電子組裝用BGA器件的無鉛返修過程中的焊接溫度曲線分析

楊潔

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210046）

隨著電子產(chǎn)品的小型化多及功能化的發(fā)展，芯片的集成度越來越高,芯片的引腳間距也越來越小。對于BGA在組裝過程中出現(xiàn)的偏移、漏焊、橋連等缺陷，利用普通手工焊接工具很難進(jìn)行返修，需要通過返修工作站并按照一定的返修工藝完成。本文基于ERSAIR550A返修工作站，介紹了BGA器件的無鉛返修工藝。

1 BGA器件無鉛返修工藝流程

BGA器件的無鉛返修工藝見圖1所示。

將需要拆卸BGA的表面組裝板放在返修系統(tǒng)的工作臺上，選擇與器件尺寸相匹配的噴嘴，并將熱風(fēng)噴嘴扣在器件上。然后選擇適合的吸嘴，調(diào)節(jié)吸取器件的真空負(fù)壓吸管高度，打開真空泵開關(guān)，根據(jù)器件的尺寸、PCB的厚度等具體情況設(shè)置拆卸溫度曲線。

拆卸掉BGA器件后，先用電烙鐵和拆焊編織帶將PCB焊盤殘留的焊錫清理干凈、平整，可然后用異丙醇或乙醇等清洗劑將助焊劑殘留物清洗干凈。

由于塑料封裝的BGA對潮氣敏感，因此在組裝之前要檢查器件是否受潮，如果已經(jīng)吸濕，需進(jìn)行去潮處理。然后再返修工作臺或顯微鏡下，將焊膏印在PCB焊盤上。

將印好焊膏的表面組裝印制板安放在返修系統(tǒng)的工作臺上。選擇合適的吸嘴，將BGA器件吸起來，用攝像機(jī)頂部光源照射已經(jīng)印好焊膏的BGA焊盤，調(diào)節(jié)焦距使監(jiān)視器顯示的圖像最清晰。然后拉出BGA專用的反射光源，照BGA器件底部并使圖像最清晰。調(diào)整使BGA底部焊球和BGA焊盤完全對應(yīng)重合。待完全重合后，把BGA器件貼裝到PCB上，然后關(guān)閉真空泵。

焊接時(shí)需要嚴(yán)格設(shè)定焊接溫度曲線，溫度曲線設(shè)定完成后，選擇與器件尺寸相匹配的四方形熱風(fēng)噴嘴，并將熱風(fēng)噴嘴安裝在加熱器的連接桿上，注意安裝平穩(wěn)。打開加熱電源，調(diào)整熱風(fēng)量，開始焊接。

焊接后，應(yīng)采用X光或超聲波檢查設(shè)備對BGA器件的焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。在沒有檢查設(shè)備的情況下，可通過功能測試判斷焊接質(zhì)量。如果以上設(shè)備均沒有，可以把焊好BGA的表面組裝印制板舉起來，對光平視BGA四周，觀察焊膏是否完全熔化、焊球是否塌陷、BGA四周與PCB之間的距離是否一致等，以經(jīng)驗(yàn)來判斷焊接效果。

2 BGA器件的無鉛焊接溫度曲線設(shè)置

合理的溫度曲線是BGA器件成功返修的關(guān)鍵，其返修回流焊的曲線應(yīng)當(dāng)與原始的焊接曲線接近。設(shè)置BGA器件的無鉛焊接溫度曲線時(shí)，應(yīng)綜合考慮BGA種類、印制板及BGA在PCB上所處的位置等因素。回流焊曲線可分成四個(gè)區(qū)間:預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、回流區(qū)(焊接區(qū))和冷卻區(qū)。四個(gè)區(qū)間的升降溫速率、加熱溫度等參數(shù)須分別設(shè)定。

