BGA元件的维修技术及操作方法

2011-06-14 20:38:08来源: 互联网

列阵封装技术(Ball Gird Arroy),简称BGA封装早在80年代已用于尖端军备、导弹和航天科技中。

随着半导体工艺技术的发展,近年来在手机亦广泛地使用到BGA封装IC元件,它对于手机的微型化和多功能化起到决定性作用。但是,手机制造商却同时利用BGA元件的难维修性,人为加进某些限制来制约手机维修业界,使我们在维修BGA过程中碰到一定的困难,甚至无从下手。笔者从事电子通讯维修十年,并对SMD元件的焊接、解焊设备略有琢磨,籍此向同行介绍BGA元件的维修技术与操作技能,望能以"抛砖引玉",将技术提高到更高层次。

一.BGA维修中要重视的问题

因为BGA封装所固有的特性,因此应谨记以下几点问题:
    ①防止焊拆过程中的超温损坏。
    ②防止静电积聚损坏。
    ③热风焊接的风流及压力。
    ④防止拉坏PCB上的BGA焊盘。
    ⑤BGA在PCB上的定位与方向。
    ⑥植锡钢片的性能。
   BGA在PCB板上的装联焊接本是电子工厂自动化设备进行的,业余情况下碰到上述的问题虽有难度,但凭着细心、严谨、科学的态度,借助先进的返修设备工具,操作容易、成功率是较大的。

二. BGA维修中要用到的基本设备和工具

   BGA维修的成败,很大程度上决定于植锡工具及"热风枪"。笔者及很多同行碰到最多的难题还是植锡困难和"850"操作温度和风压"无谱",就算采用"白光"850热风枪也都会因电压变动的原因,温度和气流也很难掌握,不知不觉中损坏BGA和主板,因此成功率不高。笔者从维修设备市场几经筛选,从精度、可靠性、科学性角度最终还是选用了以下的设备和工具(如下图):
   ① SUNKKO 852B 智能型热风拆焊器。
   ② SUNKKO 202 BGA防静电植锡维修台。
   ③ SUNKKO BGA专用焊接喷头。
   ④ SUNKKO 3050A 防静电清洗器。
   而真空吸笔、放大镜(显微镜更好)则作为辅助使用。

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三. BGA的维修操作技能

   ⑴.BGA的解焊前准备。
   将SUNKKO 852B的参数状态设置为:温度280℃~310℃;解焊时间:15秒;风流参数:×××(1~9档通过用户码均可预置);(如下图)


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最后将拆焊器设到自动模式状态,利用SUNKKO 202 BGA 防静电植锡维修台,用万用顶尖将手机PCB板装好并固定在维修台上。
   ⑵.解焊。
   解焊前切记芯片的方向和定位,如PCB上没有印定位框,则用记号笔沿四周划上,在BGA底部注入小量助焊剂,选择合适被解焊BGA尺寸的BGA专用焊接喷头装到852B上,

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将手柄垂直对准BGA,但注意喷头须离开元件约4mm,按动852B手柄上的启动键,拆焊器将以预置好的参数作自动解焊。

解焊结束后在2秒后用吸笔将BGA元件取下,这样可使原锡球均匀分在PCB和BGA的焊盘上,好处是便于续后的BGA焊接。如出现PCB焊盘上有余锡搭连,则用防静电焊台处理均匀,严重的搭连,可以PCB上再涂一次助焊剂,再次启动852B对PCB加温,最终使锡包整齐光滑。通过防静电焊台采用吸锡带将BGA上的锡完全吸除。注意防静电和不要过温,否则会破坏焊盘甚至主板。
   ⑶.BGA和PCB的清洁处理。
   使用高纯的洗板水将PCB焊盘清洁擦净,采用超声清洗器(要带防静电装置)装入洗板水,将拆下的BGA进行清洗干净。

  

        

   ⑷.BGA芯片植锡。
   BGA芯片的植锡须采用激光打孔的具有单面喇叭型网孔之钢片,钢片厚度要求有2mm厚,并要求孔壁光滑整

 

齐,喇叭孔的下面(接触BGA的一面孔)应比上面(刮锡进去小孔)大10μm~15μm。(上述两点通过十倍的放大镜就可以观察出)。这样才能使漏印而锡浆容易落到BGA上,要注意现市场上较多的劣质钢片都不是激光加工的,而是化学腐蚀法,它除了孔壁粗糙不规则,网孔没有喇叭形或出现双面喇叭孔,这类钢片在植锡时碰到的困难就很大了。采用上述的BGA维修台中之植锡功能→模板和钢片,先在定位模板找到相应的凹位,将BGA元件用双面
胶粘到凹槽内,将带有精密定位方、圆孔的钢片放到定位模板上,再用其附件磁力压块将钢片压贴模板上。由于该套工具独特的三重精密定位装置(BGA→模板→钢片),保证就算闭上眼亦能将钢片网孔很方便、很准确地对准BGA元件小焊盘(但切记钢片刻有字的为向上)。用小刮刀将小量的、较浓稠的锡浆刮到钢片的网孔里,当所有网

