毕业设计-bga返修台设计

毕业设计（论文）专业微电子技术班次10241班姓名蓝福平指导老师杨艳成都工业学院二0一三年BGA返修台设计摘要由于电子制造技术的飞速发展，电子产品越来越朝着短、小、轻、薄的方向发展。越来越多的高级集成度的封装元器件开始广泛的运用于电子制造中，其中以BGA最为广泛。与之相对应的PCB板的面积越来越小，但产品功能却越来越多，使得产品出现质量问题的几率大大增加。对于一些BAG，从其所在产品拆焊时也要用到BAG返修技术。虽然其他工具也具有拆、焊BAG的功能，但与BAG返修台相比较，其操作麻烦，不易掌握，最重要的是，有些BAG只有用BAG返修台才可以拆下。这些都给SMT工作人员提出了更大的挑战。BGA等的封装原件本身价格昂贵，很多公司不得不采取对高集成度原件的返修工作，从而更好的节约成本，提高产品质量。所以对维修人员来讲，熟练的掌握BAG返修台的工艺技术，以适应市场和人们对电子产品，修理组装的需要。关键词BGA；返修技术；BGA返修台；目录第1章绪论111返修的概述1111返修的定义1112返修的目的和意义112BGA封装的简介1121BGA封装的发展2122BGA封装的特点3123BGA封装的分类4124示例513BGA返修台的研究意义6131BGA返修台的国内外现状6132BGA返修台的研究意义6第2章BGA返修工艺技术821返修的工具及设备简介8211返修工具8212返修设备10213主要返修设备简介1122返修台的种类及优缺点1523BGA返修的工艺流程15231预热15232芯片的拆除16233清洁焊盘17234重植球1824BGA元件的安装20241BGA安装的方法和步骤20242有铅与无铅的兼容性问题2125BGA焊点的检测21251焊接缺陷21252缺陷的原因2226返修注意事项23261返修的常规要求23262返修限定条件24263返修准则24264返修限制24第3章简易BGA返修工作台及返修工具设计2531简易BGA返修工作台设计25311设计构想和思路25312操作流程2832植球器改进构想29结语30致谢31参考文献32附录33第1章绪论11返修的概述返修是电子组装的重要组成内容，印制电路组件装焊好后会遇到各种各样的问题比如电路板的质量问题、元器件的故障、焊接错误、焊点缺陷、电路调试更换等，这些都需要进行返修。而今天的的印制电路组装板比起以往越来越复杂，元器件的引脚间距越来越细，封装结构形式越来越多，引脚在底部的球栅阵列（BGA）器件、高价值组件的增多等，一旦损坏，无论是从经济的角度，还是从实际情况，往往需要修复和返工，这些都对当今返修技术提出了挑战。返修的过程是较为复杂而又是重要的操作过程，往往需要具有丰富经验和较高操作技能水平的人员，才能保证返修件的质量可靠，并且在一般情况下，需要返修的工件都是要求比较急的，因此还要求操作者在一定时间内保质保量地完成返修操作。111返修的定义什么是返工什么是修复什么是返修首先应搞清楚这样几个有着不同含义的问题。返工是电子装联工艺技术操作中的一种特殊形式，通过这一形式使生产线上原本不合格的产品，重新恢复产品的性能指标和图纸要求的一种操作。修复用一种符合适用图纸要求或满足技术规范的排除故障的方法，恢复有缺陷产品的功能的操作。返修对不满足要求的电子产品，包括市场故障、制造过程缺陷、器件升级更换等电子产品进行修复的一种过程。112返修的目的和意义BGA的返修，通常是为了去除失去功能、引线损坏或排列错误的元器件，重新更换新的元器件。或者说，就是使不合格的电路组件恢复成与特定要求相一致的合格的电路组件。返修和修理是两个不同的概念，修理是使损坏的电路组件在一定程度上恢复它的电气机械性能，而不一定与特定的要求相一致。为了满足电子设备更小。更轻和更便宜的要求，电子产品越来越多地采用精密组装微型元器件，如倒装芯片、CSP、BGA等。新型封装器件对装配工艺提出了更高的要求，对返修工艺的要求也在提高，因此，我们更加注意采用正确的返修技术、返修方法和返修工具。12BGA封装的简介在表面贴装技术中应用了几种球阵列封装技术，普遍使用的有塑料球栅阵列、陶瓷球栅阵列和陶瓷柱状阵列。由于这些封装的不同物理特性，加大了BGA的返修难度。在返修时，熟悉、了解和掌握这几种类型封装的结构和热能对元件的拆除和重贴的直接影响是必要的，这样不仅节省了时间和资金，而且还节约了元件，提高了板的质量及实现了快速的返修服务。121BGA封装的发展90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种球栅阵列封装，简称BGABALLGRIDARRAYPACKAGE。如图11所示。采用BGA技术封装的内存，如图12所示。可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高两到三倍，BGA与TSOP相比，具有更小的体积，更好的散热性能和电性能。BGA封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升，采用BGA封装技术的内存产品在相同容量下，体积只有TSOP封装的三分之一；另外，与传统TSOP封装方式相比，BGA封装方式有更加快速和有效的散热途径。