印刷線路板封裝器件的返修方法

　　印刷線路板（PWB）的裝配自動(dòng)化和制造工藝一直在為滿足封裝技術(shù)的要求而努力，但是100%成品率仍然是一個(gè)可望不可及的目標(biāo)，不管工藝有多完美，總是存在著一些制造上無(wú)法控制的因素而產(chǎn)生出不良品。PWB裝配廠商必須對(duì)廢品率有一定的預(yù)計(jì)，產(chǎn)量的損失可以用返修來(lái)彌補(bǔ)，通過(guò)返修挽回產(chǎn)品的價(jià)值而不至于使其成為一堆廢品。

　　習(xí)慣上返修被看作是操作者掌握的手工工藝，高度熟練的維修人員可以使修復(fù)的產(chǎn)品完全令人滿意。然而新型封裝對(duì)裝配工藝提出了更新的要求，對(duì)返修工藝的要求也在提高，此時(shí)手工返修己無(wú)法滿足這種新需求。

　　技術(shù)趨勢(shì)

　　集成電路封裝的發(fā)展大大增加了元件的I/O密度，改進(jìn)了電氣性能和散熱性，領(lǐng)導(dǎo)這一發(fā)展趨勢(shì)的芯片級(jí)封裝（CSP）在今天已開(kāi)始廣泛應(yīng)用（圖）。CSP最早用在小型便攜式產(chǎn)品中，由于體積和電性能方面的原因它的應(yīng)用正在增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2001年CSP的使用量將超過(guò)10億片。

　　CSP可以是任何封裝形式，但它的面積不能大于IC裸片的1.2倍（否則就不能稱為芯片級(jí)封裝）。目前已有很多CSP設(shè)計(jì)采用了多種互連技術(shù)，其中最有名的可能就是μBGA，它由Tessera公司開(kāi)發(fā)并擁有專用許可權(quán)。

　　倒裝芯片是另外一種技術(shù)，它也具有很小的封裝尺寸和良好電氣性能。這種封裝在IC上直接安放互連凸焊點(diǎn)（另外一種使用導(dǎo)電膠的互連凸焊點(diǎn)技術(shù)不屬于本文討論范圍），將IC面向下放在線路板中，然后用回流焊焊在板子的焊盤(pán)上。倒裝芯片焊盤(pán)尺寸可小至0.1～0.2mm，增加了對(duì)位難度，而且其焊球很小只允許板子有很小扭曲，因此返修工藝必須有足夠精確的放置性能，并保護(hù)板子在加熱時(shí)不會(huì)產(chǎn)生扭曲。

　　返修過(guò)程

　　◆取下元件

　　成功的返修首先是將故障位置上的元件取走。將焊點(diǎn)加熱至熔點(diǎn)，然后小心地將元件從板上拿下。

　　加熱控制是返修的一個(gè)關(guān)鍵因素，焊料必須完全熔化，以免在取走元件時(shí)損傷焊盤(pán)。與此同時(shí)，還要防止板子加熱過(guò)度，不應(yīng)該因加熱而造成板子扭曲。

　　◆線路板和元件加熱

　　先進(jìn)的返修系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制加熱過(guò)程，使之與焊膏制造廠商給出的規(guī)格參數(shù)盡量接近，并且應(yīng)采用頂部和底部組合加熱方式（圖）。

　　底部加熱用以升高板子的溫度，而頂部加熱則用來(lái)加熱元件。元件加熱時(shí)有部分熱量會(huì)從返修位置傳導(dǎo)流走，而底部加熱則可以補(bǔ)償這部分熱量而減少元件在上部所需的總熱量，另外使用大面積底部加熱器可以消除因局部加熱過(guò)度而引起的板子扭曲。

　　可以用三種方法對(duì)板子加熱，即傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳導(dǎo)加熱時(shí)熱源與板子相接觸（例如用電熱板），這對(duì)背面有元件的線路板不適用；輻射法使用紅外（IR）能，它要實(shí)用一些，但由于板上各種材料和元件對(duì)紅外線吸收不均勻，故而也影響質(zhì)量；對(duì)流加熱被證明是返修和裝配中最有效和最實(shí)用的技術(shù)。

　　元件加熱（或稱頂部加熱）一般采用對(duì)流熱氣噴嘴，仔細(xì)控制頂部加熱使元件均勻受熱是極為重要的，特別是對(duì)小質(zhì)量元件尤為關(guān)鍵（圖）。

