電子組裝用BGA器件的無鉛返修過程中的焊接溫度曲線分析

楊潔

（南京信息職業技術學院機電學院，江蘇 南京 210046）

隨著電子產品的小型化多及功能化的發展，芯片的集成度越來越高,芯片的引腳間距也越來越小。對于BGA在組裝過程中出現的偏移、漏焊、橋連等缺陷，利用普通手工焊接工具很難進行返修，需要通過返修工作站并按照一定的返修工藝完成。本文基于ERSAIR550A返修工作站，介紹了BGA器件的無鉛返修工藝。

1 BGA器件無鉛返修工藝流程

BGA器件的無鉛返修工藝見圖1所示。

將需要拆卸BGA的表面組裝板放在返修系統的工作臺上，選擇與器件尺寸相匹配的噴嘴，并將熱風噴嘴扣在器件上。然后選擇適合的吸嘴，調節吸取器件的真空負壓吸管高度，打開真空泵開關，根據器件的尺寸、PCB的厚度等具體情況設置拆卸溫度曲線。

拆卸掉BGA器件后，先用電烙鐵和拆焊編織帶將PCB焊盤殘留的焊錫清理干凈、平整，可然后用異丙醇或乙醇等清洗劑將助焊劑殘留物清洗干凈。

由于塑料封裝的BGA對潮氣敏感，因此在組裝之前要檢查器件是否受潮，如果已經吸濕，需進行去潮處理。然后再返修工作臺或顯微鏡下，將焊膏印在PCB焊盤上。

將印好焊膏的表面組裝印制板安放在返修系統的工作臺上。選擇合適的吸嘴，將BGA器件吸起來，用攝像機頂部光源照射已經印好焊膏的BGA焊盤，調節焦距使監視器顯示的圖像最清晰。然后拉出BGA專用的反射光源，照BGA器件底部并使圖像最清晰。調整使BGA底部焊球和BGA焊盤完全對應重合。待完全重合后，把BGA器件貼裝到PCB上，然后關閉真空泵。

焊接時需要嚴格設定焊接溫度曲線，溫度曲線設定完成后，選擇與器件尺寸相匹配的四方形熱風噴嘴，并將熱風噴嘴安裝在加熱器的連接桿上，注意安裝平穩。打開加熱電源，調整熱風量，開始焊接。

焊接后，應采用X光或超聲波檢查設備對BGA器件的焊接質量進行檢驗。在沒有檢查設備的情況下，可通過功能測試判斷焊接質量。如果以上設備均沒有，可以把焊好BGA的表面組裝印制板舉起來，對光平視BGA四周，觀察焊膏是否完全熔化、焊球是否塌陷、BGA四周與PCB之間的距離是否一致等，以經驗來判斷焊接效果。

2 BGA器件的無鉛焊接溫度曲線設置

合理的溫度曲線是BGA器件成功返修的關鍵，其返修回流焊的曲線應當與原始的焊接曲線接近。設置BGA器件的無鉛焊接溫度曲線時，應綜合考慮BGA種類、印制板及BGA在PCB上所處的位置等因素。回流焊曲線可分成四個區間:預熱區、保溫區、回流區(焊接區)和冷卻區。四個區間的升降溫速率、加熱溫度等參數須分別設定。

2.1 預熱區參數設定

預熱階段的目的是把焊膏中較低熔點的溶劑揮發走，防止回流過程中產生錫珠、氣孔等缺陷。因此，預熱溫度一般為120℃ ～150℃。同時，一定要控制升溫速率，太高的升溫速率會造成元件的熱應力沖擊，損傷元件或降低元件性能和壽命，也會造成焊膏的塌陷，引起短路的危險，并且太高的升溫速率使得溶劑揮發速度過快，容易濺出金屬成分，出現錫珠。因此，在預熱階段，升溫速率一般設定為2℃/s，最大的不超過3℃/s。

2.2 保溫區參數設定

在這個階段，溫度上升速度緩慢。保溫階段的設定主要應參考焊膏供應商的建議和PCB板熱容的大小。保溫階段的作用主要有三個，首先是使整個PCB板都能達到均勻的溫度，減少進入回流區的熱應力沖擊；同時，溫度升高促使焊膏中的助焊劑開始發生活性反應，增大焊件表面潤濕性能；最后，進一步揮發助焊劑中溶劑。

由于保溫階段的重要性，因此保溫時間和溫度必須很好地控制，既要保證助焊劑能很好地清潔焊接面，又要保證助焊劑到達回流之前沒有完全消耗掉，在回流階段能夠起到防止再氧化的作用。一般地，BGA底部焊盤位置的溫度控制在在150℃ ～200℃，且PCB底部的溫度設定在160℃左右，保持60S～180S。為防止過多的焊接缺陷，保溫區末端升溫速度一般設定在3℃/s～4℃/s。

2.3 回流區參數設定

經過保溫階段后，PCB焊盤和BGA焊球表面比較潔凈，無鉛焊料一般回流區的峰值溫度為230℃ ～240℃ ，超過225℃以上的時間控制在 15 S～30 S，熔點溫度以上保持 60S～120S，以達到良好焊接。為避免PCB變形，此階段應保證PCB底部溫度約在200℃。合理的峰值溫度時獲得良好焊接的保證。圖2是BGA器件的焊接過程示意圖。

圖2 BGA器件焊接過程示意圖

2.4 冷卻區參數設定

好的冷卻過程對焊接的最后結果也起著關鍵作用。較快的冷卻速度可以細化焊點微觀組織，改變金屬間化合物的形態和分布，提高焊料合金的力學性能。但是太快的冷卻速率，也將會造成對元器件的沖擊，造成應力集中，使產品的焊點在使用過程中過早失效，因此回流焊接必須提供良好的冷卻曲線。

為保證PCB和BGA芯片逐步降溫，冷卻速率控制在3℃/s～4℃/s。BGA器件的無鉛返修溫度曲線見圖3所示。

圖3 BGA器件無鉛返修焊接溫度曲線與SnPb溫度曲線對比

3 結論

BGA器件的無鉛返修具有高溫、潤濕性差、質量控制難度大等特點，常用返修工作站進行返修。為了得到高質量、高效率的BGA返修工藝，必須通過實踐反復調整無鉛返修相關參數。使用優化的BGA無鉛返修工藝,保證了SMA的可靠性,為SMT技術的發展提供了新的動力。

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