BGA返修和返修工作站

BGA返修和返修工作站 张国琦 ,曹捷 ,麻树波 (西安中科麦持电子技术设备有限公司 ,陕西 　西安 　710119) 摘 　要 :介绍了 BGA的返修内容和一种 BGA返修工作站。对 BGA返修工作站的技术特点、 温度控制、热风控制进行了较详细的介绍。作为电子装联生产线的末端设备 ,能够安全地对产品进 行返修是最关键的 ,从返修的过程分析了如何提高返修操作的安全性 ,保证这项工作的意义 ,在保 证安全的同时提供最大的方便性。 关键词 : BGA;返修工作站 中图分类号 : TN 605　　　文献标识码 : A　　　文章编号 : 1001 - 3474 (2009) 01 - 0025 - 04 BGA Repa ir or Rework and W orkstation ZHANG Guo - q i, CAO J ie, M A Shu - bo ( X i′an Kema ite in Electron ic Technology Equ ipm en t Co. , L td, X i′an　710119, Ch ina) Abstract: Introduce BGA repair or rework p rocess and the worksation, including technology feature, temperature control, hot air control and so on. The workstation is the end equipment of SMT line, and can repair or rework the p roducts in safety that is important. Analyse how to imp rove p rocess safety and opera2 tion convenience from repair or rework p rocess. Key words:BGA; Repari or rework workstation; SMT D ocum en t Code:A　　　Article ID : 1001 - 3474 (2009) 01 - 0025 - 04 1　BGA结构 BGA结构主要分为三部分 ,如图 1所示。主体 基板、芯片核心和外部封装。基板一面为焊接面 ,另 一面为芯片封装面。焊接面上球形焊点矩阵状排 列。基板为特别精细的印制线路板 ,有双面板与多 层板几种形式。在芯片封装面上 IC芯片以 COB方 式与基板连接。 2　BGA返修 BGA的返修技术在于如何将 BGA器件无损伤 从 PCB上拆卸下来 ,再将新的器件准确地贴装上去 并进行高质量的焊接。返修 BGA的基本步骤为 :拆 卸旧的 BGA元件、去除残留焊料并清洗这一区域、 贴装新的 BGA器件、建立温度曲线、回流焊接 BGA。 拆卸 BGA首先要对 BGA加热 ,加热方式可采 用热风对流及红外辐射两种方式 ,通常要求加热温 度是可控制的 ,可通过设置最高温度和加热计时器 来保证可重复性。如果采用热风加热方式 ,热喷嘴 应从顶部加热 ,热喷嘴尺寸应小于或等于器件的塑 模。一般不从器件底部加热 ,因为这样会导致剥离 损坏 ,并使邻近器件局部再流。如果要拆下的器件 早已是坏的 ,就不用考虑熔化温度和时间 ,如果要拆 下的器件还准备再用 ,在加热和拆卸之前 ,在器件下 面加一些液体助焊剂可使加热均匀。为避免板子或 其它器件的损坏 ,要小心地控制其加热量、加热方向 和热风溢出量等。 器件拆卸后 ,必须为新器件的焊接做好准备 ,清 除遗留在板子上的焊料带把它们吸走。高温喷嘴和 低温接触工具结合使用不会损坏 PCB。同时为了保 证焊盘阵列的共面性和清洁度 ,为新的 BGA焊接创 造良好的环境 ,还要对返修区进行热风整平 ,首先施 作者简介 :张国琦 (1963 - ) ,男 ,毕业于华中科技大学 ,高级工程师 ,主要从事 SMT设备及工艺研究工作。 基金项目 :陕西省西安市科技创新支撑计划项目 (项目编号 : ZH0713)。 