PBGA封裝的建議返修程序

本應用筆記說(shuō)明從印刷電路板(PCB)移除塑封球柵陣列的建議程序。

封裝描述

PBGA是一種封裝形式，其主要區別性特征是利用焊球陣列來(lái)與基板(如PCB)接觸。此特性使得PBGA相對于其他引腳配置不同的封裝形式(如單列、雙列直插、四列型)有一個(gè)優(yōu)勢，那就是能夠實(shí)現更高的引腳密度。PBGA封裝內部的互連通過(guò)線(xiàn)焊或倒裝芯片技術(shù)實(shí)現。包含集成電路的PBGA芯片封裝在塑封材料中。

圖1.PBGA器件示意圖

PBGA器件返修

將PBGA器件裝配到PCB上之后，若發(fā)現缺陷，應當返修以移除不良器件，并換上工作正常的器件。移除器件之前，應加熱不良器件直至焊接接頭液化，以便于從電路板上移除不良器件。

常規返修程序如下：

1. 準備板子。

2. 移除器件。

3. 清潔PCB焊盤(pán)。

4. 涂敷焊膏。

5. 器件對齊和貼片。

6. 固定器件。

7. 檢查。

移除器件和分層

移除器件時(shí)，可能會(huì )在PBGA和/或PCB上產(chǎn)生機械應力。應小心移除不良器件，避免損傷PCB、鄰近器件及不良器件本身，尤其是若用戶(hù)打算對不良器件進(jìn)行故障分析時(shí)。PBGA器件上若有過(guò)大應力，例如將器件加熱到額定峰值溫度以上或過(guò)度暴露于高溫下，可能導致封裝分層或外部物理?yè)p壞(參見(jiàn)圖2和圖3)。對于要做進(jìn)一步分析的器件，移除不當所引起的分層會(huì )加大找出真正故障機制的難度。因此，為了進(jìn)行有效的故障分析，妥善移除不良器件是十分必要的。

圖2.過(guò)度加熱引起PBGA器件的基板和塑封材料之間分層(通過(guò)掃描聲學(xué)顯微鏡觀(guān)測)

圖3.過(guò)度加熱導致PBGA上出現裂紋的低放大率圖像(側視圖)

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準備板子

強烈建議在返修開(kāi)始前對PCB組件進(jìn)行干烘，以消除殘留水分。若不消除，在回流期間，殘留水分可能會(huì )因為“爆米花效應”而損傷器件。在125°C下烘烤PCB組件至少4小時(shí)，只要這些條件不超過(guò)PCB上其他器件的額定限值。如果這些條件超過(guò)其他器件的額定限值，則應使用聯(lián)合行業(yè)標準IPC/JEDEC J-STD-033中說(shuō)明的備選烘烤條件。

移除器件

可使用不同的工具來(lái)移除器件。為了移除器件，可能要加熱器件，直至焊料回流，然后在焊料仍處于液態(tài)時(shí)通過(guò)機械手段移除器件?？删幊虩峥諝夥敌尴到y可提供受控溫度和時(shí)間設置。

返修時(shí)應遵循器件裝配所用的溫度曲線(xiàn)。返修溫度不得超過(guò)濕度靈敏度等級(MSL)標簽上規定的峰值溫度。加熱時(shí)間可以縮短(例如針對液化區)，只要實(shí)現了焊料完全回流即可。焊料回流區處于峰值溫度的時(shí)間應小于60秒。拾取工具的真空壓力應小于0.5 kg/cm2，以防器件在達到完全回流之前頂出，并且避免焊盤(pán)浮離。請勿再使用從PCB上移除的器件。

控制返修溫度以免損壞PBGA器件和PCB。應當考慮由于熱質(zhì)量不同，相比基于引線(xiàn)框的封裝，例如標準外形集成電路(SOIC)和引線(xiàn)框芯片級封裝(LFCSP)，PBGA的加熱速度可能更快。注意，用耐熱帶蓋住器件周?chē)膮^域可提供進(jìn)一步的保護。此外，建議加熱PCB下方以降低PCB上下兩面的溫差，使板彎曲最小。