BGA封装的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，BGA技术的优点是I/O引脚数虽然增加了，但引脚间距并没有减小反而增加了，从而提高了组装成品率；虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能；厚度和重量都较以前的封装技术有所减少；寄生参数电流大幅度变化时，引起输出电压扰动）减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性高。（A）球栅阵列封装（B）BGA表面（C）BGA背面（有锡球面）图11BGA封装图12BGA封装内存条122BGA封装的特点随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性，当IC的频率超过100MHZ时，传统封装方式可能会产生所谓的“CROSSTALK”现象，而且当IC的管脚数大于208PIN时，传统的封装方式有其困难度。因此，除使用QFP封装方式外，现今大多数的高脚数芯片（如图形芯片与芯片组等）皆转而使用BGABALLGRIDARRAYPACKAGE封装技术。BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择，其特点有1I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP从而提高了组装成品率，如图13所示图13BGA封装引脚间距增大2虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能3厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上4寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高5组装可用共面焊接，可靠性高6BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大INTEL公司对这种集成度很高单芯片里达300万只以上晶体管，功耗很大的CPU芯片，如PENTIUM、PENTIUMPRO、PENTIUM采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。123BGA封装的分类1塑封球栅阵列PBGA（PLASTICBGA）基板一般为24层有机材料构成的多层板。INTEL系列CPU中，PENTIUMII、III、IV处理器均采用这种封装形式。近二年又出现了另一种形式即把IC直接邦定在板子上，它的价格要比正规的价格便宜很多，一般用于对质量要求不严格的游戏等领域。（1）用途应用于消费及通信产品上（2）相关参数见表11表11PBGA封装参数焊球成份对应熔点温度时间S焊接峰值SN63PB371836090220225SN62PB36AG2179220225SN965AG3CU0521790120230235焊球间距127100806焊球直径076060403（3）PBGA优缺点1）缺点PBGA容易吸潮。要求开封的PBGA要求在8小时内使用。分析普通的PBGA容易吸收空气中的水分，在焊接时迅速升温，使芯片内的潮气汽化导致芯片损坏。拆封后的使用期限由芯片的敏感性等级所决定。使用期限见表12。表12PBGA芯片拆封后必须使用的期限敏感性等级放置环境条件使用期限1级3090RH无限制2级3060RH1年3级3060RH168H4级3060RH72H5级3060RH24H2）优点与环氧树脂PCB的热膨胀系数相匹配，热性能好。焊接表面平整，容易控制。成本低。电气性能良好。组装质量高。2CBGA（CERAMICBGA）基板即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（FLIPCHIP，简称FC）的安装方式。INTEL系列CPU中，PENTIUMI、II、PENTIUMPRO处理器均采用过这种封装形式。（1）特点通过低熔点焊料附着到陶瓷载体上，然后这种器材通过低熔点焊料连接到PCB上，不会发生再流现象。再流焊接峰值温度210225。（2）缺点与PCB的热膨胀系数不匹配，容易造成热疲劳失效、热可靠性差、成本高。（3）优点共面性好，易于焊接，对湿气不敏感存储时间长。3陶瓷柱栅阵列CCGA（CERAMICCLOUMNBGA）CCGA是CBGA在陶瓷尺寸大于32MM32MM时的另一种形式，和CBGA不同的是在陶瓷载体的下表面连接的不是焊球而是90PB/10SN的焊料柱，无铅化以后已改为ANAGCU，焊料柱可以是完全分布或部分分布。（1）优点及不足CCGA的优缺点同CBGA相似，它优于CBGA之处是他的焊料柱可以承受因PCB和陶瓷载体的CTE不同所产生的应力。不足之处是组装过程中焊料柱比焊球易受机械损伤。4载带球栅阵列TBGA（TAPEBGA）基板TBGA的载体是铜/聚酰亚胺/铜双金属带，载体的表面分布有信号传输用的铜导线，而另一面则作为地层使用。芯片与载体之间的连接可以采用倒装片技术来实现，当芯片与载体的连接完成后，对芯片进行包封以防止受到机械损伤。（1）优点与不足优点是比其他大多数BGA封装类型更轻更小（尤其是I/O数较高的封装）；具有比PQFP和PBGA封装更优越的电性能；组装后对焊点的可靠影响不大。124示例TINYBGA封装内存说到BGA封装就不能不提KINGMAX公司的专利TINYBGA技术，TINYBGA英文全称为TINYBALLGRIDARRAY（小型球栅阵列封装），属于是BGA封装技术的一个分支。