环球SMT与封装BGA返修台（版）

2020-03-03 20:54:09 来源：范文大全收藏下载本文

【环球SMT与封装】特约稿吴懿平博士

武汉光电国家实验室光电材料与微纳制造部教授华中科技大学连接与电子封装中心教授/博导 Email: ypwu@mail.hust.edu.cn

BGA返修工作站及其回流参数优化

【摘要】回流曲线优化控制在返修BGA芯片过程中是很重要的，直接影响着焊点的质量。我曾经在本刊2004年专稿介绍了回流曲线的量化参数——加热因子Qη的概念，指出只要在焊接过程中使所有焊点的加热因子都整定在最优范围，就可确保焊接的高可靠性。这一结论也适用于BGA返修工作站的回流参数整定。本文将以效时公司生产的BGA返修工作站为例，向读者介绍BGA返修回流参数的整定与优化的方法。【关键词】BGA返修工作站加热因子焊膏回流参数整定

在电子制造领域，英文REPAIR可译为返修或者修理，是指功能的恢复，并没有强调达到这一目的的方法或过程。也就是说操作者可以采取任何手段（如焊盘的损坏可采用飞线的方式）使电路板实现其逻辑功能。原则上讲，通过REAPIR的电路板组件，其品质会下降。在国外对于生产线上故障板的修复使用的是另外一个单词——REWORK，即重复工作。准确地翻译译应为返工。从该词的字面意思就不难理解，所谓的返工就是采用基本上与原生产过程相同的材料与工艺来对故障板进行修复。也就是说，经过了返工的电路板组件，不仅可实现了其原有的逻辑功能，而且由于采用了与正常生产相同的材料与工艺，完全符合产品的生产工艺标准，从而保证经返工后的电路板组件不仅功能得以恢复，而且品质没有丝毫下降。

如何使得返修工作与原生产工艺过程一致，如何对返修回流曲线进行优化就成为保证返修电路板组件功能和可靠性的关键。我曾经在本刊2004年专稿介绍了回流曲线的量化参数——加热因子Qη的概念，指出只要在焊接过程中使所有焊点的加热因子都满足最优范围，就可确保焊接的高可靠性。这一结论也适用于BGA返修工作站的回流参数整定。下面将以效时公司生产的RW-6250型BGA返修工作站为例，向读者介绍BGA返修回流参数的整定与优化方法。

1 BGA返修工作站

1.1 BGA返修工作站应该具备的要求

先进的返修工作对返修工作站设备的基本要求为：(1) 器件对中与贴片：应采用光学对中系统，精度至少应达到0.001英寸（0.025mm）。(2) 部加热：应能准确控制温度，按照设定的温度曲线实时进行升温与降温，因此加热体应具有低密度、热惰性小等性能。(3) 风嘴结构：应能够保证加热温度均匀，对角线温差小。(4) 底部加热：应能保证电路板表面加热区对角线温差小，而且具有低密度、低热惰性等性能。(5) 降温控制：必须能够控制降温速率，这是取得良好焊接效果的必要条件。(6) 操作软件：应能实现动态温度调整。(6) 风速调节：对于热风焊接而言，风速是相当关键的参数，因此要求风速能够灵活调节。

返修的核心问题是如何实现最佳回流焊曲线。一旦电路板结构和板上元器件分布确定，这个电路板就只有一条最佳的回流焊接曲线来实现最佳的焊接。目前世界上的单芯片返修(无过程控制系统)和单芯片返工系统(全过程控制)均采用开放式加热系统。因此，无论是红外、热板、红外+热板还是热风加热系统都面临着同样的技术要求，即如何控制回流焊接曲线接近或重现批量生产过程中SMT焊炉的焊接曲线。 1.2 RW-6250型BGA返修工作站简介

深圳市效时实业有限公司是我国最早研发生产BGA返修专用设备的厂商之一。该公司生产的系列返修工作站具有较高的市场占有率，产品系列已覆盖高、中、低档，并可根据特殊需求量身定制，可为BGA返修作业提供完整解决方案。图1所示的是该公司生产的一款全自动型的RW-6250型BGA返修工作站。主要功能如下： 2

图1 效时公司生产的RW-6250 自动型BGA返修工作站

●热风头和贴装头一体化设计，自动焊接和自动贴装功能；

●彩色光学视觉系统，具分光、放大和微调功能，含色差分辩装置，自动对焦、软件操作功能，22 倍光学变焦，可返修最大BGA 尺寸70mm×70mm，最小芯片尺寸1mm×1mm；

●触摸屏人机界面，PLC 控制，实时温度曲线显示，可显示设定曲线和五条测温曲线； ●彩色液晶监视器；

●内置真空泵，Φ角度360°旋转，精密微调贴装吸嘴；

●8 段升(降)温+8段恒温控制，可储存200组温度设定，在触摸屏上即可进行曲线分析，具电脑通讯功能，配送通讯软件；

●上下可达三个温区独立加热，加热温度和时间全部在触摸屏上显示，可返修高难度 CGA； ●BGA焊接区支撑框架，可微调支撑高度以限制焊接区局部下沉； ●吸嘴可自动识别吸料和贴装高度，压力可控制在微小范围；

