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BGA与QFP元件的修理
2003-12-21    Thomas A. Gordon and Robert T. Markovsky       点击: 7077
BGA与QFP元件的修理

  本文介绍,使用现有的技术和技术员来修理这些流行的包装,可帮助你节省时间、金钱和元件。

  今天的自动设备使得高成本的球栅阵列(BGA, ball grid array)和方平包装(QFP,quad flat pack)元件的修理符合逻辑。节省时间、金钱和元件,改进电路板的合格率,和提供更快速的服务是一些优势。使用相对简单的设备和现有的技术员,重建和恢复两种类型元件包装上的连接介质是可能的。

BGA的情况
图一、BGA取下过程中锡球可能被损坏  球栅阵列技术由于其高输入/输出(I/O)数而吸引人。这个优势克服了由于X光机器价钱昂贵所引起的对检查的批评。从分离棱镜(split-prism到机械嵌套(mechanical nesting)的贴装技术都是现成的,印刷和回流温度曲线容易获得。可是,取下之后元件的重整锡球(reballing)总是不如人意。不象许多元件技术,在不毁坏连接介质的情况下,BGA可能是不能从PCB上取下的(图一)。一半的BGA锡球留在装配上,另一半保留在元件上,通常是象焊锡冰柱一样,因此在任何返修尝试之前,要求全部的锡球重整和PCB焊盘的准备。

现有的BGA解决方法
  一个方法是预成型(preform)的使用,锡球以所希望的排列/间格矩阵嵌入水溶性的助焊剂介质中。一个预成型大约US$10,这个方法成本高。预成型被放在底朝上的BGA顶面上,并回流。希望整个球的转移发生,水溶性介质被清洗,因此恢复了元件包装。
  另一个方法是模拟原始的制造技术,将助焊剂凝胶或膏印刷到BT玻璃基板上,重力将预成型锡球装填到放在底朝上BGA上面的厚模板(stencil)上。去掉过多的锡球,然后去掉模板,将元件送到炉中回流,形成所希望的连接。
  虽然这个方法成本为US$40/100K锡球,比预成型便宜得多,但是一个更大的成本优势可通过使用另一种方法来实现 - 锡膏。而且使用锡膏方法,锡球不会弹走,落到满地都是。一套使用锡膏方法的重整锡球的工具允许将锡膏印刷到零件上,回流时模板留在原位上,锡球在零件上形成。当模板拿开时,零件完全修复。

重整锡球的工艺
图二  BGA元件应该使用一个适当温度设定的热空气返修工具从PCB上取下。PCB的焊盘必须清洁,一旦过多的焊锡去掉后,在元件贴装之前应该在印刷。在元件贴装之后,PCB应该在一个适当的加热曲线下回流焊接。
  BGA需要把任何过多的焊锡去掉,可通过焊锡清扫工具、吸锡带或使用焊接烙铁以一个角度在零件上通过来完成。以轻微的焊锡凸液面的形式留在BGA焊盘上的焊锡残留数量将不会太多增加锡球的体积。当去掉多余的焊锡时,在零件的中央加热,将热源以螺旋的形式在零件表面上移动,均匀地加热。
  然后,BGA装入一个基座,该机基座有一个放于现在底朝上的、适当定好尺寸的模板。在模板调好与元件的水平后,用一把刮刀将锡膏印刷到模板的开孔内,多余的锡膏可用刮刀去掉(图二)。然后装配可放在热空气工具下面,用合适的喷嘴和温度设定,零件在加热作用下来回移动,直到锡膏回流并形成单块的锡球。同样,加热应该从中央开始,向外放射地或成螺旋状地移动,达到均匀加热的目的。
  有时,由于模板未对准,锡球不会成球状或者不定位在焊盘中心。为了更正,取下模板,在热源下回流已上助焊剂的零件。焊锡将会成球形,并通过焊锡表面张力对中心。但这种技术,叫做“修整表面”,几乎很少需要。
  BGA重整锡球(reballing)技术起作用是因为:
  1、模板在大多数助焊剂条件下是焊锡不可熔湿的(non-wettable),除了柑橘基(citrus-based)助焊剂配方。一旦焊锡粘住模板开孔,该板就不好了。使用推荐的助焊剂配方,模板简直可使用几百次,可能几千次,而不用更换。
  2、因为当变成固体球时锡膏的体积缩小,缩小后开孔的半径大于球的半径,模板容易地从零件拿开 - 特别是清洗之后。
  3、该模板的不锈钢合金是经过冷轧的,造成金属内单个晶粒的拉长。该金属只在一个方向弯曲,不管那面被加热。板的放置要使其被加热时向零件弯曲。这个金属的特性会使板推向零件,在每个BGA焊盘周围产生不漏焊锡的密封。这个“堤档”将保持焊锡不迁移到其它焊盘,因此达到均匀统一的锡球尺寸。
  在BGA被清洁后,它可重新对位放置在准备好的PCB上,回流焊接,恢复电路板装配。

