第3章 SMT返修技术

第3章SMT返修技术SMT生产与管理背景介绍电子技术的迅猛发展对人类社会和经济活动、人们的日常生活所带来的深刻变化有目共睹，而在这一切变化中集成电路的发展起到了相当重要的作用。SMT生产与管理发展的电子产品市场继续对集成电路提出了在确保速度更快速、I／O更多的前提下，能够提供体积更小、性能更好且价格更便宜的集成电路。这对集成电路器件的封装提出了严峻的挑战，相信这一现象在未来也很难发生改变。SMT生产与管理对电子工业来说，使用新型封装器如BGA、CSP和倒装芯片FC将占据统治地位。目前绝大多数市场预测表明：BGA器件真正地指明了未来栅格阵列器件的发展轨迹，以每年接近50％的增长速度发展，并占用器件7％以上的份额。SMT生产与管理与此同时，所使用的CSP器件有望以每年100％的速率增加，它将以不同的方式占据所有器件市场的6％~10％的市场份额。QFP和SOIC封装器件每年将以不少于10％~l5％的速率增加，这些元器件将稳定地保持在所使用器件的大约68％的市场份额。SMT生产与管理3.1返修问题的提出在制造电子产品的过程中，工艺过程控制是确保产品质量的重要手段。在实施工艺过程控制中，常常会遇到元器件需要返修的情况。SMT生产与管理随着电子技术的发展、新型封装器件的不断推出和投入实际使用，对返修工作提出了严峻的挑战。即使采用当今先进的统计工艺控制SPC技术、最先进的生产设备和ISO确认的工作环境条件，返修工作仍然是一项免不了的事情。SMT生产与管理在开始安装元器件直至整个系统最终装配完毕的全过程中，检验和测试达到l00％的合格，并且保持零缺陷的记录，这种机会出现的可能性微乎其微。SMT生产与管理元器件取向错误、型号不符合或参数超差和失效，以及焊接不牢固等都必须进行返修。这种返修可以是简单的修整，直至拆卸下元器件并重新置换。为此必须借助返修设备来解决装配和检修过程中所发现的问题。SMT生产与管理1.返修的基本概念SMA的返修，通常是为了去除失去功能，损坏引线或排列错误的元器件，重新更换新的元器件。也就是使不合格的电路组件恢复与特定要求相一致的合格的电路组件。SMT生产与管理2.返修的基本过程（1）取下元器件；成功的返修首先是将故障位置上的元器件取走。将焊点加热至熔点，然后小心地将元器件从板上拿下。加热控制是返修的一个关键因素，焊料必须完全熔化，以免在取走元器件时损伤焊盘。与此同时，还要防止PCB加热过度而造成PCB扭曲。SMT生产与管理（2）线路板和元器件回热先进的返修系统采用计算机控制加热过程，使之与焊膏制造厂商给出的规格参数尽量接近，并且应采用顶部和底部组合加热方式(如图所示）。SMT生产与管理在线路板顶部和底部测得的温度曲线及焊点实际温度图SMT生产与管理(3)加热曲线加热曲线应精心没置，先预热，然后使焊点回焊。好的加热曲线能提供足够但不过量的预热时间，以激活助焊剂，时间太短或温度太低则不能做到达一点。SMT生产与管理(4)取元器件一旦加热曲线设定好，就可准备取走元器件。加热喷嘴对准好元器件以后即可进行加热，一般先从底部开始，然后将喷嘴和元器件吸管分别降到PCB和元器件上方．开始顶部加热。加热结束时许多返修工具的元器件吸管中会产生真空，吸管升起将元器件从板上提起。SMT生产与管理(5)预处理在将新的元器件换到返修位置前，该位置需要先做预处理。预处理包括两个步骤：除去残留的焊料和添加助焊剂或焊膏。SMT生产与管理(6)元器件更换取走元器件并对PCB进行预处理后，就可以将新的元器件装到PCB上去了。制定的加热曲线应仔细考虑以避免PCB扭曲并获得理想再流焊效果，利用自动温度曲线制定软件进行温度设置可作为一种首选的技术。SMT生产与管理(7)元器件对位新元器件和PCB必须精确对准，对于小尺寸焊盘和细间距CSP及倒装芯片器件而言，返修系统的放置能力必须要能满足很高的要求。放置能力由两个因素决定：精度(偏差)和准确度(重复性)。SMT生产与管理(8)元器件放置返修工艺选定后，PCB放在工作台上，元器件放在容器中，然后用PCB定位以使焊盘对准元器件上的引脚或焊球。定位完成后元器件自动放到PCB上，放置力反馈和可编程力量控制技术可以确保正确放置，不会对精密元器件造成损伤。SMT生产与管理3.2返修加热方法及返修工具1.热空气对流加热返修将热空气施加到SMA上要返修的器件引线焊缝处，使焊料熔化。（1）手持便携式热空气返修工具（2）固定组件式热空气返修系统2.传导加热返修SMT生产与管理3.3新型封装器件的返修现代返修设备已经被成功用于标准的、有引脚表面贴装器件的返修操作，但随着栅格阵列封装器件的采用，这一情况引起了返修设备生产厂商的重视。