●上下热风头均可在大型IR底部预热区内任意位置移动，适合BGA在PCB上不同位置可靠返修； ●可外接电脑独立控制、完成曲线分析、保存、打印等功能；

●预留氮气接口，可在氮气保护下完成BGA返修过程，并具有独特的氮气节省功能，在保证完美的返修品质下更节省成本；

●具有超温异常保护功能；

●大型IR底部预热，使整张PCB恒温，防止变形，保证焊接效果，发热板可单独控制发热； ● 多种尺寸合金热风喷嘴，易于更换，可360任意角度定位。

● 一体化热风头，上下为伺服马达驱动，可记忆200 组不同BGA 的加热点和对位点。

由于此款机器具有在线的多点实时温度测量功能，同时还具有精密程序控制的热风回流温度以及具有高精度的视觉对位系统，使得该机器非常适合以加热因子作为控制策略，对BGA返修工作站的温度进行精确整定，从而保证返修板卡的焊点的高可靠性。

2 返修回流工艺整定

返修的成功与否直接取决于回流曲线的生成，精确控制其回流曲线相对于回流炉来说要困难些。一个BGA 芯片往往有成百上千个焊点，必须设法控制所有的焊点经历尽量一致的回流曲线，才能得到好的焊接质量。目前尚没有文献涉及返修站在回流过程中的参数优化与回流曲线的整定。 2.1 加热因子的概念

加热因子的概念为回流曲线的优化提供了一个量化的评价指标。研究表明，焊点连接实质上是一种冶金结合过程，是通过熔化的合金在焊接界面上相互扩散形成金属间化合物（IMC）来实现的，回流过程中形成的IMC 厚度对焊点可靠性的影响最为显著。而IMC 厚度强烈地依赖于回流温度曲线，特别是回流曲线在焊料熔点以上的温度时间积分（如图2 所示）。将此积分值定义为加热因子，用符号Q表示： 3

QTtTmdt

(1) t1t2其中，t1 和 t2 分别为达到焊料熔点温度的开始时间和结束时间；Tm为焊料合金的熔点，对于共晶铅锡合金来说Tm＝183C。对于共晶Sn-Ag-Cu无铅焊料来说，Tm＝217C。

图2 回流曲线上的加热因子定义

研究表明，当IMC太厚或太薄时都会降低焊点的可靠性，要获得适当的IMC厚度，确保焊接的高可靠性，就必须控制加热因子的大小。根据焊料厂家推荐的回流曲线，我们可以大致获得相对应的焊膏的最小加热因子和最大加热因子。即通过推荐的回流曲线，可以获得焊膏的最优加热因子范围。如Sn63Pb37共晶焊膏其加热因子最优的范围在600～900sC之间。只要焊点形成过程在最有的加热因子范围内，这个焊点就一定是良好的。因此，如何控制并实现所有的焊点经历的热过程的加热因子落入这个最优范围，就成为高可靠性回流焊接的标志。 2.2 BGA各焊点在返修回流时的实时温度曲线的获得

我们以RW-6250型BGA返修工作站为研究平台来探求基于加热因子的回流焊接曲线的优化与控制，以期快速得到高可靠性的焊接质量。RW-6250型BGA返修工作站采用全热风强制对流加热，分别从顶部用风嘴把热气体导向芯片，从底部均匀加热该芯片贴装的PCB区域，从而主要利用芯片和板子本身的热传导使焊球阵列获得热能，焊球逐渐升温到熔点以上，而后冷却，形成焊点（如图3）。

图3 返修系统加热示意图（红色箭头线表示热气体）

返修工作站采用光学对位机构将芯片下面的焊球和对应的PCB上的焊盘精密对位，因此返修工作站只能将芯片固定在适当的位置，用同一加热器通过在不同的时间间隔设置不同的温控参数来获得各个温区，这一过程不同于回流炉。回流炉是通过空间间隔配备多个温区，每个温区有独立的加热器，匀速输运带将板卡送至不同温区加热，实现回流。而返修站的各温区长度可随意设定。

为了获得各焊点的加热曲线，采用机器提供的5点实时温度测量曲线来计算各焊点的加热因子。事先可在被测试点布置微型热电偶，必须注意的是测温热电偶应该尽量细小，以减少热电偶对系统温度分布的影响。布点的原则是在BGA器件的四边、四角和中心等。一般地，BGA器件的中心部位的加热因子最小，而边角的加热因子最大。因此，只要通过调整BGA期间中心部位的回流曲线的加热因子，并使其稍大于最优加热因子的下线值 4

就可以获得优化的回流曲线整定。

加热因子没有对回流焊曲线形状做出要求，因此实际的加热曲线不必匹配特定形状的目标曲线，而是将注意力集中在调节加热因子值的大小上。加热因子控制不是芯片上某个单点的控制，而是要求整个焊点阵列上所有焊点都在加热因子最优范围内。这就要最小化所有焊点的加热因子之差，从而要求最大化保温区的长度。因此适当抬高预热区的设定温度，让芯片温度在预热区上升较快一些，以使保温区较长一些。但预热区温度不能上升太快，太大的热冲击会损伤芯片。

