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德国ERSA股份有限公司焊接工具和检查系统总经理
目前的国际研究加强了面阵列封装在全球的趋势。BGA、 CSP以及倒装焊晶片（Flip Chip）技术不仅显著地提供了在每平方毫米PCB面积上更多的I/O（输入/输出），同时它们还具有明显的电气、机械以及单位成本优势。密度提高、特征尺寸减小以及封装都使得信号的传播距离更短，从而提高了速度和性能。参见图1。因此，在2002年期待叨焊晶片和先进封装数量的急剧增加并不神秘，在 2003年将达到近20亿只。参见图2。生产设备的进步已经使得生产过程中的ppm失败率可以接受。然而对许多人来说，质量修复仍是一个昂贵的恶梦。对面阵列封装和生产参数更彻底的理解可以降低对BGA返修的惧怕、保证过程控制并大大节省返工成本。
图1：密度和性能要求驱使IC封装 图2：倒装焊晶片应用的趋势
向裸芯片尺寸发展
根据大多数操作员的历史经验，三个维修问题仍然很重要：
1. 从板子上移走元件，不对基底、焊盘以及邻近的元件造成损伤。
2. 以过程控制的方式重新焊接元件。
3. 检查工艺质量。
从处理、手工焊接以及检查的观点看，驱动精细间距、外部引线器件（例如QFP、TAB、TCP元件）发展的密度和性能需求引起了大量的返修问题。面阵列封装没有出现这样的处理问题，使用典型的返修工具不能完成焊接过程，而且检查也曾经非常困难。如果对这种元件的应用的估计是正确的，那么必须采取一些措施，使面阵列封装返修对全球无数的返修操作员来说是一个可行的、用户友好的以及有成本效益的选择。
让我们研究一下在回流过程中的主要的考虑事项。参见图3。
条件A 条件B 条件C
在回流开始之前 在焊料熔化点 在正常的峰值温度
图3：BGA回流过程
在面阵列封装的整个表面上一致的热量分布和传输，在PCB上的焊盘图形是很关键的。加热过程和温度曲线必须试图使封装抵达回流并在球熔化时统一地“落回”或者降到焊盘，与焊盘形成金属间化合物。参见图4，展示了一个专业安装的PBGA的光学图片（使用具有专利的ERSAScope拍摄）、X光图形以及一个横截面。注意元件是如何落下的、如何与PCB平行，以及所有的球如何在形状上一致、如何完全“浸润”或者与焊盘接合。
图4：一个专业安装的PBGA的ERSAScope图形、X光图形以及横截面
另一方面，不一致的加热会引起封装不均衡地落下或者朝过早地抵达回流的一边或一角倾斜。如果在此时停止该过程，该元件将不能均匀地落下，该元件不共平面，因此焊接就不充分。另外，对非常小和轻的CSP/倒装焊晶片元件（参见图7），一个关键的考虑事项是对流回流炉中的气流速度。需要一个最小的气流速度以传递热量给元件和PCB，在回流过程中这个速度不能把这些很轻的元件吹走或者移动。当非常小的共晶锡球处于液态时，任何运动都会造成球的表面张力和“支撑”功能被破坏，从而导致在回流时CSP完全落到板子上。
把这些记在心里，让我们关注面阵列封装的返修要求和回流目前的缺点。脱焊过程可使用大部分热空气设备进行，不过最难控制的是重焊过程。返工与生产一样，质量是最终的目标。在回流炉的密封环境中生产可获得高质量的BGA回流。然而，返工却不能在一个完全密封的环境中进行，因为当通过喷嘴吹热空气的时候很难获得BGA回流所要求的加热条件。在此，成功取决于在封装上以及PCB焊盘上热量分布的一致性，在回流中不吹动或者移动元件。在返修情形中热量对流传递包括通过喷嘴吹出加热的空气，喷嘴与元件的形状相同。气流是动态的，包含层流效应、高低压区域以及循环速度，其本身就是一门复杂的科学。
当把这些物理效应和热量吸收和分布结合起来时，很明显，用于本地区域加热的热空气喷嘴的构造，以及正确的BGA修复是一项困难的任务。任何压力波动或者热空气系统所要求的压缩气源或者泵的问题都会从根本上降低机器的性能。
图5：热空气喷嘴
某些热空气喷嘴被设计成与PCB接触以便提供更连贯的循环和热量分布，如果邻近的元件太接近（在此不允许喷嘴与板子接触），这种喷嘴就会遇到共面性问题和空间问题。这会破坏喷嘴中所希望的空气循环样式，导致BGA加热不均匀。另外，必须退出喷嘴的加热的空气常常会加热邻近的芯片、把它们吹走，或者烧伤邻近的塑料元件。
