bga返修再流焊曲线的研究

2020-09-04 14:33:24 Tony 108

概述

例 1

本文是来讨论如何成功在 BGA  J4P 芯片返工过程中进行回流曲线参数的设定。



图片关键词在生产和返工过程中的电路板回流参数







 

图片关键词



如果我们在考虑在生产中进行印刷线路板回流曲线参数设置时,通常关心的是要在所有被焊的焊点得到尽可能小并且恒定的温差DT。达到这一点一般是通过对PJB 稳定的顶部和底部加热和多温区温度控制的回流焊炉完成。回流焊炉的应适合电路板尺寸和热容量以及生产量的要求。

 


当考虑对球栅陈列芯片(如 BGA,J4P)进行返工时, 我们应该意识到过程控制对成功的进行芯片返工的重要性,标准的方法是对于单芯片的起拔和贴放尽可能的模拟生产过程中的工艺和回流参数设置,这就意味着我们要对一芯片进行返工时就必须在电路板的特定区域进行加热。对不定区域进行加热有时会发生焊接失败,尽管所有参数设定看起来都是正确的。下面讨论影响焊接的因素以及应避免的在焊接中的潜在缺 陷。

 

成功率问题

 

在某些情况下,尤其是较大尺寸的电路板,即使在表面看来进行返工的各项设定都是正确的,仍可能出现问题,导致低成功率。一般来说焊接曲线的参数设定以所使用的焊料(锡膏或助焊剂)作为依据,如使用305焊膏在正常情况下参数设置如下:

 

温区

迟续时间(秒)

焊点温度 °C

预热区

60 ~ 90

120 to 180

吸热区

60 ~ 90

200to 215

回流区

30 ~ 60

235 to 255

 

 

任何的回流系统都是对 PJB 的正反两面同时进行加热,根据焊点的温度要求,将适当的热量施加在 PJB 的顶部和底部。我们在进行返工焊接时很有可能通过多种不同的温度设置达到相同的焊点温度。现举例如下:






图片关键词



图片关键词



图片关键词



图片关键词



图片关键词

 


 

 

图片关键词例 2





图片关键词

 


 

图片关键词





图片关键词



图片关键词图片关键词



图片关键词



图片关键词


图片关键词

 



图片关键词 

 

 

图片关键词图片关键词下图采用例 1 的温度设定在电脑主机板上焊接 PBGA494 芯片时,热电偶测出焊点的温度变化曲线,我们


可以看到温度变化是正常的:在预热区、吸热区和回流区都达到了规定温度。但是在这种情况下无论是使用焊锡膏还是助焊剂,焊接的成功率都非常低。





图片关键词

 


 

 

下图是采用例 2的温度设定,并将上图中热电偶曲线

(绿色)叠加进来。我们看到两条热电偶曲线非常相似,但参数设定则完全不同。不同点是在降低顶部热风温度的时间提高了对整个电路板底部加热的温度设定。在这种情况下焊接成功率较高。





图片关键词

 


 

 

造成成功率低问题的原因是因为 PJB 上部加热温度过高从而使塑料封装的 BGA 芯片在回流加热中翘曲引起的。

下面列举一些在正确操作(例如:正确的丝网印刷、PJB 完好、精确的芯片贴放)的情况下经常会遇到的导致成功率低的焊接问题以及解决方法:

翘曲

印刷电路板和芯片在回流焊中的翘曲是一个造成焊接问题的主要原因。即使是很小的变形都会导致问题的出现,例如虚焊和桥接。PBGA 与 PJB 板的间隙一般为0.020 英寸,在芯片范围即使有0.005 英寸的变形都足以引起虚焊现象的发生。另一个因素是器件越大就越容易产生这些问题。即使电路板和芯片在焊接没有出现明显的问题,但电路板回复到正常位置,会对焊点产生持续的拉力,这会导致长期可靠性问题。

1





图片关键词

 


 

 