是KINGMAX公司于1998年8月开发成功的，其芯片面积与封装面积之比不小于1114，可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高23倍，与TSOP封装产品相比，其具有更小的体积、更好的散热性能和电性能。如图14所示。采用TINYBGA封装技术的内存产品在相同容量情况下体积只有TSOP封装的1/3。TSOP封装内存的引脚是由芯片四周引出的，而TINYBGA则是由芯片中心方向引出。这种方式有效地缩短了信号的传导距离，信号传输线的长度仅是传统的TSOP技术的1/4，因此信号的衰减也随之减少。这样不仅大幅提升了芯片的抗干扰、抗噪性能，而且提高了电性能。采用TINYBGA封装芯片可抗高达300MHZ的外频，而采用传统TSOP封装技术最高只可抗150MHZ的外频。图14采用TINYBGA封装的内存条TINYBGA封装的内存其厚度也更薄（封装高度小于08MM），从金属基板到散热体的有效散热路径仅有036MM。因此，TINYBGA内存拥有更高的热传导效率，非常适用于长时间运行的系统，稳定性极佳。13BGA返修台的研究意义131BGA返修台的国内外现状技术进入年代以来，走向了成熟的阶段，但随着电子产品向便携式小型化、网络化和多媒体化方向的迅速发展，对电子组装技术提出了更高的要求，新的高密度组装技术不断涌现，其中BGA（BALLGRIDARRAY球栅阵列封装就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。BGA是这几年最流行的封装形式。它的出现可以大大提高芯片的集成度和可制造性。由于我国在BGA焊接技术方面起步较晚，国内能制造BGA返修工作站的厂家也不多，因此，BGA返修工作站在国内比较少，尤其是在西部。有着光学对位，XRAY功能的BGA返修站就更为少见。132简易BGA返修台的研究意义由于电子制造技术的飞速发展，电子产品越来越朝着短、小、轻、薄的方向发展。越来越多的高级集成度的封装元器件开始广泛的运用于电子制造中，其中以BGA最为广泛。与之相对应的PCB板的面积越来越小，但产品功能却越来越多，使得产品出现质量问题的几率大大增加。对于一些BAG，从其所在产品拆焊时也要用到BAG返修技术。虽然其他工具也具有拆、焊BAG的功能，但与BAG返修台相比较，其操作麻烦，不易掌握，最重要的是，有些BAG只有用BAG返修台才可以拆下。这些都给SMT工作人员提出了更大的挑战。BGA等的封装原件本身价格昂贵，很多公司不得不采取对高集成度原件的返修工作，从而更好的节约成本，提高产品质量。所以对维修人员来讲，熟练的掌握BAG返修台的工艺技术，以适应市场和人们对电子产品，修理组装的需要。但是，如今的返修工作台多出现于生产维修产线上，这些设备一般是大型化、自动化、多功能化。因此价格都非常的昂贵，对于学校的实验室而言，我们需要的仅仅是简易的返修工作台，能够提供实验操作演练及实验步骤的熟悉的设备即可。显然这种大型的、价格昂贵的设备对于学校实验室是不适用的。本文除了介绍BGA返修的工艺流程外，还将介绍一种适用于学校实验室的简易BGA返修台设计构想，这种简易工作台能够对一些BGA元件进行简单的返修操作。第2章BGA返修工艺技术返修是电子组装的重要组成内容，印制电路组件装焊好后会遇到各种各样的问题比如电路板的质量问题、元器件的故障、焊接错误、焊点缺陷、电路调试更换等，这些都需要进行返修。而今天的印制电路组装板比起以往越来越复杂，元器件的引脚间距越来越细，封装结构形式越来越多，引脚在底部的球栅阵列（BGA）器件、高价值组件的增多等，一旦损坏，无论是从经济的角度，还是从实际情况，往往需要修复和返工，这些都对当今返修技术提出了挑战。返修的过程是较为复杂而又是重要的操作过程，往往需要具有丰富经验和较高操作技能水平的人员，才能保证返修件的质量可靠，并且在一般情况下，需要返修的工件都是要求比较急的，因此还要求操作者在一定时间内保质保量地完成返修操作。21返修的工具及设备简介211返修工具我们将要讨论各种返修操作期间要用到的不同的加热系统。用于表面返修的有两种加热系统传导型和对流型。传导加热是指热的直接传递，这种系统中热从一个物体借助于接触物体传到另一个物体上。传导加热工具又分为两种，持续式加热装置（例如典型的手工焊接烙铁）如图21所示，和脉冲型加热装置如图22所示。以脉动的方式有规则的将热量传递到烙铁头，使其逐渐加热。图21手工焊接烙铁图22脉冲型加热装置让我们从最基本最简单的持续性焊接工具，手工焊接烙铁开始，手工焊接烙铁有些事凿型头，有些是锥型头，如图23所示。常用于纯锡焊接某种类型的表面安装焊点。图23手工烙铁的凿型头和锥型头烙铁头的状况也是一个很重要的因素，当一个持续加热工具一直放在不用，热会使金属头迅速氧化，氧化物会阻止热量从烙铁头传递到被焊零件，这样会使焊接速度降低，焊接时总是要尽可能的快进快出，如图24是烙铁头的氧化过程示意图。为了防止这个问题，要永远记住在烙铁头上倒置一层新的焊料覆盖，这也叫做给烙铁头上锡。多数先进的烙铁都具有可调节的温度控制能力，烙铁头的首选温度将根据操作员的技能水平和具体的应用而有所不同。而今，某些先进的烙铁能在大约300左右较低的温度下快速而高效的工作，并将选定的温度保持在55的范围内。