孔已充满后,从钢片的一端将钢片慢慢地掀起,BGA芯片

上即漏印出小锡堆,再次用拆焊器如前述对其加温,使BGA上锡堆变成列阵均匀的锡球。如个别焊盘未有锡球,可再压上钢片进行局部补锡。笔者不赞同连钢片一起加温的办法,因为这样除影响植锡球外,还会将精密的钢片热变形而损坏。

⑸.BGA芯片的焊接。
   在BGA锡球和PCB焊盘上沾上小量较浓的助焊剂(要求高纯,可采用活性松香加入到分析纯酒精中溶解出),找回原来的记号放置BGA。助焊的同时可对BGA进行粘接定位,防止被热风吹走,但要注意不能放太多焊剂,否则加温时亦会由于松香产生过多的气泡使芯片移位。PCB板同样亦是安放于防静电维修台中用万用顶尖固定并须水平安放。将智能拆焊器参数预设为温度260℃~280℃,焊接时间:20秒,气流参数不变。BGA喷咀对准芯片并离开4mm时,触发自动焊接按钮。随着BGA锡球的熔化与PCB焊盘形成较优良的锡合金焊接,并通过锡球的表面张力使芯片即使原来与主板有偏差亦会自动对中,如此大功告成。注意焊接过程中不能对BGA进行施压力,哪怕风压太大亦会使BGA下面锡球间出现短路。

 

  
           单面喇叭孔印锡
  
 

四. BGA焊接过程的分析

   大家知道BGA元件的"娇",亦知道PCB主板的"嫩",是异常精密的多层立体交叉式布线,大部分的过层走线只有头发丝的几分之一,因此在焊接过程中往往是决定BGA成败的关键。"拆焊器"的操作与调整相当重要,一是温度,二是气流风压,都必须一清二楚,不能随便,否则前功尽废,甚至带来无可修复毁坏结果,所以使用传统850型"热风枪"就要格外小心,最好先用温度计先测量出热风温度,切不要拿BGA线路板去试吹。为什么相当维修人员觉得焊接BGA太难,主要还是无法掌握"热风枪"的热风参数,依靠主观判断或"经验"去焊接高要求、高精度的BGA元件,从实际和科学的角度上来看,非常的不严谨,自然成功的几率也就低了。
   超温焊接操作,虽然速度很快,但带来两个问题:
   ①BGA锡球应与PCB焊盘所形成的合金成份变得脆、硬并且由于高温氧化而生成疏松的晶粒结构,PCB在装机时氧化的锡球受力容易断裂,出现不良虚焊。
   ②超温会使"嫩"的多层布线主板局部过热变形,严重时起泡分层而报废。同时,现时相当多的维修者使用"热风枪"吹焊BGA时因为没有专用BGA风咀,简单采用将"热风枪"原喷咀拿掉进行操作,由于此时的热风范围很大,往往是将BGA旁的SMD元件一起受热,造成了BGA是焊好了,但其周边的不耐热元件(如钽电解电容、陶瓷元件等)则烧坏,而使用BGA专用风咀就可以安全避免这问题的发生。 过大的风流风压施加在BGA芯片上,等同于外力压到芯片上,由于BGA芯片轻而薄,有可能使锡球内部搭连,前功尽弃。因此,在焊接BGA过程中,科学地设置合适的温度、风流、时间、焊接区域四个参数显得尤为重要。

五. BGA焊接后的检查与PCB主板的清洗

   非专业人员都不具备专用检查BGA焊接质量的X线探测设备,因此我们只能借助放大镜灯对已焊上PCB的BGA元件进行检查,主要是芯片是否对中,角度是否相对应,与PCB 是否平行,有无从周边出现焊锡溢出,甚至短路等,否则都要重新拆焊,绝不能草率地通电试机,以免扩大故障面。而只有在检查无误时方可通电检查电性能和功能。另外,在通电检查性能功能正常后,应对BGA元件及PCB进行超声清洗,以去掉多余的助焊剂和有可能出现的锡屑。

  

   BGA元件安装在手机主板,除了利用锡球焊接PCB外,还在BGA和PCB之间的缝隙注入强力胶水进行加固。而在我们的维修过程中,如何将胶水去掉以利植锡和焊接,这是技能之一;在BGA或PCB的拆焊过程中,由于对"热风枪"温度的难以掌握,往往会错手损坏焊盘甚至脱落,碰到这个问题该如何办呢?这是技能之二;今后随着手机设计技术的发展,其内部线路将大规模地集成为单片化BGA,这样使得BGA的尺寸增大许多,事实上现在有些机型已是这样,而在返修这种大型BGA时,我们应掌握那些较科学的方法,而不是让读者去猜什么"绝技"呢。这是技术之三。以下分别一一介绍。