图片关键词脱焊

图 1 显示的是由于 PJB 翘曲造成的焊点脱焊;芯片翘曲也同样产生同样的问题。芯片中间的焊点脱离PJB 板而不能形成良好焊点。这种情况一般在使用助焊剂而不是焊锡膏进行焊接时比较容易出现,并且越向芯片中间问题越严重。

 

2





图片关键词

 


 

桥接

图2 显示的是焊接桥接。 这种情况是电路板变形引起相邻焊点相连造成短接。此问题通常发生在芯片外围焊点,特别是在四角上。

解决方法

发生翘曲问题的主要原因是因为不足的底部加热温度与过高的顶部加热温度,也就是说 PJB 上下温差过大。一些电路板的热容量不均衡也会造成同样的问 题。解决方法是尽量缩小 PJB 顶部、底部加热的温差,如:提高底部加热温度同时降低顶部加热温度并提高风量设定。

 

尺寸较大的电路板由于其自身重量的原因,也会使板

子产生变形,可使用底部支撑加以解决。

 

注意:在向下放置热风喷嘴和真空吸嘴时,不要给电路板施加压力,这样会使问题更加严重。

 

器件分层

焊点桥接的另一个原因是芯片基板在回流中分层。塑料封装通常是吸湿的,也就是说芯片会吸收空气中的潮汽。如果芯片被快速加热,潮气扩散会在芯片内部形成空穴,这就是我所说的“爆米花”现象。

这种问题的特点是由于内部温气扩散使芯片底部出现气泡,用X射线检测我们可以看芯片中间的焊点桥接。图 3 显示的是“爆米花”现象。


 3 潜在的问题

 

图片关键词

 

图片关键词芯片基板起泡

 





解决方法:

上面问题的解决方法是在返工之前对芯片和电路板慢速烘干,这样可慢慢的驱走潮气。一些公司已将此做为在进行任何返工前必须做的标准工序。只正确保存的芯片才能被用于装联和返工。

不同时熔锡的问题

在芯片范围的温差DT 较大致使返工和生产出现不良品促使着生产商力图得到同时熔锡的原因。

作为专业的返工工作站的生产商,我们可以保证热风喷嘴内的温度的一致性为±3°C,也就是说总共温差为6°C。

为了避免喷嘴内的温差对焊接带来的影响,在设定回流曲线参数时,要使焊点尽快通过焊锡熔点。为进一步说明,举例如下:

例 1 – 进入回流区的温度过低

下图是芯片焊点在回流区通过焊锡熔点(217°C )由固态变为液态的图形。我们假设整个芯片范围的温差为 10°C 。

升温速度是由回流区从开始到结束持续的时间以及在进入回流时的温度决定的。在本例中焊点在回流区的升温速度为每秒 0.5°C 。

 

Graph of ramp rate at 0.5°C/Sec

图片关键词全部焊点到达熔点需要20秒

 

 

图片关键词焊点温度

 

 

 

217°C

 

 

 

DT 10°C 固态

 

图片关键词


 

解决方法

解决上面问题的方法是改变回流曲线进入回流区时的温度,以得到更高的升温速度。下图我们可以看到这样可使所有焊点尽可能同时到达焊锡熔点。

 

 

升温速度为 3°C/秒

图片关键词所有焊点到达熔点的时间为 3 秒

 

 

图片关键词焊点温度

 

 

 

217°C

 

 

 

DT 10°C 固态





图片关键词

 


 


 

影响温差 DT 的因素

还有一些因素将会影响到在 PJB 板上的温差,但这往往是返工工作站生产商所无法控制的。芯片在 PJB 板上的位置是最主要的因素,如果芯片的位置在板子的边缘,那么靠近 PJB 外面温度要高于靠近内部的温度。这是因为热量朝向 PJB 中心的散失更大的原因。同样的道理,如果 BGA 中心的焊球与接地线相连,热量会通过焊球散失,在这种情况下就需要更长的回流时间。

结论

返工回流曲线的设置并不像看起来那么简单,将适当的热量输送给焊点是成功的关键。发现并排除潜在的问题将会有助实现持续成功的返工焊接。显示问题,有兴趣的可以下载使用,谢谢

图片关键词bga返工再流焊曲线达泰丰.zip