烙铁头温度越低焊接越安全，控制越容易，并且能减少烙铁头上的氧化速度。烙铁头的尺寸和形状也能控制温度传递到焊点的速度。尺寸较大的烙铁头具有较大的接触面积，热的传递要比较小的烙铁头来得快。能快速的传递热是持续性加热装置的优点之一，尤其是在拆除大尺寸的表面安装元件时。而当我们要拆除多引脚元件时，理想的方法是同时回流所有的引脚。当所有的焊点处于液态我们拿走元件时，便不会被任何未熔化的连接点拉住。图24烙铁头的氧化过程第二种持续性加热装置采用真空吸取元件，当然也是在所有焊点都处于液态的前提下。真空的启动和停止由操作员控制，可很容易的取下较大和较重的元件。第三种持续性加热工具称为热钳。系统结构是两把焊接烙铁通过相应连接组成，加热头有不同的尺寸和形状，适用于两边和四边器件的拆除，如图25所示。焊料溶化后操作员可以稍加用力将元件夹住提起离开板子。（A）四边（B）两边图25热钳第二大类是对流型加热，或非接触式加热。是另一种用于表面安装焊接和拆焊的加热工具。热空气和惰性氮气是主要的对流气体，对流加热最适合用于锡膏，缓慢的加热为锡膏提供了一个适当的升温梯度，这正是使熔剂保留在锡膏内不要蒸发太快或锡球四处飞溅所需要的。对流加热系统有两种基本形式，第一类是手持式的对流工具（热风笔），气流量可控，温度可以设定。通常用于将元件焊接返回到板子上。有时也可用来拆除板子上小尺寸的片式元件。各种不同尺寸的喷嘴和气流量控制可用来控制热风，集中于某个理想的区域，以避免加热到相邻的焊点，如图26所示。图26不同尺寸的喷嘴第二类独立操作的返修工作台，具有可编程控制时间和温度设置的功能。返修工作台使用专门设置的喷嘴，使气流相对集中在某个特定尺寸和类型的元件。这有助于减少对周围不需要加热的元件和焊点的影响。返修工作台还有一个优点，可同时熔化和回流所有焊点。212返修设备1在印制电路组装件返修中常会用到以下几种小型设备（1）返修用锡锅；（2）返修操作中最离不开的工具吸锡枪（吸锡烙铁）；（3）手动吸锡器；（4）带有各式小型波峰喷嘴的返修用小型波峰炉；（5）维修支架或各类夹具；（6）其他辅助拆除工具。2大型设备（1）SMD返修系统；（2）热风对流焊接返修台，加上各种配套热风喷嘴；（3）各种型号的返修工作台（站），包括各种专用拆除头；（4）BGA专用维修工作站等。213主要返修设备简介1吸锡枪除简单的23个引脚插装件可使用电烙铁进行解焊外，一般多引脚的插装件都需要使用吸锡枪进行返修，它是返修操作中最离不开的一种基本返修工具。吸锡枪的热效率高、吸力强劲，一般吸锡03S后压力可达67104PA。其外部件均由防静电材料构成，以避免电子零件及印制电路板因静电受损。吸嘴直径可更换，其直径系列可在0816MM之间。吸锡枪的规格型号目前有很多种类，从简单到复杂的都有，可根据产品结构情况、常用元器件封装情况进行选购，如图27为不同规格的型号的吸锡枪。同一吸锡枪可更换使用不同的吸锡枪头，如图28所示。（A）（B）图27不同规格型号的吸锡枪图28可更换的吸锡枪头型号1吸锡枪的正确使用使用时，打开电源后约30S升温完毕。吸锡时将选定的吸嘴贴住焊盘，待焊盘上的焊锡烙化后，进行吸锡操作，吸锡时吸嘴绕引脚转动一下，这样可以保证引脚焊锡完全吸尽。操作中要注意吸嘴不可以长时间紧贴印制电路板焊盘，以免高温烫坏焊盘。2吸锡枪的维护要求吸锡枪内的焊渣要定时清除，并用捅针清洁管道口，吸锡枪配置的海绵应该注意随时保持清洁。管筒要旋紧后才可以加热使用；吸锡枪加热后长时间不使用要及时关闭，不可干烧。对喷了三防漆的印制电路板，必须先加一些焊料后再吸锡，以免堵塞吸嘴。对吸锡枪的使用应建立规范的操作制度，还要定期进行保养，才能保证其良好的功能和长寿使用。2锡锅返修时，有事只需要求保留元器件，有事对所拆换元器件的引脚直径过大，用吸锡枪无法返修时，常常需要使用锡锅进行返修。锡锅有一个锡槽，有温度控制按钮，温度应设在230250,温度可调，其外形结构如图29所示。返修时将器件引脚侵入熔化的焊锡中，待器件引脚上的焊锡熔化后使用镊子将器件拔出。（A）（B）图29可调温小型锡锅注意对接地引脚或吸热量大的引脚在返修前应加涂助焊剂。操作过程中需戴手套，以防止被熔化的焊锡烫伤。锡锅有大有小，可根据产品的结构需要、产量的大小在市面上进行购置。如果需保留印制电路板，可在返修时对引脚以外的印制线、阻焊膜部分贴上高温胶带进行保护，然后将需要拆除的器件引脚侵入锡锅，待所有焊点熔化后迅速拔出器件，最后清理残锡，清洁一直电路板及焊盘。3小波峰炉全能电焊系统小波峰炉的特点是为批量的插装件返修用，它有一个小锡锅，当里面的焊锡熔化后，使用电动泵将锡打起，形成波峰，熔化的波峰奖期间的引脚整体解焊，再用镊子将器件拔出。这种小波峰炉是一个全能解焊系统，既可返修也可焊接和搪锡，温度可调。非常适合于返修插装集成块、矩形插座、圆形插座及具有小批量、多品种电子产品的单位使用。锡锅内的焊锡流是可以调节高低、大小的，它有一个对中系统，其光源可以用来找准需要返修的集成电路块在PCB上的位置。大量返修时可开启自动档，锡流在脚踏开关接通后再设定返修的起止时间。小型波峰炉的外观结构如图210所示。图210小型波峰炉的外观结构小波峰炉的正确使用使用时打开电源开关后，约45MIN锡锅的焊锡完全融化，此时左侧（LOW）提示灯跳至中间，如果温度过高，会跳至右侧（HI）；使用时要调整锡波高度，保持适当，过低无法取下集成电路块或需要返修的器件，过高焊锡流会从焊孔漫至板子。