图三、密间距QFP的引脚经常被弯曲QFP问题
  方平包装(QFP, quad flat pack)的引脚经常被弯曲(图三),最常见的是28-mm和更大的身体尺寸的零件。金属包装的高质量与惯性似乎倾向于使QFP某种形式的损坏,特别如果矩阵托盘经受任何形式的冲击。
  其结果是贻误计划、低装配合格率、和使客户不愉快。把零件送回原处或出去修理,要花去宝贵的时间。可是,你可以用自己修理的方法,经常,零件可回到开始拒绝它的贴片机。

QFP修理的选择
  现在可买到装备有相机和机械触觉的机器,将元件引脚处理到满足JEDEC标准,但是,其价格可能是一个限制。也有公司提供这类服务,但是,成本还是一个问题。
  在工厂内部,使用探针和镊子来修理零件可能是一个较简单的方法。你的修理工具也应该包括模板,它是有引脚的焊盘几何形状蚀刻在表面的薄板。这些模板帮助处理引脚和作为最后“行/不行”的标准。真空吸取笔帮助零件处理,完整的修理工具中也需要一块实验室AA级的花岗岩表面平板。

QFP修理操作
图四、QFP放入调整模板内  应该挑选一个轻手轻碰和手法稳健的操作员接受培训。在修理之前,决定是否该元件可能挽救。不是所有都可挽救的,引脚可能弯曲太严重,以至于只把它弯回位置都会折断。这些操作应该在防静电工作台上进行,有适当的照明和放大镜。有三到四个屈光镜的带照明的放大镜就可以了。
  操作员应该选择一个适当的模板,把它粘贴在平面板上。在模板内以及平面板上应该有足够的空间来处理QFP,因此可能有偏移。元件放入调整模板上(图四)。
  然后,技术员选择各种工具,应该从粗略的对准到越来越精细的调整。通常操作可能要求镊子来拉出弯曲和扭曲的引脚,进行脚尖与脚跟的调整,平整脚杆和共面性调整。
  模板是将引脚排列到适当间距的很好的设备。引脚在其各自的穴内,可移动膝部到位而不移动引脚的其它部分。模板也是最后检查间距的最好工具。平面板,只有0.00002" 的不平面误差,对脚尖的调整和共面性检查是很有用的。
  在操作期间,技术员应该尽量减少引脚的进一步弯曲。可是,在某些情况中,可能不得不将一个脚移开来处理另一个脚。应该避免进一步的弯曲,以允许在高疲劳环境下的生存。

结论
  返修BGA和QFP元件可帮助你节省零件、时间和金钱。这些节省也将帮助你满足顾客和管理层。上面所描述的两者元件的返修工艺,应该考虑用作对任何挽救昂贵元件是合理的返工/修理运作。

  Thomas A. Gordon is president of XY Electronics, San Diego, CA. Robert T. Markovsky is director of marketing - electronics for Cooper Tools, Raleigh, NC; (919) 781-7200.

责任编辑: skylee

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