许多半自动对流修复系统常常提供存储大量“温度曲线”的功能。清楚地理解温度曲线的作用，我们不要被这个感觉的益处所误导。在生产机器中，精确的温度曲线是过程控制的关键，它可确保所有焊点统一加热并达到充分的峰值温度。设置生产参数的起始点是实际的板子温度。通过分析实际的材料温度，工艺师可以调整机器的加热区域参数，以便获得希望的板子温度曲线。
可以存储大量加热元件的温度曲线和/或气流温度的对流返修机器，只能作为板子上热量情况的近似指示。更精确的方法是在回流过程中连接一个K型热偶到PCB来监控和记录板子或者元件的实际温度曲线。另外，过程控制的最终形式是在过程中对焊点进行实际检查，也就是观看回流点。参见图6。
图6：返工过程中未回流和已回流BGA的光学实时捕捉图
对以上列举的大量热传递问题的可行的返修方法是使用中等波长的红外线。受过程控制的BGA安装的明显的优势可以在下面的比较试验结果中看到。表面均匀热分布的热成象试验揭示出三个不同的热空气喷嘴与中等波长的红外线方法的比较。价格从25000美圆到75000美圆的三个不同的热空气返修系统的喷嘴，被放在一个特别处理的FR4基板上，机器执行所装入的曲线。虽然该曲线可能让人相信全部面积都被均匀地加热了并达到了足够高的温度，但是热分布试验明显地显示了热和冷的区域。参见图7。红外线对热空气的优越性是一个不可否认的物理效应。
图7：BGA表面的热分布 图8：BGA169安装的
-对流和深IR 温度曲线（使用IR）
红外线回流焊炉和修复设备的舞台上并不是新面孔。然而，由于以前使用的短波长IR有限的物理效应，红外线已经失去了一些市场。当热辐射均一地分布时，颜色深或者浅的物体吸收和反射热辐射并不均衡。虽然这样的热源对PCB预热是完全可接受的，但是对回流使用短波长IR常常在反射引线达到合适的回流温度前使颜色深的元件体和FR4基底材料过热。中等波长或者“深”IR辐射器（电磁波长频谱上的2-8μ）不仅可在表面上非常一致地传递热量，而且在深色和浅色材料间显示出均衡的吸收率/反射率。图8用一个独立的科研机构真实的温度曲线试验结果支持了这个理论。使用最佳设计的中等波长IR BGA修复系统，K型热偶可以很容易地放置在板子上，以便在实际回流过程中监控和记录精确的温度曲线。对于μBGA、CSP和倒装焊晶片修复应用，深IR 作为热源在理论和实践上都是一个理想的解决方案。由于不需要气流（回流时气流会吹走或者移动元件），IR可以均匀地集中在、导向到以及传递到精确的元件尺寸和PCB上的位置。可以减少对邻近元件的加热，或者通过用反射箔覆盖元件完全避免邻近元件被加热。即便距离要修复的元件只有0.5mm的元件也可以安全地将其与热源隔开。由于排出的空气和/或要求的喷嘴厚度的原因，对热空气系统这是不可能的。另外，一个顶部和底部中波IR返修系统也可以作为所有类型的面阵列封装过程控制的重新植球的一个理想的“微型回流焊炉”。
面阵列封装返修站的购买决定必须从技术要求的可靠基础开始，过程控制非常重要。该设备必须能够让每个操作员始终确保质量，同时提高易用性。为获得高的投资回报，在灵活性方面，在不需要额外的喷嘴的情况下，它应当能够完成SMD、TH、塑料连接等等。这将以最小的成本提供最大的用途。与热空气系统固有的封闭环境相比较，通过使用利用IR的开放系统，可以有效地排除目前返工过程中的盲目性。眼见为实：在返工过程中通过实时地可视地捕捉回流，可以保证一致的塌陷并实现过程控制的最终形式——图象。
过程控制的面阵列封装返修现在是业内最热的主题之一。使用这个先进的封装技术的期望的趋势，不必再使修复操作员惧怕（从易用角度看），不必再使质量控制检验员惧怕（从过程控制角度看），不必再使采购部门惧怕（从资本投入和运作成本角度看）。通过提供更细致的对各种面阵列封装的设计、生产回流的要求以及可用的修复技术的理解，很明显，通过返回到基础，每个人都会成功。中波IR作为一个完美的热源方案，不仅提供了最理想的热传递和分布，它同时也是最灵活、最友好、最有成本效益的。有了理想的修复解决方案，不要惧怕BGA——让他们来吧！
[ 本帖最后由 猫大师 于 2007-5-31 02:54 编辑 ] |
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狗仔卡
发表于 2007-5-31 02:48:34
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