返修时对PCB上有大面积接地区域或吸热量打的印制电路板，在返修钱应另外加涂一下助焊剂在需要返修的部位，这样可以提高锡流动的时间和锡流动的均匀性，缩短返修时间。4返修工作站/台早期的返修工作台，配有镊子式返修烙铁、吸锡头、普通电烙铁等工具，可对插装、贴装与器件进行返修。但由于吸锡头使用过程中手持部分发热，影响操作，而镊子式返修烙铁的优势不明显，其使用率较低，在插装、贴装件返修工具分开独立使用后，一些返修工作台逐渐被SMD返修系统取代。但是，就目前而言，PCB上通孔插装元器件和表面贴装元器件共存的情况比较多，因此它们也会存在相当长一段时期。近几年问世的返修工作站都在原来的简单返修的基础上，针对以上情况进行了很大的改进。比如迈腾科技公司研制的“通孔元器件喷流焊和返修工作站”，能安全的拆除通孔元器件，可靠地局部喷流焊接通孔元器件，焊接和返修都可完成。并有双喷口，根据需要可以一次同时拆除和焊接两个分别在印制电路组件板上不同位置的元器件。在返修元器件是，同时设置有吹气装置，还要用吸锡枪清除残锡，极大地方便了返修操作。其实，如今还有很多这样新型的返修工作站，可以供电子装联界人员选购。5SMD返修系统表面贴装元器件的返修型号系统种类较多，加热源有热风、红外线等方式。一般来说，这些设备给都有对位、焊接等返修的功能。不管什么型号规格的返修系统，对于不同的SMD元器件，都需要配有不同的、与元器件外观结构相应的加热罩，或者编制软件程序来控制SMD元器件的加热所需尺寸。（1）返修用加热罩和软件控制的优缺点使用加热罩不易使更多热量散失，这样对返修件周围的元器件影响较小，但加热罩尺寸是固定的，当电子产品品种较多时（或元器件品种较多时），需要配有足够规格才能满足多种返修器件的需要。如果不用加热罩使用软件程序来控制需要加热的返修尺寸，它能提供很多种类的加工尺寸，这样就不需要配置多种型号规格的加热罩，但加热时其热量散失较多，对周围元器件会造成一定影响。对这种情况，可针对具体返修部位的空间情况采取隔热处理。一般使用锡箔纸切割成需返修元器件的外形尺寸，罩在器件上面，这样可减小热量散失的影响。返修系统可对各种SMD件包括SQIC、QFP、PLCC、QFN、BGA、CSP等进行解焊，这些系统上带有45个热电偶，可对解焊点的温度进行监测。对于一些大体积、吸热量大的器件（如BGA、QFN等），在成功地拆除后，应将设定的温度曲线进行保存，在下一次返修同类器件时调出来使用或参考。用这种方法档返修的元器件较多时，可提高返修效率，也可减少返修时带来的风险。（2）返修系统设备使用的注意点返修系统一般设有底部加热源，底部加热对于元器件的返修至关重要，对于没有设置底部加热源的返修设备，需要增加预热台进行底部加热。有底部加热源的设备要合理设置加热方式和温度，保证返修过程的有效、可靠、快速。22返修台的种类及优缺点返修台一般由底座、加热器（上下两部分）、PCB板固定支架、器件拾取装置、PC显示等组成。返修台可以按加热方式、发热体数量分类。按加热方式分类可分为红外线、热风、红外线和热风三类。按发热体数量分类可分为单一发热体、两部份加热、三部份加热。热风加热方式的优点对周围元件影响较小（设计合理时），降温过程可控。热风加热方式的缺点可返修元件种类较少，后续使用需不断购买治具（成本高），加热器需定期校准，元件温差较大（做无铅时工艺参数不好设定）。红外线加热方式的优点可返修元器件范围广（通孔元件，连接器等），后续使用成本低（不需加热罩等治具），加热器基本不需校准，元件温度较一致，置球质量高。红外线加热方式的缺点红外加热对元件表面颜色较敏感且对周围元件有温度影响，不能实现氮气保护下返修降温过程工艺不好控制。23BGA返修的工艺流程BGA的返修，通常是为了去除失去功能、引线损坏或排列错误的元器件，重新更换新的元器件。或者说，就是使不合格的电路组件恢复成与特定要求相一致的合格的组件。返修工艺要求技术优秀的操作人员和良好的工具紧密配合，返修时必须小心谨慎，其基本的原则是不能使电路板、元器件过热，否则极易造成电路板的电镀通孔、元件和焊盘的损伤。下面介绍BGA返修工艺的流程。231预热1预热的定义和目的预热是将整个组件加热到低于焊料的熔点和再流焊的温度。预热一般采取的是底部加热的方法来完成，有效的底部加热会减少从返修元器件到板子变异的热梯度。导致很少的热应力，并且板子在整个过程中会保持平整。芯片预热的主要目的是去除元器件内的潮气。当然，也可以采取烘烤箱来对PCB线路板来进行烘烤，以出去元件里面的潮气。如果电路板和芯片里面的潮气很小，这一步则可以免除。预热完成之后接下来我们将要做的，也是最重要的步骤就是拆除芯片或元器件。232芯片的拆除1芯片拆除的操作步骤BGA的返修步骤与传统的SMD的返修拆焊基本相同，所不同的是BGA的返修采取的是专用的热风式BGA返修台。主要的操作为首先将需要拆卸BGA的表面组装板安放在返修系统的工作台上。注意，在线路板的底部垫上一个支撑架，以保持PCB板的平稳。这种方式对于高密度的双面电路板尤其起作用。接着，选着与器件尺寸相匹配的四方形热风喷嘴，并将热风喷嘴安装在上加热器的连接杆上，要注意安装平稳，方向保持方正，不要偏歪。完成之后，我们将热风喷嘴扣在器件上，要注意器件四周的距离均匀，如果器件周围有影响热风喷嘴操作的元件，应先将这些器件拆卸，待返修完毕再焊上，将其复位。在安装好了热风喷嘴之后，由于我们想要看到拆卸BGA所需要的温度变化过程，需要将测温线小心的插入BGA的下部，用手按住使其固定在BGA器件的边角上，然后用胶布将其粘住，防止移动。