热风回流焊炉(倒装焊元器件的返修工艺)

Posted 2023-06-02

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热风回流焊炉(倒装焊元器件的返修工艺)

什么是倒装焊

倒装焊技术是通过在集成电路芯片的两端用平面工艺制成金属焊球，将裸芯片面向下贴装在PCB板上，利用回流焊工艺使芯片焊球和PCB板焊盘间形成焊点，实现芯片与基板的电、热和机械连接

倒装焊技术(flip chip on board, FCOB）

由于此工艺省略了芯片和PCB板引线，起电连接作用的焊点路径短，因此倒装焊技术与其它封装技术相比，具有封装密度高、信号处理速度快、寄生电容/电感小等优点。但是由于倒装焊元器件焊点阵列面位于元器件下方不可视，因此在检验时必须用专用X-RAY设备进行检测。随着倒装焊元器件体积、阵列的增大，导致了焊接时中间焊球的温度与外围相差也逐渐增大，最终导致了良品率的下降，因此在倒装焊元器件的焊接环节，返修工作始终是其必不可少的一个组成部分

可倒装焊元器件的种类

目前倒装焊器件的种类比较多，各器件厂商叫法也多种多样，可大致可以分为四类：

LGA（Land Grid Array）

LGA作为最近两年新出现的封装形式，LGA用镍金微凸点取代了BGA的球型阵列的分布

BGA（Ball Grid Array）

BGA的芯片I/O端子呈阵列式分布在器件底面上。BGA通常由芯片、基座、引脚、封壳和引脚等部分构成

根据基座材料的不同，BGA可分为：

PBGA（Plastic Ball Grid Array塑封球栅阵列）

CBGA（Ceramic Ball Grid Array陶瓷球栅阵列）

CCGA（Ceramic Column Grid Array陶瓷球柱栅阵列）

TBGA（Tap Ball Grid Array载带球栅阵列）

CSP（Chip Scale Package）

CSP是BGA进一步缩小化的产物，它的封装尺寸与裸芯片相同或封装尺寸比裸芯片稍大（通常为1.2：1）

QFN（Quad Flat No Lead）

QFN是一种无引脚封装，QFN可以降低引脚间的自感应系数，因此QFN在高频领域的应用优势明显。QFN的外观呈正方形或矩形，尺寸大小接近于CSP。QFN底部具有与底面水平的焊端，在中央有一个大面积裸露焊端用来导热，围绕大焊端的外围四周有实现电气连接的I/O 焊端

维修前故障诊断

X-RAY检测

X-RAY是焊点检测的一种有效的方法，目前X-RAY设备主要有两种类型：一种是直射式X-RAY检测仪，另一种是断层剖面X-RAY检测仪

直射式X-RAY检测仪的价格较为低廉，但不能检测出FC焊点中的空洞、较明显的虚焊

断层剖面X-RAY对检测焊点的桥接、开路、较明显的虚焊、焊料球、空洞、错位等缺陷的效果非常好，但价格相较于直射式X-RAY检测仪不具有优势

电测试

电测试是查找短路与开路缺陷的主要方法之一，随着PCBA复杂程度和模块内回路逐渐增加时，电测试前的设计变得越来越复杂，定位具体的FC器件功能不同时有时较为困难

故障返修

加热焊接设备的选用

当确定为由于倒装焊元器件的焊接问题导致PCBA调试不通时，就需要准备进行返修

返修过程中会使用到加热焊接设备，涉及到的设备一般有回流焊炉、返修台以及热风枪

回流焊炉保温性能、热效率高且温度曲线容易调试

返修台热风返修系统必须配备各种尺寸各种形状的热气喷嘴，目前倒装焊元器件的形状较为复杂，有时会找不到适合的喷嘴，另外由于喷嘴的结构造成内部各点位置的动态气流不均，元器件上方会受到不均匀气流的力学作用，导致元器件表面温度分布不均匀，这就会导致倒装焊元器件沉降不平衡，产生倾斜和偏移现象

热风枪的加热温度与时间不易控制，很难与倒装焊元器件推荐的焊接曲线保持一致，因此不到万不得已最好不要使用热风枪

返修方式

针对不同的倒装焊元器件类型、不同的故障模式，应采用相应的返修方式。一般来说返修方式有四种：

重新加热

如果做电测试时发现倒装焊元器件功能不稳定，多数是由于焊接温度低造成。如果遇到此类情况，可结合倒装焊元器件推荐的焊接曲线，使用回流焊温度曲线测量出合适的温度文件，再次使用加热焊接设备使得倒装焊元器件重新焊接

拆焊、重新焊接

多数情况下对于BGA或引脚间距大于0.5 mm的CSP出现焊接不良时可以进行拆焊、重新焊接。一般流程如下图

烘烤

因为一般的倒装焊元器件为湿敏器件，因此我们在返修之前需要将PCBA在80 ℃~125 ℃的温度下烘烤24小时左右，以便除去PCB和元器件的潮气

调试曲线

结合倒装焊元器件推荐的焊接曲线、PCBA形状大小、厚度及器件类型、布局情况等，使用回流焊温度曲线测试工具测量出合适的温度文件

拆卸倒装焊元器件

拆卸前需对倒装焊元器件周围不耐高温的器件如接插件等进行保护或拆除，以免拆卸或焊接时损坏其他不耐高温器件。对于拆卸倒装焊元器件时只能选用返修台（尽量不用热风枪）的情况，我们需要选择适合的喷嘴和温度拆卸倒装焊元器件,同时需要注意观察焊球的坍塌形状来进一步验证控制温度，以免设定温度过高损伤PCB及元器件，或温度不够、加热时间太短，倒装焊元器件可以轻松取下

