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   微型bga與CSP的返工工藝

   包裝尺寸和錫球間距的減少，伴隨PCB上元件密度的增加，帶來了新的裝配與返工的挑戰。

   隨著電子裝配變得越來越小，密間距的微型球柵列陣(microbga)和片狀規模包裝(CSP)滿足了更小、更快和更高性能的電子產品的要求。這些低成本的包裝可在許多產品中找到，如：膝上型電腦、蜂窩電話和其它便攜式設備。包裝尺寸和錫球間距的減少，伴隨PCB上元件密度的增加，帶來了新的裝配與返工的挑戰。如果使用傳統的返工工藝而不影響鄰近的元件，緊密的元件間隔使得元件的移動和更換更加困難，CSP提供更密的引腳間距，可能引起位置糾正和準確元件貼裝的問題，輕重量、低質量的元件恐怕會中心不準和歪斜，因為熱風回流會使元件移位。本文描述的工藝是建立在一個自動熱風系統上，用來返工一些microbga和CSP元件。返工元件的可靠性和非返工元件的可靠性將作一比較。

   工藝確認

   本方案的目的是檢驗工業中流行的microbga和CSP的標準SMT裝配和返工工藝。最初的CSP裝配已在工業中變得越來越流行，但是元件返工的作品卻很少發表。由于小型元件尺寸、減少的球間距和其它元件的緊密接近，對板級返工的挑戰要求返工工藝的發展和優化。本研究選擇了幾種元件(表一)。這些元件代表了各種輸入/輸出(I/O)數量、間距和包裝形式。

   內存芯片包裝通常是低I/O包裝，如包裝1、2和4。通常這些包裝用于雙面或共享通路孔的應用。包裝3，有144個I/O，典型地用于高性能產品應用。所以CSP都附著有錫/鉛(Sn/Pb)共晶焊錫球，其范圍是從0.013"到0.020"。所有包裝都縫合以允許可靠性測試。

   為裝配準備了兩個測試板設計。一個設計是標準的FR-4 PCB，表面有用于線出口的"dogbone"焊盤設計。第二個設計使用了表層電路(SLC, Surface Laminar Circuit)技術*，和為線出口使用捕捉照相通路孔設計，而不是dogbone設計。板是1 mm厚度。圖一所示為典型的144 I/O包裝的焊盤形式。

   試驗程序

   該返工工藝是在一臺帶有定制的偏置底板的熱風返工工具**上完成的：

   使用bga噴嘴熱風加熱 適于小型microbga和CSP返工的低氣流能力,在定制偏置底板上對板底面加熱,計算機控制溫度曲線,校正的視覺系統,自動真空吸取和元件貼裝. 接下來的特殊工業流程是典型的用于bga返工的。用熱風噴嘴加熱元件到焊錫回流溫度，然后拿走。板座上的焊錫使用焊錫真空工具移去，直到座子平坦。然后座上上助焊劑，新的元件對中和貼裝，焊錫回流焊接于板上。

   要求作出元件移去和重新貼裝的溫度曲線。曲線參數必須符合錫膏制造商推薦的回流溫度和保溫時間。返工的每個元件座單獨地作曲線，由于板面吸熱的不同，內層和相鄰元件的不同。以這種方式，將過熱或加熱不足或焊盤起脫的危險減到最小。一旦得到溫度曲線，對將來所有相同位置的返工使用相同的條件。由于一個修正的回流工藝，開發出元件取下和元件回流貼附的分開的工藝步驟。圖二所示，是使用返工工具的減少流量能力(50 SCFH)的溫度曲線例子。圖三所示，是使用正?？諝饬髁吭O定(90 SCFH)的對較大元件的溫度曲線。

   對取下元件，工具的偏置底板設定到150°C，以均勻地加熱機板，將返工位置的溫度斜率減到最小。(大的溫度斜率可能引起局部板的翹曲。)板放于框架的對中定位銷上，支持高于底板面0.250"。支持塊粘貼于板返工座的背面，以加熱期間防止翹曲。板被覆蓋并加熱到135°C溫度。

   返工工具使用無力移動技術來從板上移去元件。當過程開始，真空吸取管降低來感應元件的高度，然后升到特定的高度進行加熱過程。當元件達到回流溫度，真空吸嘴降低到預定高度，打開真空，移去元件而不破壞共晶焊錫接點。丟棄取下的元件，加熱板上的下一個點。