如果需要查看PCB板底部的温度变化，也可在PCB板的底部插入测温线。这样我们就可以趁清楚的看到整个的温度变化过程。在安装完了测温线之后，需要选择适合拆卸器件的吸嘴。一般来说较大的BGA元件需要选择较大的吸嘴才能吸住，选择完成之后，调节吸取器件的真空、覆压吸管装置高度，将吸盘接触器件的底面，打开真空泵开关。吸盘安装完成之后，就要设置合适的拆卸温度曲线，这是整个拆卸过程中最关键的步骤，设置合理的拆卸温度曲线对拆焊的效果非常重要。2拆卸温度曲线设置下面是有铅无铅焊接的温度时间对照表。一般情况下无铅焊接的温度曲线一般分为5个区域，详情见表21。表21有铅/无铅焊接温度曲线参数ZONETINLEADLEADFREETEMPTIMETEMPTIMEPREHEAT100C120C6090S130C140C100SSOAK160C170C90S140C170C90SREMPNONE170C225C100SREFLOWMAX220C60S225C235C1530SFLATZONECONTROLOVERSHOOTCOOL60C3060S60C3060S首先是预热区，有铅焊接的预热温度为100120，加热时间为6090S。而无铅焊接的预热温度为130140，加热时间为100S，这是由于无铅元件需要更多的热量所造成的。预热的主要功能是使器件与整个PCB板均匀加热，才能防止PCB板翘起等不良情况的发生。其次是饱和区，有铅焊接的饱和区的温度为160170，时间为90S，而无铅焊接的饱和区温度为140170，时间为90S。接着是温度加速区，无铅焊接的温度加速区从200升温至225，再流焊接温度时间长度为60S90S。而有铅的这一区域应当不区分。再次是再流区，无铅焊接的再流焊接区的温度一般为225235，再流焊接时间一般为1530S，而有铅焊接再流焊接区的温度一般低于220，时间则为60S。但BGA的拆焊与正常的焊接曲线略有不同，那是因为BGA元件较大，需要更多的热容。需要越高的温度与较多的时间才能生成良好的焊接。最后是冷却区，冷却区的温度与时间设置基本相同，都是60，时间为30S60S。但BGA的拆焊要注意必须根据器件的尺寸，PCB的厚度等具体情况来设置拆卸温度曲线。一般情况下，BGA的器件供应商会提供一条推荐的温度曲线，通常情况下，BGA的拆卸温度与传统的SMD相比要高15左右，无铅BGA的拆焊一般会选240为峰值温度。而有铅BGA的焊接一般会选取220作为峰值温度。同时CSP、QFN元件的拆卸温度通常要比BGA的拆卸温度低一些，所用的时间要短一些。设置温度曲线之后，接着打开加热电源，调整热风量。拆卸时，一般可将风量调到最大，按下拆焊按钮进行持续加热，当焊锡完全熔化时，器件被真空吸管吸取，使器件与焊盘分离。此时我们可以仔细的观察一下PCB焊盘与BGA器件的底部，可以看到焊锡正处于熔化的状态，并有少许助焊剂挥发产生的烟雾，表明BGA器件已成功拆除。此时千万不要急于取下BGA元件，因为此时的BGA器件处于高温的状态下，仍处于冷却的过程中，此时强行取出会损坏BGA元件，甚至会烫伤你的手。待冷却完毕后，向上抬起热风喷嘴，关闭真空泵开关接住被拆卸的器件。233清洁焊盘1焊盘清洁的目的当需要返修的器件从PCB板上被拆除下来后，接下来我们就需要去除PCB焊盘上的残留的焊锡，并清洗这一区域。为了保证BGA的焊接可靠性，一般不能使用焊盘上残留的久的焊锡膏，必须将焊盘上久的焊锡膏去除掉。2焊盘清洁的方法和步骤一般情况下，我们可以用烙铁将PCB焊盘上拆焊残留的焊锡清理干净、平整。可采用拆焊编织带和扁铲形或刀形的接触面积大的烙铁头相结合来进行清理。必须小心的保持吸锡带在烙铁嘴与PCB板之间，操作时注意不要过分用力，以免损坏焊盘和阻焊膜，这样久的焊锡可以迅速去掉。残留的焊锡清理干净之后，我们需要对焊盘区域进行清洗，一般可以用异丙醇或乙醇等清洗剂将助焊剂残留物清洗干净。清洗焊盘目的主要是将拆除芯片后留在PCB板表面上的助焊剂、焊锡膏清理掉。清洁时必须使用符合要求的清洗剂。同时由于有些BGA芯片的体积小，特别是CSP芯片体积更小，清洁焊盘比较困难，所以在返修CSP芯片时，如果CSP芯片的周围空间很小就需使用免清洗焊剂。对于QFN元件的拆焊，因焊接点完全处在元件封装的底部，桥接、开路、锡球的任何缺陷都需要将元件移开。因此，与BGA的拆焊基本上有些相似，但由于QFN体积小，重量轻，且它们又是被使用在高密度的装配板上，使得返修的难度又大于BGA，返修时可以采用先拆除周围对热风喷嘴有影响的元件，因此现将QFN的元件拆卸，待返修完毕再焊接上将其复位。所以各企业在返修操作过程中的方法各异，大体上可以分为三种。第一种是凭借熟练操作工人把芯片取下，先用吸锡带把PCB焊盘上的锡和QFN芯片上的锡吸掉后用烙铁滚吸，再把芯片放置到PCB上用热风枪加热进行维修。第二种是先把PCB焊盘上的锡和QFN芯片上的锡吸掉后再PCB焊盘上直接点锡膏后，用热风枪加热直接进行返修。第三种是吸锡后再利用弯板把锡膏直接印在QFN焊盘上后，用热风枪加热进行返修。由此可见返修工艺也是一件和严谨的工作，整个过程需要操作人员非常熟练，而且各种返修设备也非常重要。只有当这些都具备后，我们才能从容面对QFN的返修工作。234重植球1重植球的原因由于BGA元件价格比较昂贵，所以一般情况下经过拆卸的BGA器件可以重复使用。