2.1 預(yù)熱區(qū)參數(shù)設(shè)定

預(yù)熱階段的目的是把焊膏中較低熔點(diǎn)的溶劑揮發(fā)走，防止回流過程中產(chǎn)生錫珠、氣孔等缺陷。因此，預(yù)熱溫度一般為120℃ ～150℃。同時(shí)，一定要控制升溫速率，太高的升溫速率會造成元件的熱應(yīng)力沖擊，損傷元件或降低元件性能和壽命，也會造成焊膏的塌陷，引起短路的危險(xiǎn)，并且太高的升溫速率使得溶劑揮發(fā)速度過快，容易濺出金屬成分，出現(xiàn)錫珠。因此，在預(yù)熱階段，升溫速率一般設(shè)定為2℃/s，最大的不超過3℃/s。

2.2 保溫區(qū)參數(shù)設(shè)定

在這個(gè)階段，溫度上升速度緩慢。保溫階段的設(shè)定主要應(yīng)參考焊膏供應(yīng)商的建議和PCB板熱容的大小。保溫階段的作用主要有三個(gè)，首先是使整個(gè)PCB板都能達(dá)到均勻的溫度，減少進(jìn)入回流區(qū)的熱應(yīng)力沖擊；同時(shí)，溫度升高促使焊膏中的助焊劑開始發(fā)生活性反應(yīng)，增大焊件表面潤濕性能；最后，進(jìn)一步揮發(fā)助焊劑中溶劑。

由于保溫階段的重要性，因此保溫時(shí)間和溫度必須很好地控制，既要保證助焊劑能很好地清潔焊接面，又要保證助焊劑到達(dá)回流之前沒有完全消耗掉，在回流階段能夠起到防止再氧化的作用。一般地，BGA底部焊盤位置的溫度控制在在150℃ ～200℃，且PCB底部的溫度設(shè)定在160℃左右，保持60S～180S。為防止過多的焊接缺陷，保溫區(qū)末端升溫速度一般設(shè)定在3℃/s～4℃/s。

2.3 回流區(qū)參數(shù)設(shè)定

經(jīng)過保溫階段后，PCB焊盤和BGA焊球表面比較潔凈，無鉛焊料一般回流區(qū)的峰值溫度為230℃ ～240℃ ，超過225℃以上的時(shí)間控制在 15 S～30 S，熔點(diǎn)溫度以上保持 60S～120S，以達(dá)到良好焊接。為避免PCB變形，此階段應(yīng)保證PCB底部溫度約在200℃。合理的峰值溫度時(shí)獲得良好焊接的保證。圖2是BGA器件的焊接過程示意圖。

圖2 BGA器件焊接過程示意圖

2.4 冷卻區(qū)參數(shù)設(shè)定

好的冷卻過程對焊接的最后結(jié)果也起著關(guān)鍵作用。較快的冷卻速度可以細(xì)化焊點(diǎn)微觀組織，改變金屬間化合物的形態(tài)和分布，提高焊料合金的力學(xué)性能。但是太快的冷卻速率，也將會造成對元器件的沖擊，造成應(yīng)力集中，使產(chǎn)品的焊點(diǎn)在使用過程中過早失效，因此回流焊接必須提供良好的冷卻曲線。

為保證PCB和BGA芯片逐步降溫，冷卻速率控制在3℃/s～4℃/s。BGA器件的無鉛返修溫度曲線見圖3所示。

圖3 BGA器件無鉛返修焊接溫度曲線與SnPb溫度曲線對比

3 結(jié)論

BGA器件的無鉛返修具有高溫、潤濕性差、質(zhì)量控制難度大等特點(diǎn)，常用返修工作站進(jìn)行返修。為了得到高質(zhì)量、高效率的BGA返修工藝，必須通過實(shí)踐反復(fù)調(diào)整無鉛返修相關(guān)參數(shù)。使用優(yōu)化的BGA無鉛返修工藝,保證了SMA的可靠性,為SMT技術(shù)的發(fā)展提供了新的動力。

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