　　還有很重要的一點(diǎn)是要避免返修工位附近的元件再次回焊，噴嘴噴出的熱氣流必須與這些元件隔離，可以在返修工位周圍的元件上放一層薄的遮板或者掩膜。掩膜技術(shù)相當(dāng)有效，不過(guò)比較麻煩費(fèi)時(shí)。

　　◆加熱曲線

　　加熱曲線應(yīng)精心設(shè)置，先預(yù)熱然后使焊點(diǎn)回焊。好的加熱曲線能提供足夠但不過(guò)量的預(yù)熱時(shí)間，以激活助焊劑，時(shí)間太短或溫度太低都不能做到這一點(diǎn)。

　　正確的回流焊溫度和高于此溫度的停留時(shí)間非常重要，溫度太低或時(shí)間太短會(huì)造成浸潤(rùn)不夠或焊點(diǎn)開(kāi)路，溫度太高或時(shí)間太長(zhǎng)則會(huì)產(chǎn)生短路或形成金屬互化物。

　　設(shè)計(jì)最佳加熱曲線是一個(gè)乏味的過(guò)程，最常用的方法是將一根熱電偶放在返修位置焊點(diǎn)處，工藝工程師先推測(cè)設(shè)定一個(gè)最佳溫度值、溫升率和加熱時(shí)間然后開(kāi)始試驗(yàn)，并把測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，將結(jié)果與所希望的曲線相比較，根據(jù)比較情況進(jìn)行調(diào)整。這種試驗(yàn)和調(diào)整過(guò)程可以重復(fù)多次，直至獲得理想的效果。

　　◆工位準(zhǔn)備

　　一旦加熱曲線設(shè)定好，就可準(zhǔn)備取走元件，返修系統(tǒng)應(yīng)保證這部分工藝盡可能簡(jiǎn)單并具有重復(fù)性。

　　加熱噴嘴對(duì)準(zhǔn)好元件以后即可進(jìn)行加熱，一般先從底部開(kāi)始，然后將噴嘴和元件吸管分別降到板子和元件上方，開(kāi)始頂部加熱。加熱結(jié)束時(shí)元件吸管中會(huì)產(chǎn)生真空，吸管升起將元件從板上提起。在焊料完全熔化以前吸起元件會(huì)損傷板上的焊盤(pán)，“零作用力吸起”技術(shù)能保證在焊料液化前不會(huì)取走元件。完成這一步后，取走的元件被自動(dòng)放入元件容器中。

　　在將新元件換到返修位置前，該位置需要先做預(yù)處理，預(yù)處理包括兩個(gè)步驟：除去殘留的焊料和添加焊膏或助焊劑。

　　·除去焊料：除去殘留焊料可用手工或自動(dòng)方法，手工方式的工具包括烙鐵和銅吸錫線，不過(guò)手工工具用起來(lái)很困難，并且小尺寸CSP和倒裝芯片焊盤(pán)也很容易受到損傷。

　　自動(dòng)化焊料去除工具可以非常安全地用于高精度板的處理（圖4），有些清除器是自動(dòng)化非接觸系統(tǒng)，使用熱氣使殘留焊料液化，再用真空將熔化的焊料吸入一個(gè)可更換過(guò)濾器中。清除系統(tǒng)的自動(dòng)工作臺(tái)一排一排依次掃過(guò)線路板，將所有焊盤(pán)陣列中的殘留焊料除掉。對(duì)板子和清除器加熱要進(jìn)行控制，提供均勻的處理過(guò)程以避免板子過(guò)熱。

　　·焊膏：CSP和倒裝芯片的返修很少使用焊膏，只要稍稍使用一些助焊劑就足夠了。在大批量生產(chǎn)中，一般用元件浸一下助焊劑，而在返修工藝中則是用刷子將助焊劑直接刷在板上。

　　焊膏一般用于BGA，涂敷的方法可以采用模板或可編程分配器。許多返修系統(tǒng)都提供一個(gè)小型模板裝置用來(lái)涂敷焊膏，這種方法可使用多種對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，包括元件對(duì)準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)。

　　在板子上使用模板是非常困難的，并且不太可靠。為了在相鄰的元件中間放入模板，模板尺寸必須很小，除了用于涂敷焊膏的小孔就幾乎沒(méi)有空間了，由于空間小，因此很難涂敷焊膏并取得均勻的效果。設(shè)備制造商們建議多對(duì)焊盤(pán)進(jìn)行檢查，并根據(jù)需要重復(fù)這一過(guò)程。