   元件移去后接下來是座子修飾。這個是使用返工工具的自動焊錫清道夫來完成的。板放在偏置底板上，預熱到大約130°C。返工座在開始過程前加助焊劑。焊錫清道夫對SLC預熱到420°C，對FR-4預熱到330°C，檢查板的高度，然后一次過橫移過焊盤的每一排，當其移動時把焊錫吸上到真空管。反復試驗得出對較小元件座的焊錫高于板面0.010"，對較大元件座0.012"。使用異丙醇清潔座，檢查是否損壞。典型的可避免的觀察是焊錫污斑和阻焊的損壞。

   元件貼放和回流步驟如下進行。板預熱到135°C，使用無麻刷擦過板面來給座加助焊劑。助焊劑起著將元件保持在位和回流前清潔焊盤表面的作用。使用返工工具的分離光學能力來將元件定位在板，完成元件貼裝。

   元件貼裝后，真空吸取管感覺元件高度，向上移到預定高度。這允許吸取管保持與熱風噴嘴內面的元件接觸，當熱風預熱步驟開始時保持元件在位置上。跟著預熱保溫后，吸取管向上移動另外0.015"或0.020"，以防止焊錫回流期間元件倒塌。

   結果與討論

   為了成功的CSP元件移動和更換，過程調整是需要的。在峰值溫度，真空吸取管要降低到元件表面，損壞焊接點和濺錫到板上周圍區域。盡管返工工具據說是使用無力移動技術，元件上輕微的壓力足以損壞一小部分的共晶焊接點。板也看到去向上翹曲，使情況惡化。為了防止這個，在移去步驟中增加額外的高度，使得真空吸取管在移去時不會壓縮焊接點。

   自動元件座清理工藝成功地使焊盤上的焊錫變平。這個步驟是關鍵的，因為焊盤必須平坦以防止貼裝時的歪斜。留下的焊錫覆蓋層在任何焊盤上典型地小于0.001"高。圖四是在元件移去和座子清理后的典型的元件座的一個例子。

   元件貼放和回流是最困難的。在給座子上助焊劑后，貼放元件和回流座子，通常元件會偏斜。在不同情況下，元件錫球在板上焊盤內熔濕不均勻。人們相信，元件太輕，在熱風噴嘴內移來移去。這種現象甚至發生在返工工具所允許的低氣流量情況。為了防止元件移動，返工工具設定程序，在貼裝之后把真空吸取管留在元件頂上，直到通過溫度曲線的預熱部分。當回流周期開始時，真空管回輕輕縮回，允許元件熔濕焊盤而不損壞焊接點。這個方法使用很好，但有一些缺點?；亓髌陂g，元件上的吸取管的高度和重量有時會造成錫橋。真空吸取管似乎也會降低bga的自對中能力。

   面對的另一個問題是板的翹曲。因為板很薄，翹曲是一個很大的關注。使用特殊的支持塊來防止翹曲，在每個步驟，板被預熱以減少可能引起翹曲的溫度差。盡管如此，還有問題。板會在高度讀數的壓力下向下弓，隨后在加熱過程中向上翹曲。這意味著，不得不在每一步中增加額外的高度。甚至這還不足夠。相同的拆卸參數會破壞拆卸中的元件，并且還不精確到足以拆卸另一塊板上的相同位置的元件。

   另外，使用的板的上助焊劑技術招徠問題；它是很主觀的，一個技術員與另一個技術員差別很大。太多的助焊劑產生一層液體，回流期間CSP元件可能漂移。同時，太少助焊劑意味著當熱空氣第一次開動時，沒有粘性的東西來保持元件在位置上。較近的論文指出，只對bga本身而不是板的焊接點上助焊劑改進了返工工藝的效率。最終返工焊接點與非返工焊接點是可以比較的。

   可靠性

   裝配的測試板進行從-40°C到125°C和從0°C到100°C的加速溫度循環(ATC, accelerated temperature cycling)試驗。也進行絕緣電阻(IR, Insulation resistance)測試。對任何的包裝都沒有發現IR失效。包裝4有早期ATC失效(100~200個周期，-40°C~125°C)，后來發現，該包裝的供應商由于可靠性問題沒有繼續該包裝。包裝1~3在0°C~100°C的測試中表現良好(大多數情況經受大于1000次循環)，而-40°C~125°C的試驗有混合的結果。這個溫度循環范圍可能太進取一點。包裝1和2的返工元件的循環壽命比非返工元件稍微低一點，而包裝3具有可比較的循環壽命。

   結論

   Microbga和CSP元件可用傳統的熱風返工工藝進行返工。為得到高效率，返工工藝參數的調節是需要的。因為CSP元件小型，重量輕，要求對熱風流量和真空吸管高度的調節以避免元件對不準或元件損壞。使用優化的返工工藝返工的元件，保證了另外的可靠性測試。