作者:Bob Wettermann, BEST 公司

我在七年前写的文章中列出要成功地返工BGA需要克服的几个最主要的挑战。随着BGA技术的不断进步,现在是修改这个清单时候了。如果你继续读下去,就会发现我对现在的BGA返工面临的最大挑战做了一些改动(清单中所列的挑战的排名不分先后)。

挑战之一:非常大的BGA

随着设备变得越来越复杂而且对计算能力的要求不断提高,BGA封装的最大物理尺寸也在不断变大。目前,一些正在开发的BGA封装的尺寸打算做到125x 125毫米。对于从事返工工艺的技术人员来说,在返工这些大尺寸封装时将面临一些非常大的挑战。

目前,针对这种大型封装的贴装系统,会受到分离视角棱镜系统的限制,该系统在贴片过程中要求元件保持对齐。要成功地处理这样的大型封装,需要升级BGA返工设备的视觉系统。

底部加热器要确保封装所在的电路板均匀受热,就必须升级加热器,才能达到这些大尺寸BGA元件的封装的要求。尺寸不足的底部加热源可能会导致从元件顶部到底部区域的温度梯度不一致,从而使元件的不同区域在不同时间进入回流。这会导致BGA上的焊锡球被拉伸或拉长;由于使用不适当的温度曲线会造成焊锡球“冷脱开”,还会损坏电路板上的BGA焊盘。

在整个元件的表面区域保持温度一致是返工这些大尺寸封装面临的另一个挑战。在返工时,热空气返工喷嘴喷出的气流中的湍流会使喷嘴很难使整个元件表面的回流温度保持一致,这会使元件表面的回流不均匀,导致移除这些大封装的能力受到限制。在通常情况下,许多市售的红外返工系统的光点尺寸不能覆盖这些封装的整个尺寸,不能均匀地加热元件

为这些大型封装定制加工的电路板支架、通过焊膏印刷来打开工艺窗口的固定钢网、以及全面掌握正确的温度控制技术,在这些条件都具备的情况下,尽管能做到的程度有一定的限制,但还是可以使比较老旧的设备来适应这些尺寸比较大的封装。

挑战之二:损坏相邻的器件

在返工过程中,可能会损坏返工区域内和周围的元件,这是由于通常使用的热源(红外热源和热空气源)可能会造成相邻元件出现热损坏。必须对返工位置附近的元件,例如铝、钽和陶瓷电容器、晶体、振荡器、塑料外壳元件和其他的元件作适当的热屏蔽。LED和摄像头也可能会在回流温度下被损坏。

这些相邻的元件不仅在热暴露下会受到损坏,如果加热区域和温度循环控制不当,它们还可能也被送去回流。在返工BGA时,这可能导致较重的元件在BGA返工时从PCB的底部掉下来。此外,在回流焊锡时,还会增加焊锡圆角中形成的金属间化合物,导致元件和PCB之间形成的机械连接比较脆弱。

使用适当的热屏蔽材料,就可以避免这些问题1。现在可以使用更新的材料来保护元件,在回流时既能达到回流温度,又不会损坏元件。吸水的冷凝胶和陶瓷无纺布这样的隔热材料是最有效的隔热材料。

挑战之三:使用底部填充材料的BGA

底部填充材料已经进入各个行业,包括汽车、军工和航空航天应用。在元件发生机械碰撞和冲击时,元件中的底部填充材料通过分散元件受到的作用力来提高元件的可靠性。使用底填充材料可以减小元件和PCB之间热膨胀系数不匹配引起的热应力。但是,底部填充材料的广泛使用增加了对底部填充材料的元件返工方案的需求。在未来五年内,底部填充材料的元件预计会以每年超过5%的速度增长,为底部填充材料组件在返工时找到合适的返工方案仍然很有挑战性2。

在返工过程中,可能会损坏靠近PCB同一侧或反面的BGA返工位置上的元件。由于底部填充材料在达到焊锡的液相温度之前就软化了,靠近返工位置的底部填充材料会将焊锡从理想位置“推出去”,从而造成焊接异常,例如短路缺陷或其他焊接缺陷。

另一个主要的返工挑战,是在取出元件的过程中把BGA从这些材料中剥离出来。在回流过程中,底部填充材料的粘性将BGA紧紧地固定在PCB上。要把BGA取出来,返工技术人员要么用刀“切割”底部填充材料,要么使用专门设计的吸嘴把BGA从电路板上拉出来。这两种操作都可能导致损坏PCB焊盘或PCB阻焊膜的结果。一旦BGA被取出,就必须把这些底部填充材料和残余的焊锡从电路板上手动清洗掉。这个劳动密集型工艺是必要的,确保在更换BGA之前返工位置得到充足的清洗。

比较新的返工方法,例如使用受到高度控制的铣削工艺进行冷去除,或者对元件进行激光烧蚀,可以克服这些返工挑战。这些先进的方法虽然速度更快且可以重复,但这不仅需要增加成本,对于部分返工供应商而言,还需要更高级的编程和处理技能。

挑战之四:镜像BGA

在双面PCB的两侧“背靠背”地贴装BGA时,这种配置被称为“镜像”(图2)。由于电路板上的元件密度不断提高,这对BGA返工将带来持继的挑战。在BGA返工过程中,有必要从要拆除和更换BGA的另一侧对PCB进行预热。这样的预热必须从返工位置的下面一侧加热待返工的BGA,使下面一侧的BGA暴露在至少125°C的环境中。此外,在进行热循环时,这还会导致下面一侧的BGA向高温暴露的时间比较长,从而增加BGA损坏或翘曲的可能性。它还可能导致返工位置下面一侧的元件进入回流状态,造成焊接异常和焊点脆化。另一种危险的情况是,返工的BGA下面一侧的BGA元件的质量比它更大,这个质量更大的元件可能从电路板上“脱落”,因为熔融焊锡的表面张力也许不再能克服向下拉这个元件的重力了。

总结

BGA返工的挑战在不断变化。目前在BGA返工中面临的最大挑战来自于大尺寸的BGA封装、与周围元器件距离很近的BGA、带有底部填充的BGA和镜像BGA。

参考文献

1.“Shielding Effectiveness of Polyimide Tape Dur- ing Rework,” by Adam Gaynor and Bob Wettermann, Circuits Assembly Magazine, Oct. 1, 2014.

“Electronic Board Level Underfill Material Mar- ket,” by Future Market Insights Global Consulting, 2022.

Bob Wettermann is the principal     of  BEST  Inc., a contract rework and repair facility in Chicago. For more information, contact info@solder.net. To   read      past columns, click here.

作者简介:Bob Wettermann是BEST公司的负责人,Best公司是一家设在美国芝加哥的合同制返工与维修工厂。