焊盘清洁

用电烙铁将PCB及倒装焊元器件焊盘残留的焊锡清理干净，然后使用吸锡带和扁铲形烙铁头进行清理，操作时需要注意不要损坏焊盘和阻焊膜，最后用专用清洗剂将助焊剂的残留物清洗干净

植球/植柱

目前业内常用的有两种植球法，一是丝印锡膏法，二是刷助焊膏法

丝印锡膏法具体做法就是先使用专用的倒装焊元器件小钢网把锡膏印刷到倒装焊元器件的焊盘上，印刷锡膏印刷时尽量做到不重复印刷，确保印刷质量，待印刷完毕后检查，如有少数焊盘未印刷好，可以点涂修理；如遇大面积不良，必须将倒装焊元器件清洗干净并干燥后重新印刷。印刷完成后再用植球器或镊子在其上安装合适的锡球/柱，后经回流焊，将焊球/柱、锡膏、倒装焊元器件焊盘通过熔化冷却后形成合金固定。用这种方法植出的锡球/柱焊接性、可靠性好，熔锡过程不易出现跑球现象，其容易控制与掌握

刷助焊剂法是用助焊剂来代替锡膏进行焊接的方法。刷助焊剂时需要使用小铲刀在焊盘上均匀的涂覆一层助焊剂，将整个焊盘全部覆盖住。但这种方法存在弊端：助焊剂在温度升高的时候会变成液状，容易使锡球产生位移；再者助焊剂的焊接可靠性较差，综合来说其可靠性不如丝印锡膏法

特别注意对于CBGA、CCGA、TBGA类型，焊球或焊柱是90Pb/10Sn合金成分，熔点约在300 ℃，回流时会产生锡膏不熔化的现象，因此植球或植柱时必须要选用丝印锡膏法。另外不得已转化所植焊球或焊柱合金成份时，一定要考虑倒装焊元器件的重量，若转化选用回流可熔焊球，要保证焊球熔化后在重力作用下不会形成桥接

印刷

根据器件类型的不同及实际情况，PCB焊盘上印刷一般可选用刷助焊膏或丝印锡膏。方法同FC上植球前印刷。对于CCGA、CBGA、TBGA类型也必须选用丝印锡膏法

贴装

贴装可用返修台贴装系统，对于一些异型或PCBA尺寸超出返修台设备尺寸范围的可用贴片机贴装，条件不具备时只能选用真空吸笔贴装

调试曲线

贴装可用返修台贴装系统，对于一些异型或PCBA尺寸超出返修台设备尺寸范围的可用贴片机贴装，条件不具备时只能选用真空吸笔贴装

回流焊

采用调试好的焊接曲线，将贴装好FC的PCBA回流焊接。焊接完成后有条件的使用X-RAY检查是否有桥连、空洞以及明显的虚焊等

拆焊

对于不需要植球的QFN、LGA和间距小于0. 5mm植球困难的PBGA或CSP，以及没有合适焊柱又不能用焊球代替的CCGA，出现焊接问题时拆焊或拆换焊即可。具体操作步骤同拆焊、重新焊接的步骤

小焊盘元器件的返修

对于一些QFN或LGA焊盘设计较小，且PCBA元件密集度太高、没有足够的空间而无法使用特别的小钢网印刷焊锡膏，单刷助焊膏的方法又不能保证焊接成功率的情况，就只能选择手工焊接预处理QFN/LGA器件的特殊返修方法，根据我们的经验按照以下步骤能够得到较好的效果

第一步

先测量和记录需更换的QFN元器件的厚度，这个厚度指元件本体顶面至底面（包括中央裸焊端）的尺寸。在QFN四周及中央焊盘上涂布适量助焊剂，然后用电烙铁在中央接地焊盘约25%面积上锡，四周引脚焊盘80%~100%面积上锡，上锡量尽量均匀。清洗助焊剂残渣后，用电子游标卡尺多次在不同引脚上测量元件本体顶面至焊点的尺寸，减去先前所测元件的厚度，根据QFN器件引脚间距的不同，要求元器件焊点高度在0.1mm~0.13mm左右

第二步

在PCBA的QFN所对应的焊盘上助焊剂

第三步

贴装倒元器件，进行回流焊接，再用X-RAY对其焊接情况进行检测，确保焊接效果

写在最后

倒装焊元器件的返修是整个SMT焊接过程中操作性、工艺性要求较高的一个环节，这里介绍的一些返修工艺方法，是我们在生产实践中学习积累所得，学无止境，倒装焊元器件的返修可能还存在更好的方法，希望在未来我们能够找到更好的应对方法