2.3 冷点加热因子采取最优范围低限控制策略

对BGA 芯片上最冷焊点的加热因子采取最优范围的低限是一个较好的控制策略。加热因子值在最优范围控制的实现中应遵循宁大勿小的原则，若加热因子太小，则容易造成虚焊等缺陷。而对于BGA 芯片来说，由于其本身热质分布的差异，加之对流加热的特点，处于芯片底部靠中心位置的焊球总是温度最低，而靠近边缘位置的焊点则稍高一些。如果令靠中心位置的焊点的加热因子达到最优范围的低限值，则该芯片上其它焊点的加热因子值或落在最优范围，或稍高于最优范围的上限值，就可基本上实现对加热因子最优范围的控制。

例如，以某常用的免清洗Sn63Pb37焊膏为例来说明加热因子最优范围低限控制。其最优范围在600～900 sC之间，其下限值为600 s℃，因此最小的加热因子值控制在600 sC为宜，这是实验输出的目标值。实验采用的是略大于BGA器件的方型喷嘴，且喷嘴相对于PCB 的位置在整个实验过程中是不变的，确保类似于回流炉的比较一致的热气体循环环境；而且所有的温区取同样的时间长度，并以同样的增量变化，类似于回流炉相等的各区间长度，通过调节走带速度而以同样的增量改变各温区时间长度。另一方面可以通过固定某些参数或参数关系来简化实验：每一个加热区的风速取中间值，固定为M = 16 lpm；冷却区热源温度固定为25℃，风速固定为最高的H = 24 lpm，以获得快速的冷却速率；各温区时间长度固定为60s，暂不观察时间长度对加热因子的影响。

令底部热源的温度设定在各加热区间一致，即用一个参数Hb代表各加热温区的底部热源参数设定。现在与回流相关的工艺参数仅存：H1——第一温区顶部热源温度参数； H2——第二温区顶部热源温度参数； H3——第三温区顶部热源温度参数；H4——第四温区顶部热源温度参数；Hb——各加热温区底部热源温度参数。实验采用一个27毫米的PBGA225贴装在标准的1.57mm厚的FR-4板上构成测试样品。观察五个工艺参数H

1、H

2、H

3、H4和Hb对此PBGA冷点（中心位置焊点）的加热因子的影响。

在实验中注意到焊点的温度密切追随顶部热源的设定温度，因此顶部热源在各温区的温度设定基本上就可以确定焊点回流曲线的形状。由于加热因子理论对回流曲线的形状不作严格定义，不妨将H

1、H

2、H

3、H4以一定的相对差值组合成一个形状参数Ht，Ht相对于H

1、H

2、H

3、H4的各个差值即大体上确定了焊点回流曲线的形状。

遵循避免焊接缺陷发生及最大化保温区的原则，我们采用试误法（ try-and-error）逐一调节H

1、H

2、H

3、H4和Hb。当H1 =195C，H2 =175C，H3 =180C，H4=205C， Hb =240C时，冷点的加热因子值为Q = 652sC，落入最优范围，如图5所示。

图4 BGA焊点返修回流的实时温度曲线

以这个工艺设定为依据来定义Ht：令：H4=Ht；H3=Ht-25；H2= Ht -30；H1= Ht -10。则Ht不仅表示了H

1、H

2、H

3、H4的大小及其组合关系，而且大体上确定了焊点在回流过程中的温度曲线形状。另一方面也注意到在实验中，Hb主要的影响焊点回流曲线的整体温度，即移动由Ht确定的温度曲线上升或下降，我们称Hb为移动参数。 5

接下来的实验将观察加热因子Q与形状参数Ht、移动参数Hb这两个组合参数的关系，以期用这两个组合参数来预测和控制加热因子。固定Hb在240C，调节Ht的大小，实验得出Q和Ht之间线性相关，如图5所示。回归方程为：

Q72.6Ht14111由此得出：

72.6 HtQ14111令Q=600，得出Ht=202.6C。

图6 Q和Ht的关系

同理，保持Ht=205C，可以得到Q和Hb的线性回归关系：

Q31.6Hb6895.5

由此得出：

HbQ6895.531.6

令Q=600，得出Hb=237C。

至此，利用组合参数策略来实现基于冷点在最优范围低限的控制，来优化返修站上回流过程的工艺设定，是非常便利的。

3 结语

加热因子理论极大地便利了回流焊过程的工艺设定，它抓住了焊接的实质：焊料合金与焊盘之间的冶金结合，即IMC的形成过程，揭示出IMC和加热因子的密切关系，因此不用太在意回流曲线的形状。基于这一事实，我们提出了组合参数策略，仅利用两个组合参数－形状参数Ht、移动参数Hb就可以相当满意的实现加热因子最优范围下限值在冷点的预测和控制，从而大体上使BGA元件上所有焊点的加热因子值都在最优范围内，满足返修工作站焊接的高可靠性要求。

（2011年12月3日）

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