52 第 30卷第 1期 2009年 1月 　　　　　　　　　　　　　　　 电 子 工 艺 技 术 Electronics Process Technology 　　　　　　　　　　　 加一种认可的焊剂 ,然后降低 BGA拆卸喷嘴进行热 风对流 ,这将有效地清除任何遗留在 PCB上的微小 焊料毛刺及残渣 ,从而保证良好的可焊性。 图 1　BGA结构图 熟练的技术人员可以凭经验手工贴装 BGA ,但 并不提倡用这种方法。目前返修工作站使用的方法 是 ,用分光视觉系统把 PCB焊盘和 BGA焊点同时 成像在显示器上 ,调节 PCB的位置 ,使 PCB焊盘和 BGA焊点重合 ,这样 BGA贴在 PCB焊盘上后 , BGA 焊点就和 PCB焊盘对应上了。 与传统的 SMD相比 , BGA 对温度控制的要求 要高得多。必须逐步加热整个 BGA,使焊接点发生 回流焊接。如果不严格控制温度、温度上升速率和 保持时间 (2 ℃ / s～3 ℃ / s) ,回流焊就不会在 BGA 焊点同时发生 ,而且还可能损坏器件。为避免损坏 新的 BGA ,预热 (100 ℃～125 ℃)、温度上升速率和 温度保持时间都很关键。 3　ZKRS - 2008BGA高性能返修工作站 ZKRS - 2008如图 2所示。可在 PCB上贴装各 种各样的表面贴装器件 ,如 CSP 、BGA 、QFP及其 它特殊器件。通过高精度控制热风加热的温度 ,使 各种表面贴装器件自动贴装 ,自动拆装得以简单实 现。这种机型增加了一对一实时加热和其它新机 构 ,可加工大到 50 mm ×50 mm的 BGA 以及小到 5 mm ×5 mm 的 CSP 。 图 2　ZKRS - 2008 作为 BGA 返修工作站的高端机型 , ZKRS - 2008安装有贴片压力自动控制机构 ,对于局部加热 而引起的 PCB弯曲变形 ,该机可按照设定压力 ,通 过步进电机实时控制热风贴装嘴的上下位置 ,消除 PCB的变形压力 ,保证贴片压力一致。同时对被加 热 IC的表面进行温度测量 ,通过采用“新型实时温 度控制 ”方式 ,使得 PCB不连接温度传感器也能够 进行实时温度控制的返修作业。即可在没有 PCB 状态校准样板的情况下进行工作。该返工系统可从 第一块电路板开始进行连续加工。而且 ,该系统还 可以通过步进马达调节由于安装压力和加热引起的 膨胀。高效率的电路控制可以帮助您调节系统的各 种状态。 3. 1　技术特点 3. 1. 1　新型实时温控系统 通过对元件温度的直接测量 ,实时控制 ,使用户 不需要考虑加热器温度 ,直接输入目标温度值 ,即可 进入返修工作状态的新型加热控制系统。 3. 1. 2　半自动菜单化功能 只需在触摸屏上输入加热温度目标值 ,即可实 现每次温度的自动控制 ,菜单设定有多种设定参数 内存 ,一触即可呼出。实际的温度资料可以储存在 记忆磁卡里 ,对品质的保证提供支持。 3. 1. 3　自动提升机构 热风拆焊头的独立上下自动移动 ,元件拆下时 进行自动位置提升的“自动提升机构 ”可以节省作 业的时间。 3. 1. 4　无铅制程 配置有对加热器供气的专用接口。通过使用氮 气 ,可以减低表面张力和防止焊料氧化 ,得到稳定的 品质保证。 3. 1. 5　可编程压力控制系统 贴装元件时对组装压力进行自动控制 ,通过可 编程压力控制系统在加热时控制夹头和 PCB连动 以完成高品质的贴装。 3. 1. 6　高倍率电动聚焦系统 该系统配备有上下独立高亮度的 LED照明系 统。更有液晶显示器支持高精度的位置对准。使高 精度的位置对准可以通过直接观察实现。 3. 1. 7　高稳定性和紧凑密集设计 底座采用铸造件 ,实现了高刚性 ,使贴装的高精 度得以保证。充分体现整体机构合理性 ,标准型号 可以对应 400 mm大型 PCB的同时使机器整体尺寸 得以做到紧凑密集。 3. 1. 8　充足的加热能力 采用特有的加热控制算法使热风对 PCB的上 下进行加热 ,同时配备了远红外线大型辅助加热器。 具备对应大型 PCB和多层板的充足的加热能力。 62 　　　　　　　　　　　　　　电 子 工 艺 技 术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 30卷第 1期 3. 1. 9　杰出的人机界面 参数设定简单 ,作业操作方便直观。