SMT生产与管理针对新型封装器件的特点，以往所采用的返修技术需要进行改进，以求达到确保可靠性和可重复性的效果。特别是对于BGA和CSP器件来说，需关注其贴装、对中和元器件的再次使用。SMT生产与管理当人们处理精细间距、小尺寸和涉及先进的栅格阵列封装器件所隐藏的焊点连接问题时，会将目光特别关注在工艺控制和热分布曲线上面。这些是关键的返修问题。SMT生产与管理1.返修工作中的工艺控制对于标准的通孔类元器件和表面贴装技术来说，可以让一些专业的返修操作人员使用简单的技术和设备进行返修，但是常常无法满足元器件的精度和达到预期的效果。SMT生产与管理对于标准的表面贴装器件(SurfaceMountDevices简称SMD)来说，允许直接接触焊点，这样可以满足简单的测试和快速修整桥接或焊点缺陷。通过与这些焊点进行传导接触，通常情况下不要求使用预热、温度梯升斜率控制或冷却循环。SMT生产与管理但是当返修BGA器件和CSP器件时，由于其所具有的特殊性，有关工艺控制工作必须予以认真对待。SMT生产与管理绝大多数用于栅格阵列封装器件的返修设备利用热风来对焊料球实施再流焊接(又称回流焊接)。热风设备的温度控制、气流速率和循环时间必须非常准确，气流必须直接始终如一地作用在器件上。经过特制的吸嘴，一般设计成可适用于各式各样的元器件。SMT生产与管理随着对有关问题的深入认识，在针对新型元器件的返修考虑中，热分布曲线的建立成了一项关键因素。比较理想的情况是从安置在电路板组件上关键位置处的热电偶上获取温度数据与时间的关系。这些数据经过分析可以做一些细微的调整，以适用于实施工艺处理控制。由此所建立的经验证的和可靠的曲线，可以满足特殊的板和应用需求。SMT生产与管理返修工艺类似于原产品的工艺处理过程，在那时整个板可以被实施预热处理。但是在实施返修时却有着显著的不同，因为此时仅要求局部区域被加热至再流的温度，而不是整个PCB组件。SMT生产与管理热分布曲线参数一般为板的层压和电路板的设计、焊剂的使用，以及允许使用的焊料种类所左右。SMT生产与管理对于栅格阵列器件来说，预热可能是加热曲线中值得人们注意的最重要部分。为此，预热时可以尽量达到由焊剂制造厂商所规定的焊剂活化温度(一般情况下为80~120℃)。SMT生产与管理在保温期间，温度保持相对稳定，一般低于再流温度。均热处理所花时间应确保活化焊剂，增强其除去氧化物的能力。SMT生产与管理处理时一定要倍加小心，保温处理时间不能太长。不然的话，焊膏将会开始迅速氧化。此外，保温处理起到了防止在再流期间发生沸腾挥发现象，以致污染板和在焊点上留下气孔。SMT生产与管理在使焊接点形成再流的区域，焊料开始融化。此刻允许元器件进行卸除，或者在贴装工艺实施期间使焊接点成形。此刻，对峰值温度必须予以控制。因为如果超过规定的温度，就有可能会损害到对温度敏感的元器件。SMT生产与管理另外，再流焊接的时间也必须予以控制，以使焊料熔化，从而形成一个可靠的连接。在实施返修工艺操作时，仅要求欲被返修的元器件完全发生再流，因此气流的速率和对邻近元器件的防护也是很重要的。SMT生产与管理在冷却区域所确定的时间，应当满足焊接点凝固的控制。同时也应该防止由于温度突然发生变化，所产生的对电路板和元器件的损害现象。因为如果一个焊点保持升高温度时间太长，当温度降低太过分时，就有可能形成金属互化物现象。SMT生产与管理有关数据必须认真收集，以求针对每个热分布曲线形式建立起一个准确合理的返修工艺处理规范。有关温度、气流速率和循环时间应该予以认真地调整，直至使所建立起来的热分布曲线能够满足在该项应用中对焊剂或焊膏的规定。SMT生产与管理2.实际数据的获取为了能够确认返修工艺规程是否有效，在实际操作的板上必须装配热电偶。针对有关优选和最精确的技术要求，常常要求牺牲掉一块PCB。SMT生产与管理为了能够绘制BGA或CSP器件的热分布曲线，最可靠的技术是通过在板的底部进行钻孔的方式，将热电偶连接至靠近球栅阵列中心的焊盘上。SMT生产与管理目前使用高温粘接带来安置热电偶的情况非常普遍，因为它很容易与任何表面进行黏结。然而使用黏结带却很难在热电偶接触点和焊料接触点之间保持强有力的热接触。SMT生产与管理总之，当我们返修栅格阵列等新型封装器件时，为了能够保证重复的工艺控制，必须建立起准确有效的热分布曲线。以往那种为了满足返修应用需要而采用的对PCB测试方式和数据令人头痛。当考虑新型元器件自为了能够建立起良好的热分布曲线，牺牲掉一块PCB的费用，以及由相关整体时间和费用可以忽略不计。SMT生产与管理