但由于拆卸后BGA底部的焊球被不同程度的破坏，因此必须进行植球处理后才能重新使用。2重植球的方式根据植球的工具盒材料的不同，其执行的方法也有所不同，一般可执行两种方式来完成。第一种是在BGA的底部焊盘上印刷锡膏再回流成球。第二种是在BGA的底部焊盘上直接粘接锡球。不过不管采用什么方法，其工艺过程是相同的。首先我们来对比较可靠实用的BGA焊盘上粘接锡球方法进行介绍。3重植球的准备工作在植球之前，以及几部的准备工作都是必须先做的。（1）在植球之前需要先清除BGA焊盘上的焊锡残留。BGA元件上的焊盘需要为重新安装锡球做准备，残留焊锡和锡膏用吸锡带清除，扁平型或刀型的落体头可更有效的去除残留物，在焊盘上一行一行的清除。清洗BGA焊盘要采用优质的吸锡带，主要是防止BGA焊盘被拉伤。要使用扁平型或刀型的烙铁头使加热范围更宽，更有利于吸锡带的工作。同时吸锡带必须小心的保持在烙铁嘴与板之间。这样久的焊锡就可以去除。去除久锡还有另外一种比较先进的方法，采用目前市场上比较先进的一种设备，它能快速有效的去除久的焊锡，我们把它称为全自动除锡风刀。它是通过高速的热风将BGA器件残留的锡利用高温风与风速瞬间清除而无需吸锡带，时间更快，几乎不会对焊盘造成损伤，成本较低，效果更好。去锡完成之后，元件上的助焊剂残留液也应该清除。必须用可兼容的溶剂来清除，使BGA焊盘区域保持清洁，否则影响焊接质量。（2）是在BGA底部焊盘上涂敷助焊剂或印刷焊膏。涂敷助焊剂时最好能用低涂器来对助剂膏来进行低涂，如果没有也可采取小型的毛刷子来进行涂敷。一般情况要选择高粘度的助焊剂，以起到粘接和助焊作用。涂敷时尽量少的涂敷助焊剂只要助焊剂能覆盖焊盘，保证涂敷后助焊剂图形清晰，不漫流。因为过多的助焊剂会带来其它的可靠性问题，如腐蚀、短路等。有时也可采用焊膏代替，但采用焊膏时，焊膏的金属成分应与焊球的金属成分相匹配。无铅BGA器件焊球的金属成分目前比较常用的是锡银铜，其熔点为217，有铅的BGA器件焊球的金属成分一般是锡铅63/37。印刷时采用BGA专用小模板，模板厚度与开口尺寸要根据球径和球距决定，印刷完毕必须检查印刷质量，若不合格必须清洗后重新印刷。（3）选择焊球。选择焊球时要考虑焊球的材料和球径的尺寸，目前无铅BGA焊球的焊膏材料比较常用的是锡银铜，有铅的一般是锡铅63/37。与目前再流焊使用的材料是一致的，因此必须选择与BGA器件焊接相一致的焊球。焊球尺寸的选择也和重要，如果使用高粘度助焊剂应选择与BGA器件焊球相同直径的焊球；如果使用焊膏应选择比BGA器件焊球直径小一些的焊球。目前比较常用的无铅焊球为076MM的锡银铜焊球。清除了BGA器件残留的焊锡印上锡膏或助焊剂之后，我们可以开始对BGA进行重植球。4植球的方法植球的方法有很多种，下面介绍几种常用的方法。方法一采用植球器来对BGA进行重植球，这也是目前比较常用的植球方法。用植球器对BGA进行植球，（1）需要选择一块与BGA焊盘相匹配的模板。模板的开口尺寸应比焊球直径大005MM01MM，这样可以使焊球顺利的落入到BGA的第一个焊盘上，而不至于卡主或者重叠。（2）确定好模板之后，把BGA元件放置到植球器的中模进行准确定位。（3）然后盖上上模使之固定。完成之后倒入足够多的焊球，并将焊球均匀的撒在模板上，摇晃植球器，把多余的锡球滚到植球器的锡球收集槽中，使模板表面恰好每个孔中有一个焊球。如果有多余的锡球夹在模板中，可用镊子等轻轻的拔出，将多余的锡球倒入锡球盒中。确定锡球填满之后，拧开上模螺丝取下上模，接着轻轻的取走模板然后小心的取下BGA器件，将其小心的放置在小型的焊接台上或者小型的回流炉中。对于有铅BGA的植球，因为其熔点为187，所以温度一般可设定在210左右，时间设为70S；而对于无铅BGA的植球来说温度一般可设定在235左右，时间设为100S左右之后进行焊接。焊接完成之后，检查BGA器件每个焊盘上有无缺少焊球的现象，如果缺少可以用镊子补齐焊球。方法二是在没有模板等植球器工具的情况下，我们也可以采取手工贴装焊料球的方法。首先把印好助焊剂或焊膏的BGA器件放置在工作台上，助焊剂或焊膏面向上，接着如同贴片一样，用镊子或锡笔将焊球逐个贴放到印好助焊剂或焊膏的BGA焊盘上。但此种方法会比较费时而且精度不是很高。方法三是直接通过印刷适量的焊膏，通过再流焊形成焊球，以完成前述工作之后将BGA固定起来，在加工模板时，将模板厚度加厚并略放大模板的开口尺寸，然后用刮刀或刮片再搅拌锡膏之后将锡膏放置在模板上，在模板上来回反复的印刷锡膏，直至足够多的锡膏覆盖焊盘，使焊膏直接印刷在BGA的底部焊盘上。完成之后用镊子轻取BGA器件放置在焊接台或者是小型回流炉中进行再流焊。以上所有方法，不管采取哪种方法对BGA进行重植球，重新植球之后我们可以把重新植球之后的BGA器件拿到放大镜或者显微镜下进行检验是否有缺少焊球或偏位的情况。同时我们可把无铅的BGA焊料与有铅的BGA的焊球进行比较。我们会发现无铅BGA的焊料会比有铅BGA的焊料要灰暗与粗糙一些，如图211所示。图211有铅/无铅BGA焊料比较在做完所有工作之后一定要记得将BGA器件清洗干净，以除去残留物，并尽快进行贴装和焊接，以防焊球氧化和器件受损。24BGA元件的安装重植球完毕之后我们需要把元件重新安装回PCB板上完成返修工作。无铅BGA的贴装与有铅的贴装工艺基本一致。下面我们分步骤介绍基本的过程。241BGA安装的方法和步骤第一步去潮处理。由于PBGA对潮气敏感，因此在组装之前我们需要检查器件是否受潮。