印刷線路板封裝器件的返修方法

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

　　習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的產品完全令人滿意。然而新型封裝對裝配工藝提出了更新的要求，對返修工藝的要求也在提高，此時手工返修己無法滿足這種新需求。

　　技術趨勢

　　集成電路封裝的發展大大增加了元件的I/O密度，改進了電氣性能和散熱性，領導這一發展趨勢的芯片級封裝（CSP）在今天已開始廣泛應用（圖）。CSP最早用在小型便攜式產品中，由于體積和電性能方面的原因它的應用正在增長，預計2001年CSP的使用量將超過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封裝）。目前已有很多CSP設計采用了多種互連技術，其中最有名的可能就是μBGA，它由Tessera公司開發并擁有專用許可權。

　　倒裝芯片是另外一種技術，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（另外一種使用導電膠的互連凸焊點技術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上。倒裝芯片焊盤尺寸可小至0.1～0.2mm，增加了對位難度，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，并保護板子在加熱時不會產生扭曲。

　　返修過程

　　◆取下元件

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

　　加熱控制是返修的一個關鍵因素，焊料必須完全熔化，以免在取走元件時損傷焊盤。與此同時，還要防止板子加熱過度，不應該因加熱而造成板子扭曲。

　　◆線路板和元件加熱

　　先進的返修系統采用計算機控制加熱過程，使之與焊膏制造廠商給出的規格參數盡量接近，并且應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，而頂部加熱則用來加熱元件。元件加熱時有部分熱量會從返修位置傳導流走，而底部加熱則可以補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度而引起的板子扭曲。

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

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

　　還有很重要的一點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。掩膜技術相當有效，不過比較麻煩費時。

　　◆加熱曲線

　　加熱曲線應精心設置，先預熱然后使焊點回焊。好的加熱曲線能提供足夠但不過量的預熱時間，以激活助焊劑，時間太短或溫度太低都不能做到這一點。

　　正確的回流焊溫度和高于此溫度的停留時間非常重要，溫度太低或時間太短會造成浸潤不夠或焊點開路，溫度太高或時間太長則會產生短路或形成金屬互化物。

　　設計最佳加熱曲線是一個乏味的過程，最常用的方法是將一根熱電偶放在返修位置焊點處，工藝工程師先推測設定一個最佳溫度值、溫升率和加熱時間然后開始試驗，并把測得的數據記錄下來，將結果與所希望的曲線相比較，根據比較情況進行調整。這種試驗和調整過程可以重復多次，直至獲得理想的效果。

　　◆工位準備

　　一旦加熱曲線設定好，就可準備取走元件，返修系統應保證這部分工藝盡可能簡單并具有重復性。

　　加熱噴嘴對準好元件以后即可進行加熱，一般先從底部開始，然后將噴嘴和元件吸管分別降到板子和元件上方，開始頂部加熱。加熱結束時元件吸管中會產生真空，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損傷板上的焊盤，“零作用力吸起”技術能保證在焊料液化前不會取走元件。完成這一步后，取走的元件被自動放入元件容器中。

　　在將新元件換到返修位置前，該位置需要先做預處理，預處理包括兩個步驟：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方法，手工方式的工具包括烙鐵和銅吸錫線，不過手工工具用起來很困難，并且小尺寸CSP和倒裝芯片焊盤也很容易受到損傷。

　　自動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），有些清除器是自動化非接觸系統，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可更換過濾器中。清除系統的自動工作臺一排一排依次掃過線路板，將所有焊盤陣列中的殘留焊料除掉。對板子和清除器加熱要進行控制，提供均勻的處理過程以避免板子過熱。

　　·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。許多返修系統都提供一個小型模板裝置用來涂敷焊膏，這種方法可使用多種對準技術，包括元件對準光學系統。

　　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。設備制造商們建議多對焊盤進行檢查，并根據需要重復這一過程。

　　有一種工藝可以替代模板涂敷焊膏，即用元件印刷臺直接將焊膏涂在元件上，這樣不會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，在標準工序中自動拾取元件。焊膏也可以直接點到每個焊盤上，方法是使用線路板高度自動檢測技術和一個旋轉焊膏擠壓泵，精確地提供完全一致的焊膏點。

　　◆元件更換

　　取走元件并對線路板進行預處理后，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）應仔細考慮以避免板子扭曲并獲得理想回流焊效果，自動溫度曲線制定軟件可以作為一種首選的技術。

　　◆元件對位

　　新元件和板子必須正確對準，對于小尺寸焊盤和細間距CSP及倒裝芯片元件而言，返修系統的放置能力必須要能滿足很高的要求。

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

　　重復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；偏差是放置位置測得的平均偏移值，一個高精度的系統只有很小或者根本沒有放置偏差，但這并不意味放置的重復性很好。

　　返修系統必須同時具有很好的重復性和很高的精度，以將器件放置到正確的位置。對放置性能進行試驗時必須重現實際的返修過程，包括所有三個步騾：從元件容器或托盤中拾取元件、對準以及放置元件。

　　◆元件放置

　　返修工藝選定后，板子就像取元件時一樣放在工作臺上，元件放在容器中，然后對板子定位以使焊盤對準元件上的焊球。

　　對位完成后元件自動放到板上，放置力反饋和可編程力量控制技術可以確保正確放置，不會對精密元件造成損傷。

　　小質量元件在對流加熱過程中可能會被吹動而不能對準，一些返修系統用吸管將元件按在位置上防止它移動，這種方法在定位元件時需要有一定的熱膨脹余量。元件對準時不能存在表面張力，該方法很容易把元件放得太靠近線路板（短路）或者太離開線路板（開路）。

　　防止元件在回流焊時移動的一個好方法是減小對流加熱的氣流量，一些返修系統可以編程設置流量，按工藝流程要求降低氣流量。

　　最后噴嘴自動降低開始進行加熱，自動加熱曲線保證了最佳加熱工藝，系統放置性能則確保元件對位準確。放置能力和自動化工藝結合在一起可以提供一個完整且一致性好的返修工藝。

　　本文結論

　　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可以使返修工藝具有很高的可靠性、重復性和經濟性，返修系統必須能提供足夠的放置性能并具有良好的加熱控制能力。采用自動化加熱流程可節省設定的時間，提供最佳加熱曲線，為了保證工藝具有重復性，返修系統還必須易于使用且具有較高自動化程度。