正确设置BGA/CSP返修温度曲线

本文介绍作球栅格阵列(BGA)和芯片级封装(CSP)器件返修时,如何设置正确的印刷线路板(PCB)温度曲线。

• 线路板生产和返修温度曲线比较
  

• 工艺合格率问题
  

• 翘曲
  

• 开路
  

• 短路
  

• 翘曲解决办法
  

• 元件分层
  

• 解决方法
  

• 回焊不同步产生的问题
  

• 解决办法
  

• 影响ΔT的因素
  

• 结论
  

Howard Rupprecht

阵列封装返修产品经理

Metcal Inc

线路板生产和返修温度曲线比较

如果我们考虑生产中的PCB回焊温度曲线设置,我们通常关注的是所有焊点的ΔT都要均匀一致,这一般可以通过采用多温区回流焊炉对整个电路板的上下面进行均匀加热实现,另外回焊炉的性能要与PCB的大小、热容量及生产产量相匹配。

而我们考虑对诸如BGA或CSP之类的阵列封装器件进行返修时,为了取得良好效果,流程控制是至关重要的。通常的返修方法是对需要取下或更换的单个元件试着模拟生产中用到的回焊温度曲线。该方法的特性表明我们只希望对需要返修的器件作回焊,因此只能对PCB的特定区域进行加热。然而,即使所有的参数看来似乎都正确,稍不注意电路板的局部选择性加热还是会使整个过程失败。现在让我们一起来看看影响结果的因素有哪些,及一些可能存在的陷阱。

工艺合格率问题

有的时候,尤其是在较大的PCB组装件上,即便所有返修条件看起来都正确也还是会出现问题而降低合格率。一般人们对焊接温度曲线的要求都知道得非常清楚,它取决于所使用的焊接材料(焊膏或者焊剂),通常如下表所示。

(表)

所有对PCB组装件进行双面加热的回流焊系统中,焊点温度是线路板上下两面所吸收的热量的函数。完全可以通过一系列加热设定而得到同样的焊点温度,如下面两例所示(图1)。

实际中我们研究了一个是PC主板上492脚塑料球栅格阵列(PBGA)器件下部的温度曲线,热电偶测得的图形看来是正常的,达到了所需的预热、浸润和回焊温度。这个例子中既有焊膏又有助焊剂,但在实际应用中合格率却很低。

后来我们做了一些改变,尽管测得的两条线非常相似,但加热方法却完全不同。我们将PCB上方的热风温度大幅度降低,而增加了在整个线路板下部的加热。

回流焊中的合格率问题可归因于PBGA翘曲,它是由于印刷线路板顶部温度过高引起的。

有时候所有设置看上去都正确(例如丝印完美、电路板无损坏及贴片准确)但合格率却很低,下面介绍一些可能出现的问题。

翘曲

一些问题出现的主要原因是在回焊过程中PCB或者元器件产生翘曲,即使很小的形变也会导致诸如空焊、短路等缺陷。普通的PBGA器件距印刷电路板约0.5mm(0.020"),整个器件只需抬高0.1mm(0.005")就足以导致开路了。另外一个因素是器件越大,产生这类问题的可能性就越大。即使电路板或器件在整个工艺过程中没有明显的缺陷,但随着线路板降温后恢复正常形状时,焊点将长时间处于应力作用之下,造成长期可靠性问题。

开路

印刷电路板翘曲会造成焊点空焊,这也可能由于元器件翘曲产生。位于元件中心的焊点被抬离PCB,因而无法形成焊接。当只使用焊剂时因没有焊膏填补空白,这种情况经常会发生,另外一个特点是开路往往出现在器件的中部。

短路

还有就是是短路的情况,形变会造成焊膏与焊球连在一起导致短路。使用焊膏时经常会有这种现象,它的特点是在器件外围出现短路,尤其是在回焊过程中产生“狗耳朵”效应器件的角上。

翘曲解决办法

翘曲往往与温度曲线设置有关,特别是板子底部预热温度不足而上部温度又太高的时候,而有些线路板则是因为热量不平衡而造成的。

对大的PCB板而言,其底部支撑物也是一个影响因素,因为PCB会由于自身的重量而下坠。值得注意的是,回焊出风口或者真空装置都不应再施加向下的压力,因为这样会使问题更加严重。

元件分层

另一个产生焊接短路的原因是回焊过程中元件衬底出现脱层。塑料封装通常比较吸潮(暴露在空气中时它们会吸收水分),如果此时器件快速升温,就会使内部水分膨胀蒸发,在器件内部形成空洞,这种情况称为"爆米花"现象。

该缺陷的特征是由于内部膨胀而在器件下面形成一个个气泡。在X射线检测下,可以看到一般焊接短路都是在器件的中部。

解决方法

这类问题的解决方法是在返修前对元件和电路板慢慢预热,因为这样可使水气缓缓蒸发。有些公司规定,在作任何返修之前都要有这样一道工序,使用者也应确保只有保存良好的器件才能用于装配和返修中(元件通常存放在干燥的包装中,在打开后应重新密封)。

回焊不同步产生的问题

制造商之所以要努力做到同时回焊是因为如果元件表面有较大ΔT会产生生产缺陷和返工,温度曲线设定会直接影响一些因素,而其他则由PCB组件的物理结构决定。有的返修设备制造商可以保证回焊头温度均匀,变化范围在±5℃之间,总的ΔT约为10℃。

第一个影响同步回焊的参数是回焊点的温度设定,确切地说,就是焊料从固态到液态变化发生的快慢。

图2a是一个元件焊点在熔解温度183℃下从固态变化到液态的经过,我们假设整个元件的ΔT为10℃。升温率决定了回焊从开始到结束的持续时间,它与温度曲线中的输入温度设定成正比,本例中升温率为0.5℃/s。

解决办法

解决方法包括改变温度曲线的输入温度以达到更高的升温率,如图2b所示,这样可以使回焊更加同步。

影响ΔT的因素

还有其他一些因素会影响PCB组装件上的ΔT,而且常常是返修设备制造商所无法控制的。如印刷线路板上元件的摆放位置就会产生很大影响,如果有一个元件放在电路板的边上,那么元件朝向线路板外侧的两面温度会比内侧的两面温度高,这是由于印刷线路板中心部分的散热速度较快。另外一个因素是与焊接圆球相连的区域。一般在BGA封装中焊接圆球的中心阵列都连接到地以便散发元件内部的芯片热量,而这些球则可能需要更多的时间进行回焊。

结论

进行正确的BGA/CSP返修温度曲线设置并不象它看起来那么简单,提供恰到好处的热量对建立正确的温度曲线是很重要的,认识并理解潜在缺陷将使用户实现稳定的高成品率。