定義返修工具設置時(shí)，應標定溫度曲線(xiàn)。首次返修特定器件時(shí)，這種標定尤其重要。還需要利用不同的主體尺寸、焊料成分或不同的PCB材料、配置、尺寸和厚度對PBGA器件進(jìn)行標定，因為它們可能有不同的熱質(zhì)量值。

標定必須包括對溫度、時(shí)間和設備工具的其他設置進(jìn)行監控(參見(jiàn)圖4)。應將熱電偶裝配到板組件的不同部分，如PBGA器件上部和PCB上部(參見(jiàn)圖5)。分析時(shí)間和溫度曲線(xiàn)數據，從評估中獲得器件移除的有效參數。

圖4.器件移除評估的簡(jiǎn)化流程圖

圖5.器件移除標定設置示意圖

清潔PCB焊盤(pán)

移除PBGA器件之后，PCB上的焊盤(pán)會(huì )有過(guò)多的焊料，必須在安裝替換PBGA器件之前予以清理。焊盤(pán)清理可分為兩步：

1. 去錫。利用吸錫線(xiàn)和刀片型烙鐵去除焊盤(pán)上過(guò)多的焊料(參見(jiàn)圖6)。所選刀片的寬度應與器件占用的最大寬度相匹配。刀片溫度必須足夠低，以避免損壞電路板?？蓪⒑竸┩吭诤副P(pán)上，然后用吸錫線(xiàn)和烙鐵去除過(guò)多焊料。

圖6.PCB焊盤(pán)去錫

2. 清潔。在返修區域上用清洗劑清潔，并用無(wú)絨布擦干凈。使用的清洗劑取決于原始總成所用的焊膏類(lèi)型。

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涂敷焊膏

在將替換PBGA器件安裝到電路板上之前應涂敷焊膏，目的是取代最初裝配電路板時(shí)涂敷的焊膏，從而保證PBGA焊接接頭的可靠性。給每個(gè)焊球涂敷的焊膏量必須一致，以免在電路板上安裝PBGA時(shí)發(fā)生不共面問(wèn)題。

可利用模板來(lái)將焊膏涂敷到PCB焊盤(pán)上。模板對齊精度是使回流焊錫處理保持均勻的關(guān)鍵。使用與電路板裝配相同的PBGA孔徑幾何圖形和模板厚度。使用梯形孔徑(參見(jiàn)圖7)以確保焊膏均勻釋放并減少污點(diǎn)。

圖7.模板孔徑幾何圖形(A比B長(cháng))

某些情況下，利用模板將焊膏均勻精確地涂敷在PCB焊盤(pán)上可能不可行，尤其是對于器件密度高或幾何空間緊張的電路板。這種情況下，應考慮將焊膏涂敷在器件底部的焊球上。為此，可利用模板將焊膏涂敷在焊球上端，或將焊膏分配給所有焊球(參見(jiàn)圖8和圖9)?？衫脤?zhuān)門(mén)設計的夾具和/或返修設備來(lái)達到這一目的。

圖8.焊膏模板將焊膏印制到焊球上

圖9.將焊膏分配到焊球上

器件對齊和貼片

將器件精準貼放到電路板上是很重要的。帶分光束光學(xué)系統的貼片設備有助于PBGA和電路板的對齊。此類(lèi)成像系統涉及到將PBGA焊球鏡像疊放在PCB焊盤(pán)鏡像上(參見(jiàn)圖10)。貼片機必須具有支持用戶(hù)沿x軸和y軸進(jìn)行微調(包括旋轉)的能力。

圖10.利用分光束光學(xué)系統對齊PCB和器件

貼片精度取決于所用的設備或工藝。雖然PBGA封裝在回流焊過(guò)程中往往會(huì )自動(dòng)對齊，但應確保貼片偏差小于PCB焊盤(pán)寬度的50%。若對齊誤差過(guò)大，焊料橋接可能引起電氣短路。

固定器件

因所有回流參數均經(jīng)過(guò)優(yōu)化，故應使用原始裝配過(guò)程中制定的熱曲線(xiàn)。

檢查

回流之后，檢查裝配好的PBGA有無(wú)缺陷，如未對齊或受損等。利用X射線(xiàn)檢查有無(wú)問(wèn)題，如焊料橋接和錫珠等。如有必要，執行電氣驗證測試以驗證器件功能正常。