无铅BGA返修的重点难点

1,无铅BGA返修难点
传统的锡铅焊料熔点为138度,回流温度在210~230之间,而电子元件以及印刷版的极限温度为250度,两则之间存在40度的工艺窗口,组装和返修工艺难度相对较低。与之相比,无铅回流焊接难度将会增大。无铅回流曲线最低峰值温度要求230度,所以工艺窗口只有20度,在这种情况下,焊接时极易发生小元件温度过高损坏,而大元件温度不足冷焊的现象。因此,采用传统的回流曲线很容易造成BGA焊接的缺陷。在无铅回流焊工艺中,为使电路板上大小元件的焊接温度趋于一致,将温度曲线的峰值设定为平顶波形是最为有效的方法。同样的,在BGA返修过程中也应该采用平顶波形的设置形式。回流温度曲线如下图所示。

BGA无铅焊接曲线

BGA无铅焊接曲线

由于BGA特殊的封装结构,其焊点位于整个封装体底部,使得焊点受热困难,只能使用专用设备进行安装,回流炉是一种整板回流设备,电路板上所有元器件同时进行回流焊,而返修工作台是一种局部回流焊设备,仅对电路板上需要返修的某一个器件进行回流焊接。返修系统按加热方式可分为热风加热返修和红外加热返修两种。

2,返修前保护设施
任何元器件的修复操作都可能导致印刷版的可靠性问题,无铅BGA的返修由于温度更高,为了保证返修的高可靠性,更应该特别注意避免对印制板和周边元件的损坏,所以对于耐热性能较差的接插件和小元件必须采取的热防护措施。
根据红外加热的原理,可利用红外加热的“阴影效应”进行热防护,在实际操作中,一般采用锡箔控制加热窗口以达到热防护的目的。此种方法可以有效的对返修部位以外的进行热防护,但是也存在一定的问题,导致红外测量的温度可能低于显示温度,导致返修接收的热量远低于设置温度,从而导致返修失败。

无铅BGA返修的重点难点

无铅BGA返修的重点难点

3,无铅BGA返修工艺
精确合理的温度曲线是成功返修BGA的关键。不同的BGA,材料、厚度、大小都不同,因而它对热量的吸收和传递也不同,这会影响BGA焊球的预热。所以返修时,应结合BGA、PCB以及BGA在PCB上所处的位置等因素进行温度曲线的设定。
由于无铅焊料的熔点较高,所以无铅返修的时间更长一些。与Sn/Pb返修温度曲线一样,无铅返修温度曲线也分为预热、活化、回流和冷却四个阶段,只是各个阶段的温度跨度稍大,工艺参数也略有不同。
预热区:预热的主要目的是蒸发焊膏中过多的溶剂,防止回流过程中产生锡珠和气孔。
活化区:为了进一步蒸发焊膏中的溶剂,以及除去锡膏、焊盘表面和BGA焊球表面的氧化层,保证焊接质量。
回流区:经过活化阶段后,PCB焊盘和BGA焊球表面比较洁净,此时应设定温度,使BGA底部温度高于焊料熔点温度达到回流。
BGA的无铅返修相对于锡铅焊料的返修有如下特点: (1)高温。 (2)表面张力大,润湿性差。由于润湿性变差,焊料熔化后流动性大大降低,自对中能力也相应降低,为了保证元件焊接位置的正确性,需要提高贴装精度; (3)工艺窗口小,质量控制难度大。由于元器件和PCB所能承受最大温度有限,无铅焊接温度的提高,造成焊接工艺窗口变窄。
可见,无铅工艺返修无论从难度和复杂程度都比以往大很多,采用理想的设备、合理的工艺,是保证高的返修率以及可靠的焊接效果的关键。

4,总结
港泉SMT通过本文对常用PCB焊点的失效分析,并且以实例分析了焊点失效的检测方法以及焊点失效的原因,包括对焊点金属件化合物的成分分析。焊点中较普遍的存在开裂是导致BGA互连失效的主要原因。开裂位置主要发生在IMC与PCB焊盘间,焊盘边缘开裂发生在焊料或IMC间。造成焊点开裂的原因主要是过厚过粗的锡铜、锡银合金层降低了焊点的机械强度,当受到外力作用时发生开裂。根据以上失效原因,建议优化回流焊接工艺,避免过厚、过粗的IMC的形成;避免焊接过程中骤热骤冷,降低热应力的产生。
另外,本文通过对无铅BGA封装器件的返修比通常焊点返修困难性分析,总结了无铅BGA的返修难点,以及返修前的保护措施等,并且制造了完好的无铅BGA返修工艺流程。最后以达到良好的无铅BGA返修效果。

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