对受潮的器件进行去潮处理，特别是拆封后很久没用的器件。去潮的方法可采用电热鼓风干燥箱，在125左右的温度下烘烤1220小时。第二步贴装BGA。BGA器件的贴装基本操作步骤如下。首先将印好锡膏的表面组装板安放在返修系统的工作台上，由于BGA的焊点在器件底部是看不见的，因此重新焊接BGA时要求返修系统有封观视觉系统，以保证贴装BGA时精确对中。然后选择适当的吸嘴打开真空泵，将BGA器件吸起来，用摄像机顶部光源照PCB上印好锡膏的BGA焊盘，调节焦距使监视器显示的图像最清晰。然后拉出BGA专用的反射光源，照BGA器件底部使器件图像更清晰。调整工作台的X、Y、Z方向旋钮，使BGA器件的底部图像与PCB焊盘图像完全重合。大尺寸的BGA器件可采用逆向功能。在确定BGA器件底部图像与PCB焊盘图像完全重合后将吸嘴向下移动，把BGA器件贴装在PCB上，然后关闭真空泵。第三步再流焊接。再流焊接过程中最重要的一步是设置好焊接温度曲线。芯片返修回流焊的曲线应该与芯片的原始焊接曲线相接近。热风回流焊可分为5个区域，温度和时间均可分别设置。详情见表21有铅/无铅焊接温度曲线参数。242有铅与无铅的兼容性问题1有铅锡膏无铅BGA芯片。这时的再流焊接温度一般应设为205，因为在这个温度下锡膏完全熔化，但BGA器件没有熔化，也可以形成一个有效的连接。2无铅BGA芯片与有铅BGA芯片。这时的再流焊接温度应一般设为220225，从而形成可靠的焊接连接。因为再流焊接如设为210，锡银铜的焊球则没有完成熔化，在形成的焊点的电导通但是焊膏没有完全熔化电路板变形，密集产生焊点脱焊焊盘。这是BGA返修设置温度曲线时需要注意的问题。设置完合适的温度曲线之后，我们选择与器件尺寸相匹配的四方形热风喷嘴，并将热风喷嘴安装在加热器的连接杆上，要注意安装平稳。然后将热风喷嘴扣在BGA器件上，要注意器件四周的距离均匀。打开加热电源调整热风量，开始焊接。焊接时一般将风量开到最大。在再流焊接过程中我们可以清楚的看到焊球熔融的过程。焊接完成后向上抬起热风喷嘴，取下表面组装板。25BGA焊点的检测251焊接缺陷由于BGA的焊点在器件的底部，所以很难像其它表面贴装元件一样直接看到其焊接的效果。所以BGA的焊接质量检验需要X光或超声波检测设备。我们把焊好后的PCB板放入X光检测设备或电子显微镜中，检测会发现BGA焊点与其它表面贴装元件一样，主要存在以下缺陷，包括少焊球、锡球，空洞，锡裂，翘曲，焊点扭曲，焊球塌陷不良，桥接等，如图212所示。（A）锡裂（B）少锡球（C）翘曲（D）小锡球（E）桥接（F）焊球塌陷不良图212焊接缺陷252缺陷的原因在焊盘设计合理的情况下，再流焊后BGA底部与PCB之间的距离比焊前塌陷1/51/3属于正常。如果焊球塌陷太少则说明温度不够，容易发生虚焊和冷焊；如果焊球塌陷太大，说明温度过高，容易发生桥接。尽管上述种种情况中有些是永远不可接受的，但其中很多情况在不同程度上还是可以允许的这主要取决于它们在哪类产品中。如飞机和医疗等电子产品必须是可靠地，但我们可以允许便携式的微小计算器的外观瑕疵，只要可以工作就行。锡裂由于焊接过程中器件的移动所造成；空洞由于焊接过程中升温太快所造成；翘曲由于器件四周受热不均所造成；桥接由于焊接过程中锡膏过多或植球过程中锡球偏移焊盘所造成；少焊球由于返修过程锡球缺少造成的；小锡球由于焊料过多所造成；焊球塌陷不良主要是焊接温度不够，与焊膏量和焊盘大小有关；26返修注意事项261返修的常规要求1返修工艺总要求在返修过程中，无论是拆卸还是焊接，采用手工电烙铁时，每个焊接端子、元器件引脚、每根导线的平均处理时间应控制在23S内。采用热风返修设备时，在返修时要求焊点的升温速率要小于30/S，返修时焊点峰值温度要小于235，整个返修过程应控制在60S80S之间。2返修工艺的常规要求印制电路组件板的返修时限于单面、双面和多层板的修复或者改装。没有组装的裸板是不属于返修范围的，组装后的印制电路组件板的不允许进行校平修复的。以为板面上有许多已安装焊接好的元器件，对其进行校平修复会造成焊点开裂的危险，因此，这种做法在返修工作中是绝对禁止的。印制电路组件板在返修前应以技术文件为依据，并且应该编制相应的工艺文件，不要认为这不是常规工艺任务，不用另外编制工艺卡了。从调试人员、电路设计人员、生产线、列、行试验中等需要返修的电路板，一定不能拿来就进行返修操作。在QJ2940标准、IPC7711、IPC7721标准中对此问题也是这样要求的。在印制电路组件板的返修工作中，有事会对某种故障特征或故障器件作问题机理分析，对有这种要求的返修工作，返修前应看清故障的特征（有条件的可以取照），针对故障现象技术人员对问题应大概有个基本分析与把握，然后再让操作人员小心地从组装板上取下故障元器件，这时就可以验证对故障问题的分析了。拆除下来的故障元器件应保持原样，封装在纸袋内，并注明需要标注的内容（如拆除时现象；或作现场质量分析之用；或送专门分析验证处之用等），作为质量可追溯性检查、存档。在返修操作中最好没有到工序完成后，都进行检验后再继续下面的操作，因为返修操作常常会造成相关影响，这样做能确保返修组装件的最终整体质量。3返修工艺的基本要求1元器件拆除元器件拆除的目标是快速、一致、无损。如果需要，应对组件或元器件做预热或辅助加热，避免热冲击。快速、可控、均匀提供热量，力求所有焊点同时熔化。应避免对元器件、组件、相邻元器件和它们的焊点造成热和机械