温度参数 的设定可以通过在触摸屏上的简单操作实现。同 时 ,设定和保存的温度参数数据可以储存在存储磁 卡里 ,并在电脑上还原出来。在重复作业时 ,可通过 选择菜单和各自的自动模式 ,使高精度的返修作业 得以简单实现。 3. 1. 10　最接近正确位置的高倍率电动聚焦 电动聚焦系统使得窄间距 IC芯片可以得到准 确的贴装。在把操作者从疲劳中解放出来的大屏幕 位置对准显示器上 , BGA球以红色的光点被表示。 同时由于组合夹头的直线度和底座的刚性使得贴片 的高精度得到保证 ,而且使其对下一步高密度贴装 成为可能。 3. 2　多点温度测量的适时温度控制系统 拆除和焊接原件的核心问题是元器件的焊接接 触点是否按照既定的温度设定要求进行加热的过 程 ,如何去控制这个过程最为重要 ,人们常常注重的 是如何去控制加热 ,比如 P ID算法 , Fuzze模糊算法 等 ,但是我们分析加热的控制过程就会发现 ,真正影 响加热控制的关键在于测量的数据是否是真正元件 的温度。这就是核心 ,假如一个控制系统的测量系 统不稳定或者不是真正需要的温度 ,再好的控制算 法也不会得到希望的效果。现在分析加热控制过 程 ,如图 3所示。 图 3　控温系统简图 图 3看出 ,加热过程就是设定值和测量值的比 较之后做出相应的动作 ,设定值是在控制器中的数 据 ,动态变量就只有测量值 ,所以我们关注这个值 , 决定该值的元素就是传感器和温度控制模块。 3. 2. 1　温度传感器的选择 我们采用 K型热电偶 , K型也即镍铬 - 镍硅热 电偶 ,在 - 40 ℃～500 ℃的温度范围内 , K型热电偶 的热电势与温度有良好的线性关系 ,由于这种合金 具有较好的高温抗氧化性 ,可适用于氧化性或中性 介质中。它可长期测量高温 ,它的重复性很好 ,产生 的热电势大 ,因而灵敏度很高 ,而且它的线性很好。 热电偶是工业中常用的温度测温元件 ,具有如 下特点 : (1)测量精度高 :热电偶与被测对象直接接 触 ,不受中间介质的影响 ; (2)热响应时间快 :热电 偶对温度变化反应灵敏 ; (3)测量范围大 :热电偶从 - 40 ℃～ + 1 600 ℃均可连续测温 ; (4)性能可靠 , 机械强度好 ; (5)使用寿命长 ,安装方便。 3. 2. 2　温度控制模块 有了可靠且反映速度适当的传感器之后 ,温度 控制模块的作用至关重要 ,温度控制模块的核心技 术在于模数转换的精度和速度 ,模块的运算速度和 数字输出的精度 ,我们采用模块直接连接传感器 ,模 块直接进行数据转换计算输出。 (1)模块的转换精度和速度 ,我们选用的模块 的转换精度高达 16位 ,能够精确到 0. 1 ℃,转换时 间为 500 m s,对于一般的控制系统周期为 4 s,如此 小的转换时间足以满足控制要求。 (2)两个自由度的 P ID控制。在较早的 P ID控 制器中 ,控制器的同一控制部分同时控制对时间电 压的响应和对扰动的响应。这种设计的缺点是不可 能同时满足对二种响应的控制。如果着重对扰动响 应 (即减少 P和 I,增加 D ) ,则对时间电压的响应出 现振荡和超调。如果着重对时间电压的响应 (即增 加 P和 I,减少 D ) ,则对扰动的响应将延迟。为了 解决这些问题 ,这种温度控制单元使用具有二个自 由度的 P ID控制 ,采用两个自由度的 P ID控制同时 改善扰动和目标响应 ,如图 4所示。 图 4　不同控制方式的控制结果比较 (3)温度控制单元配有自动调整功能 (AT)。 温度控制单元配有自动调整功能 (AT) ,该功能使用 “有限周期法 ”计算被控系统的最佳的 P ID 常数。 722009年第 1期 　　　　　　　　　　　　　　张国琦等 : BGA返修和返修工作站 自动调整功能能够减少用户对控制参数的设定和修 改。满足最大范围的加热需求。 (4)具备加热器的烧短检测。 在焊接加热过程中 ,可能出现加热器烧短的可 能 ,我们给每个加热组安装电流互感器 (CT)检测加 热器的状况。 