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BGA Rework加热方式主要有全热风(HotAir)加热,全红外线(IR)焊接,热风加热为主,红外线焊接为辅(HotAir+IR)和红外线焊接为主,热风加热为辅(IR+HotAir)等四种形式。采用何种方式进行加热焊接,一直都是各工艺工程师和研发人员争论不休的话题,也是各家BGA Rework设备代理商"公说公有理,婆说婆有理"的再现。
选择热风加热为主,红外线焊接为辅(IR+HotAir)的设备来进行BGA Rework,其理由如下:
1.全热风(HotAir)式焊接系统由于热源分布的不均匀性与PCB局部受热易翘曲的缺陷,直接影响BGA Rework 的成功率。
(1).热源分布的不均匀: 全热风(HotAir)式焊接方式是通过喷咀吹入热空气进行循环对流实现焊接<如图(一)>,由于局部半开放式进行热传递,与在封闭环境的回流炉相比,总存在着一部分热能泄露,造成BGA封装体表面温度分布的不均匀<如图(二)>,而表面温度的差异,直接影响到BGA焊点受热的不均匀,通过温度测试仪实际测量,BGA中心焊点与边缘焊点总是存在3-8 degC的温差<如图(三)>,这给BGA焊点焊接的可靠性埋下了很大的隐患<如图四)>。
(2).PCB底部局部受热易翘曲全热风(HotAir)式焊接系统采用上下部同时局部加热来完成BGA的焊接,由于PCB材质的热胀冷缩性质和PCB本身的重力作用,再加上无铅BGA需要更高的焊接温度来维持,因而对PCB 中BGA区域产生更大的热应力,所有的这些因素都会使得PCB在Rework过程中产生一定程度上的翘曲变形(Warp),尽管某些公司采用Support Pin来避免PCB变形,但这种宏观上阻止PCB变形的作用是微乎其微的. 如果这种变形程度超过了IPC规定的标准<如图(五)>,就会产生BGA四角焊点桥接(Bridge),中间焊接空焊(Poor welding)等焊接缺陷<如图六)
2.全红外线(IR)式焊接系统由于其自身的色敏效应和屏蔽现象使得Rework BG焊点难以得到保证。
(1).色敏效应：全红外线(IR)式焊接系统是采用仿真死循环路的形式来实现BGA的焊接过程,由于PCB,元器件及其引脚等不同颜色对红外辐射的吸收率和反射率是不同的.以致造成BGA的表面,焊点,底部温差极大,焊接的质量难以保证,虽然目前设备供货商采用波长为2-8uM暗红辐射器,色敏问题在一定程度上得到缓解,但仍然不能完全消除。
(2).屏蔽现象：在BGA焊点空焊&桥接循环路焊接过程中,一些较高的组件把红外辐射线挡住了,使相邻较低组件照射不到红外辐射线,高低组件受热明显不均匀,这样使得较低的BGA组件焊点难以得到保证。
(3).红外线辐射到的区域是呈圆形的.而大部分BGA是方形的.这使得BGA四周相邻的组件受到二次融锡的危害<如图(八)>。
3.全热风(HotAir)和全红外线(IR)式焊接系统都有其自身的优点与缺点,为了避免二者缺陷,我们选择了热风加热为主,红外线焊接为辅(HotAir+IR)的焊接系统<如图(九)>,虽然红外线焊接为主,热风加热为辅的焊接设备在功能上与我们相比美,但其昴贵的价格是我们难以接受的.
1.BGA Rework焊接曲线的优化<如图(十)>
(1).提高Preheat温度,加快溶剂的充分挥发,减少Void的产生
(2)加长Soak时间,保证焊点的润湿性,便于BGA各处的均匀受热.
(3)加快冷却的速度,以利于IMC快速形成,提高焊点的可靠度
(4)缩小上下热风温差,提高红外区域温度,避免PCB基板的变形.
(5)降低Peak温度,延长Reflow时间,避免BGA因温度过高而产生的翘曲分层.
2.改涂抹助焊膏为印刷锡膏制程. 对有铅制程来说,在PCB焊盘上均匀地涂上一层助焊膏,不仅可以对焊点起到浸润与助焊作用.而且还大大方便维修员作业,提高维修速度,但对于无铅制程来说,这种涂抹的优势便不复存在,因为无铅BGA的焊接需要更长的Preheat时间与更高的Reflow温度来完成,而助焊剂里的溶剂在Preheat 还没完成前,便完全挥发掉,这样去除焊盘气化物的作用便大大折扣,同时在Soak阶段也很难发挥其浸润焊点的作用,特别是焊接系统为局部强烈的热气流作用下,助焊剂的这种挥发速度便更快,因此我们必须模仿SMT印刷制程,在PCB焊盘上进行局部手动印刷,为了提高印刷效果与印刷速度,我们可以设计一种专用的BGA印刷治具<如图(十一)>
3.以印锡膏到BGA 芯片焊盘：
(1).可以避免BGA芯片因二次Reflow所带来的危害. 实践经验证明,在把锡球焊入BGA芯片过程中,有5%BGA芯片翘曲分层<如图(十三)>;有8%BGA因锡球受潮而在焊接过程中产生空洞(Void)现象<如图(十四)>;还有10%的BGA因锡球踏陷高度不够而在焊接过程中产生脱焊(Off-welding)现象<如图(十五)>.而且BGA 芯片过Reflow次数越多,其不良的比例就越高,因此作为一名工艺工程师,我们必须设法减少BGA 制损而带来的质量成本。
(2).大大降低维修成本,提高维修效率. 拿我们正在生产的SPCNT BGA来说,此BGA共有388颗锡球,如果采用重植BGA锡球制程,则需要388颗锡球,按目前的无铅锡球市场价格计算,每颗锡球的价格约为0.035RMB 左右,这样植一个BGA锡球就需要13.58RMB;而改为印锡膏制程,每个BGA只需要4g锡膏,按目前无铅锡膏的市场价格计算,印刷一个BGA只需要2.85RMB,因此返修一个BGA可节约10.73RMB,这样大大降低BGA的返修成本.
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