   一. 胶水的处理
   据笔者掌握,现在手机主板和BGA之间所使用的胶水,基本是三大类型:①醚类粘胶。②环氧树脂粘胶。③聚脂粘胶。而这些胶水在生产施工时,有可能是双组份型固化或紫外光固化,因此,如要对其进行溶胶处理,确有一定困难。现在我们所采取的有效办法是:选取对应的溶胶水并要选无腐蚀性的和挥发量小的。对于解焊BGA同时拆除胶水的,采用智能型拆焊器控制好温度先将BGA与衣板分离,通过合适的温度使胶水变软,但注意胶水未软化前绝不能强行拆拔BGA,否则损无疑。现在市场上的BGA溶胶水,实际效果并不理想,主要是溶胶时间过长(有些需2-3小时)。而笔者采用了"煮汤"办法大大地加速胶水的溶化:找一个小金属盒,如最好是"清凉油"的铁盒,将其清洗干净后作为"锅","煮汤"时将带有胶水的BGA元件放入,然后倒入小量溶胶水,将盖合上。"锅"放置于恒温焊台的烙铁部分,将温度调校到200℃~250℃,烙铁将加热熔胶水,并加速BGA上胶水的分离。但注意如采用的是挥发性强的溶胶水被加热,会造成金属盒上盖冲开,所以小心为上。而主板上残存的胶水,则采用恒温拆焊器定温250℃~280℃先将其加热,然后涂熔胶水,经多次反复直至清除。

   二. BGA或PCB上焊盘损坏的修复
   无论是BGA或是PCB上的焊盘,都是采用铜银合金通过电铸沉积出来的,它在常温时是有足够的机械强度的,但在温度影响特别是超温时,则容易脱落。而我对其修复的办法很简单并可靠:
   ①通过放大镜或显微镜观察,用较尖的刀锋将脱掉焊盘留下的"根",小心地刮开一个小凹圆坑,尺寸与原焊盘稍大些,约0.1mm深度,并刮出"根"的金属光泽出来;

   ②采用耐高温导电胶微量涂上(为修复出与原焊盘相同的焊盘,可以采用BGA植锡钢片反面压上进行漏印上去),然后用150℃左右的热风加热约20分钟,即可成为一个即能耐300℃高温,亦能导电的修复焊盘,而某些文章介绍采用细铜线绕成焊盘状再用锡去焊象头发丝大小的"根",就算能焊上,我们可以想象出有多大的机械吸附强度?并且在续后的对BGA焊接到主板上时,这样的"焊盘"在受温度加热时,非常容易再脱落,造成前功尽弃。(关于耐高温导电胶,如读者需要的,可与笔者联系)

   三. 大型单片式BGA芯片的返修注意事项和方法
   大型单片式BGA芯片,通常指比"拆焊器"头大的IC。笔者在维修手提电脑时经常碰到,而现今的手机亦开始应用起来了。或许,会有人认为返修小型BGA与大型BGA都同样操作即可,那是错误的。原因是小型BGA面积小,相对来说属于"点"型,其对PCB的应力可忽略;而大型BGA面积大,相对来说属地"面"型,其对PCB的应力就需要考虑了。应力变大会出现什么样情况?大家想想BGA钢片受热时,越大的钢片变型越大,这就是应力的作用。如果你维修的手机主板由于大面积加热而出现应力形变,那么您可以想象有什么后果了,因些,碰到这些机子时,应注意三点:1)还是注意温度的设定;2)一定要采用BGA专用喷咀,不要大面积乱吹;3)要采用上下同时加热办法消除和减小受热应力。 具体方法如下:采用BGA维修平台水平固定好主板,在被拆BGA下方放置SUNKKO 853辅助预热台,将温度设定于200℃~220℃,并恒温1分钟,BGA上方仍采用SUNKKO 852并装置BGA喷咀,选择设置参数(参阅上期介绍),即可安全快捷地拆下和焊上大型BGA元件。

   四. 后话(记)
   BGA元器件的维修,是一项技术性与技巧性很强的操作,绝不能来得马虎了事,必须切记细心、严谨、科学的态度,能借助先进的返修设备就尽可能使用,有先进工艺的就应学习和采用,不要被一些"土办法"所迷惑,否则"赔了夫人又折兵",将原来不大的故障扩大化,甚至将主板报废了。笔者相信,有业界各高手的不断研究创新,手机BGA的返修技术一定能更先进、更容易、更科学。

关键字:元件  维修  技术

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0614/article_10046.html
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