　　有一種工藝可以替代模板涂敷焊膏，即用元件印刷臺(tái)直接將焊膏涂在元件上，這樣不會(huì)受到旁邊相鄰元件的影響，該裝置還可在涂敷焊膏后用作元件容器，在標(biāo)準(zhǔn)工序中自動(dòng)拾取元件。焊膏也可以直接點(diǎn)到每個(gè)焊盤(pán)上，方法是使用線路板高度自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)焊膏擠壓泵，精確地提供完全一致的焊膏點(diǎn)。

　　◆元件更換

　　取走元件并對(duì)線路板進(jìn)行預(yù)處理后，就可以將新的元件裝到板上去了。制定的加熱曲線（同上面方法一樣）應(yīng)仔細(xì)考慮以避免板子扭曲并獲得理想回流焊效果，自動(dòng)溫度曲線制定軟件可以作為一種首選的技術(shù)。

　　◆元件對(duì)位

　　新元件和板子必須正確對(duì)準(zhǔn)，對(duì)于小尺寸焊盤(pán)和細(xì)間距CSP及倒裝芯片元件而言，返修系統(tǒng)的放置能力必須要能滿足很高的要求。

　　放置能力由兩個(gè)因素決定：精度（偏差）和準(zhǔn)確度（重復(fù)性）。一個(gè)系統(tǒng)可能重復(fù)性很好，但精度不夠，只有充分理解這兩個(gè)因素才能完全了解系統(tǒng)的工作原理。

　　重復(fù)性是指在同一位置放置元件的一致性，然而一致性很好不一定表示放在所需的位置上；偏差是放置位置測(cè)得的平均偏移值，一個(gè)高精度的系統(tǒng)只有很小或者根本沒(méi)有放置偏差，但這并不意味放置的重復(fù)性很好。

　　返修系統(tǒng)必須同時(shí)具有很好的重復(fù)性和很高的精度，以將器件放置到正確的位置。對(duì)放置性能進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)必須重現(xiàn)實(shí)際的返修過(guò)程，包括所有三個(gè)步騾：從元件容器或托盤(pán)中拾取元件、對(duì)準(zhǔn)以及放置元件。

　　◆元件放置

　　返修工藝選定后，板子就像取元件時(shí)一樣放在工作臺(tái)上，元件放在容器中，然后對(duì)板子定位以使焊盤(pán)對(duì)準(zhǔn)元件上的焊球。

　　對(duì)位完成后元件自動(dòng)放到板上，放置力反饋和可編程力量控制技術(shù)可以確保正確放置，不會(huì)對(duì)精密元件造成損傷。

　　小質(zhì)量元件在對(duì)流加熱過(guò)程中可能會(huì)被吹動(dòng)而不能對(duì)準(zhǔn)，一些返修系統(tǒng)用吸管將元件按在位置上防止它移動(dòng)，這種方法在定位元件時(shí)需要有一定的熱膨脹余量。元件對(duì)準(zhǔn)時(shí)不能存在表面張力，該方法很容易把元件放得太靠近線路板（短路）或者太離開(kāi)線路板（開(kāi)路）。

　　防止元件在回流焊時(shí)移動(dòng)的一個(gè)好方法是減小對(duì)流加熱的氣流量，一些返修系統(tǒng)可以編程設(shè)置流量，按工藝流程要求降低氣流量。

　　最后噴嘴自動(dòng)降低開(kāi)始進(jìn)行加熱，自動(dòng)加熱曲線保證了最佳加熱工藝，系統(tǒng)放置性能則確保元件對(duì)位準(zhǔn)確。放置能力和自動(dòng)化工藝結(jié)合在一起可以提供一個(gè)完整且一致性好的返修工藝。

　　本文結(jié)論

　　即使采用最佳裝配工藝，CSP和倒裝芯片的返修工作還是有存在的必要性。使用正確的返修系統(tǒng)可以使返修工藝具有很高的可靠性、重復(fù)性和經(jīng)濟(jì)性，返修系統(tǒng)必須能提供足夠的放置性能并具有良好的加熱控制能力。采用自動(dòng)化加熱流程可節(jié)省設(shè)定的時(shí)間，提供最佳加熱曲線，為了保證工藝具有重復(fù)性，返修系統(tǒng)還必須易于使用且具有較高自動(dòng)化程度。