元器件的返修过程是一个位置和元器件不确定 的过程 ,这个操作 ,不会大批量进行 ,也就是说 ,需要 微量调整的过程比较多 ,如果采用多次摸索得到合 适的温度设定曲线 ,对于返修产品是非常繁琐的工 作 ,另外对于电路板和元器件的多次热冲击是不利 的 ,所以本系统采用的多点温度测量的适时温度控 制系统 ,既保证了所需加热部分的真实温度 ,又提高 了返修的一次成功率 ,减少对 PCB 的反复加热破 坏。无铅焊温度曲线具有更小的工艺窗口 ,系统能 实施“真正的闭环回流工艺控制 ”。 3. 2. 3　可编程控制的热风加热系统 元件的焊接与拆卸的加热系统 ,至关重要 ,它关 系到元器件的保护 ,是整个操作过程的核心。该系 统具备热风流量控制系统 ,压力和流量决定加热系 统的成败 ,我们采用“质量气体流量计 ”对系统的加 热进行控制。质量流量控制器用于对气体的质量流 量进行精密测量和控制。它们在半导体和集成电路 工艺、特种材料学科、化学工业、石油工业、医药、环 保和真空等多种领域的科研和生产中有着重要的应 用。质量流量控制器和质量流量计具有精度高、重 复性好、响应速度快、软启动、稳定可靠、工作压力范 围宽等特点其操作使用方便 ,可任意位置安装 ,并便 于与计算机连接实现自动控制。 在返修站的加热系统上 ,有两种加热方式可以 选择 ,红外加热和热风加热方式。红外加热方式具 有加热均匀且不会产生气流 ,不会造成元件偏移 ,如 图 5所示。 图 5　BGA图片 BGA的焊点全部设计到元件的下面 ,热风方式 就可以绕到元件下面 ,进行加热 ,而红外方式只能通 过传导方式进行 ,也就是说 ,元件本体必须承受大于 焊点的温度才可以进行焊接或者拆除 ,这样就大大 加大了损坏元器件的可能性。而热风可以完全避 免。另外一点关于气流偏移的问题。我门采用流量 计进行控制解决。 我们的加热器件采用风管式组合 ,这种设计可 以适时精确地控制风流量 ,并且可以充氮气使用 ,进 行无铅 PCB的返修工作。 3. 2. 4　具备可编程力控制的元件操作轴 凡是需要返修的电路板 ,都会有如下特点 , PCB 或者元器件昂贵且数量有限 ,只有这样的产品才会 考虑到返修 ,具备返修的价值。如此一来 ,对于 PCB 和元器件的保护显得非常重要 ,那么是什么过程会 造成它们的损坏呢 ? (1)不适宜的温度 ; (2)不适宜 的安装和拆卸操作。 拆除元件过程分为对准元器件加热和机械拆除 两个过程 ,加热系统的控制由上述多点温度测量的 适时温度控制系统提供有力的保证 ,所以我们现在 重点考虑机械拆除的过程。 本系统组成 :真空吸嘴、驱动步进马达和压力传 感器。操作过程是 ,在加热区温度达到设定范围后 , 启动真空吸嘴和步进马达 ,取走元件 ,在这个吸取过 程中 ,压力传感器起到至关重要的作用 ,控制拉力范 围 ,用户可以设定最大的压力值 ,当元件承受的拉力 在该值范围中时 ,允许操做执行 ,当超出该值 ,放弃 操作 ,并报警。这样就不会因为个别焊点还没有融 化就被直接拉断 ,造成元器件和 PCB焊盘的损伤。 元件安装过程如下 , PCB印刷焊膏 ,位置对准 , 元器件操作轴吸取元件后由步进马达放置 ,在这个 过程中 ,如何保证元器件适度地贴放到焊膏上至关 重要 ,标准为元件接触到焊膏下压 ,此压力既保证元 器件与焊膏充分结合 ,又不至于损坏焊膏的本身形 状。在回流焊接的过程中 ,焊膏的印刷和贴片过程 非常重要 ,占到焊接不良的 90%。设备配备的压力 传感器完全避免了压力问题 ,保持了一致性。 4　结论 BGA的返修过程是必不可少的 ,而一台优秀的 返修工作站 ,必须具备各种保障能力 ,能够最大化地 方便操作实用 ,能够最大化地保证 PCB返修成功 , 使得 BGA的返修真正具有其价值。 参考文献 : [ 1 ]　梁万雷. BGA 的无铅返修工艺 [ J ]. 电子工艺技术 , 2008, 29 (3) : 139 - 141. [ 2 ]　王天曦 ,王豫明. 贴片工艺与设备 [M ]. 北京 :电子工 业出版社 ,. [ 3 ]　韩满林 ,赵雄明. BGA返修工艺 [ J ]. 电子工艺技术 , 2008, 29 (4) : 214 - 217. (收稿日期 : 2008 - 11 - 24) 82 　　　　　　　　　　　　　　电 子 工 艺 技 术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 30卷第 1期