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一种关于小QFN器件返修的解决方案
  2024-01-02      1081

一种关于小QFN器件返修的解决方案

杨赛周强、聂富刚

(中兴通讯股份有限公司,广东 深圳518057)

摘要:随着大规模集成电路及超大规模集成电路的发展,芯片小型化趋势越来越明显,QFN封装元器件据有功能强大,体积小,重量轻的特点得到了广泛的使用。但是当QFN封装元器件出现故障需要进行返修时,由于QFN封装元器件小,引脚细,精度高等特点,以及PCB布局密集复杂,时常出现不能使用常规方法在PCB上印锡返修问题,这对返修提出了更高的技术要求。

为解决上述背景技术中提到的问题,本发明提供了一种新的针对密脚器件的返修装置,其包含印锡工装,用于芯片引脚上印锡;焊点观察设备,用于实时观察芯片引脚焊接状态,包括放大镜支撑支架,放大镜位置和角度万向可调;热风仪焊接设备,用于将印好锡的芯片焊接到PCB板上,包括风嘴固定工装;

关键词:密脚芯片返修、焊点观察设备、印锡工装

1背景描述

目前家端最小QFN芯片封装尺寸是3x3mm,引脚间距air gap 是0.25mm,芯片太小难以印锡和焊接;并且家端模块器件密集,芯片周围2mm处布满阻容器件,印锡钢片不能在单板上定位,所以不能使用常规的方法在PCB板的焊盘上印锡

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图1 返修器件示意图

案例1:5号粉点锡机印锡,其主要问题:0.15mm针嘴点5号粉锡膏,存在针嘴频繁堵孔问题,清洗和穿孔后改善效果不大,而且点锡出来锡量不均匀,不满足批量返修过程稳定性要求

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图2 点锡效果示意图

案例2焊盘烙铁除锡和加锡,可操作性差:烙铁加锡时容易撞到焊盘四周密集的元器件,并且加锡不均匀,无法使用钢网印锡,一致性差。

案例3放置芯片,人工操作单凭肉眼难以将印好锡的芯片精准定位到单板相应位置上,放置错位后导致连锡问题。

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图3 吸笔取放芯片

案例4人主要是借鉴BGA芯片植球印锡的方法,一开始尝试芯片引脚小需要在引脚上植球,但是焊球不好粘在芯片引脚上,并且散热焊盘的锡量偏少;由于芯片太小难以和植球钢网对准位置。

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图4 芯片植球

2、案设计及实现

2.1方案设计

2.1.1设备方案设计

这套返修装置其包含印锡工装,用于芯片引脚上印锡;焊点观察设备,用于实时观察芯片引脚焊接状态,包括放大镜支撑支架,放大镜位置和角度万向可调;热风仪焊接设备,用于将印好锡的芯片焊接到PCB板上,包括风嘴固定工装;本发明针对微型密脚器件难以在PCB焊盘上印锡问题,设计了一套带焊点放大观察的返修设备,具有返修成功率高,可大批量返修的优点。

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图5印锡工装和钢网

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图6焊点观察设备

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图7齐套设备

2.1.2钢网开口设计

2.1.2.1钢网开口设计理论计算过程

A)厚度:因为是手工印锡并且引脚开口小,0.1mm厚度容易产生不下锡或锡量少问题。

B)引脚:X-ray查看散热焊盘的空洞为50%可算出焊接高度=总锡量/焊接面接=(0.3*0.3*16*0.12*0.5)/(1.955*1.955*0.4)≈0.057mm

有了焊接高度可反算出引脚所需要的锡量=焊盘长*焊盘宽*焊接高度

=0.25*0.4*0.057≈0.0057mm³

芯片两引脚中心距为0.25mm,钢网引脚开口宽为0.3mm的话最近的距离还有0.15mm,可以反算出钢网引脚开口长=引脚所需要的总锡量/焊接高度/钢网引脚开口长=0.0057/(0.3*0.12*0.5)≈0.31mm

考虑到实际印锡时刚网口太小不好下锡,所以将钢网引脚开口长改成了0.4mm,与散热焊盘最近的距离仍有0.12mm左右,不会连锡。

散热焊盘:设计4个0.92*0.92mm的方形,计算的空洞率为1-焊接面积/散热焊盘面积=1-(0.92*0.92*4*0.12*0.5/0.057)/(1.955*1.955)=6%。

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图8芯片尺寸

2.2方案实现

返修流程如下图所示

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 图9返修流程

使用印锡工装在芯片上印锡,把芯片放入下模中,再将上膜对准边角上的定位销套入下模,然后再用小刮刀印锡,印锡饱满无缺少后,再小心移开上膜。

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图10芯片印锡

将印完锡的芯片从工装上取出,使用大嘴热风仪垂直对准芯片加热,温度390+/-20度,时间5~30秒,风嘴高度20~30mm,风速1档。

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图11热风仪固化焊膏

通过固定开口和厚度的钢片刷定量助焊剂,避免助焊膏过量导致焊接时芯片被挥发的助焊剂顶高导致移位;

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图12印刷固定量的助焊剂

焊接温度设置一阶段:5%低风速10s左右固定芯片不被吹偏;二阶段:10%风速(15s~50s)升温区;三阶段:20%风速(15s~30s)恒温区;阶段四:30%风速(8s~25s)助焊剂挥发,芯片坍塌,焊接完成;以实际侧面融锡为准,侧面焊端熔锡后,继续加热5~10s,确保中间接地焊盘熔锡良好。风嘴高度10~15mm,风量5%~30%档。

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 图13焊接过程

3、总结

本文通过设计新的密集器件返修方案能够显著提升密脚器件的返修焊接良率(>90%)和装联可靠性。并且其中的焊点观察设备对于0201和0402封装的小器件也十分适用,据有以下特征:

1)佩戴放大显示设备,能实时观察焊接过程,便于排查焊接过程问题;

2)印锡工装印锡效率高,可同时对多颗芯片印锡;

3)据有返修成本低、效率高和成功率高的特点;

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