
 
定義返修工具設(shè)置時,應(yīng)標(biāo)定溫度曲線。首次返修特定器件時,這種標(biāo)定尤其重要。還需要利用不同的主體尺寸、焊料成分或不同的PCB材料、配置、尺寸和厚度對PBGA器件進行標(biāo)定,因為它們可能有不同的熱質(zhì)量值。標(biāo)定必須包括對溫度、時間和設(shè)備工具的其他設(shè)置進行監(jiān)控(參見圖4)。應(yīng)將熱電偶裝配到板組件的不同部分,如PBGA器件上部和PCB上部(參見圖5)。分析時間和溫度曲線數(shù)據(jù),從評估中獲得器件移除的有效參數(shù)。
 

圖4. 器件移除評估的簡化流程圖
 

圖5. 器件移除標(biāo)定設(shè)置示意圖

清潔PCB焊盤
 
移除PBGA器件之后,PCB上的焊盤會有過多的焊料,必須在安裝替換PBGA器件之前予以清理。焊盤清理可分為兩步:
 
去錫。利用吸錫線和刀片型烙鐵去除焊盤上過多的焊料(參見圖6)。所選刀片的寬度應(yīng)與器件占用的最大寬度相匹配。刀片溫度必須足夠低,以避免損壞電路板??蓪⒑竸┩吭诤副P上,然后用吸錫線和烙鐵去除過多焊料。

圖6. PCB焊盤去錫
 
清潔。在返修區(qū)域上用清洗劑清潔,并用無絨布擦干凈。
使用的清洗劑取決于原始總成所用的焊膏類型。
 
涂敷焊膏
 
在將替換PBGA器件安裝到電路板上之前應(yīng)涂敷焊膏,目的是取代最初裝配電路板時涂敷的焊膏,從而保證PBGA焊接接頭的可靠性。給每個焊球涂敷的焊膏量必須一致,以免在電路板上安裝PBGA時發(fā)生不共面問題。
 
可利用模板來將焊膏涂敷到PCB焊盤上。模板對齊精度是使回流焊錫處理保持均勻的關(guān)鍵。使用與電路板裝配相同的PBGA孔徑幾何圖形和模板厚度。使用梯形孔徑(參見圖7)以確保焊膏均勻釋放并減少污點。
 

圖7. 模板孔徑幾何圖形(A比B長)
 
某些情況下,利用模板將焊膏均勻精確地涂敷在PCB焊盤上可能不可行,尤其是對于器件密度高或幾何空間緊張的電路板。這種情況下,應(yīng)考慮將焊膏涂敷在器件底部的焊球上。為此,可利用模板將焊膏涂敷在焊球上端,或?qū)⒑父喾峙浣o所有焊球(參見圖8和圖9)??衫脤iT設(shè)計的夾具和/或返修設(shè)備來達到這一目的。
 

圖8. 焊膏模板將焊膏印制到焊球上
 

圖9. 將焊膏分配到焊球上
 
器件對齊和貼片
 
將器件精準(zhǔn)貼放到電路板上是很重要的。帶分光束光學(xué)系統(tǒng)的貼片設(shè)備有助于PBGA和電路板的對齊。此類成像系統(tǒng)涉及到將PBGA焊球鏡像疊放在PCB焊盤鏡像上(參見圖10)。貼片機必須具有支持用戶沿x軸和y軸進行微調(diào)(包括旋轉(zhuǎn))的能力。
 

圖10. 利用分光束光學(xué)系統(tǒng)對齊PCB和器件
 
貼片精度取決于所用的設(shè)備或工藝。雖然PBGA封裝在回流焊過程中往往會自動對齊,但應(yīng)確保貼片偏差小于PCB焊盤寬度的50%。若對齊誤差過大,焊料橋接可能引起電氣短路。
 
固定器件
 
因所有回流參數(shù)均經(jīng)過優(yōu)化,故應(yīng)使用原始裝配過程中制定的熱曲線。
 
檢查
 
回流之后,檢查裝配好的PBGA有無缺陷,如未對齊或受損等。利用X射線檢查有無問題,如焊料橋接和錫珠等。如有必要,執(zhí)行電氣驗證測試以驗證器件功能正常。
 
 
 
 
 
 
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