使用无铅焊料返工BGA和CSP元器件

使用无铅焊料拆除和更换BGA/CSP元器件的基本步骤非常直截了当，主要包括以下六个步骤，即设定温度曲线；拆除有缺陷的元器件；返工区域的清理和准备；使用焊剂和焊膏重新贴装元器件；回流焊接和检验。由于使用无铅焊料，返工工艺与使用传统的共晶焊料有许多差别，工艺要求也更为严格。
　　返工对工艺设备的要求
　　很自然，BGA/CSP元器件的返工首选的方法是对流而不是辐射，焊烙铁（热传导）也不是理想的选择。即使在常规的BGA返工中，使用IR也很难，这是因为陶瓷加热器不能够快速冷却，从而高于回流温度的时间很难控制；而使用对流容易进行严格的工艺控制，有利于建立良好的、可重复的温度曲线，不会造成元器件被过分加热，或高于回流温度的时间持续太长。
　　标准的回流由三个温区构成：预热区、保温区和回流区。回流过后是PCB冷却至100℃以下的过程。使用无铅组装时，焊接工艺变得尤为关键。无铅所需的较高温度（达235℃）以及BGA/CSP对高温的敏感性，使得不正确的温度上升过程很容易损坏元器件。
最新的返工设备多使用四个加热区和一个系统可控的冷却区。为返工设备增加一个可控制的预热器，可以满足无铅的工艺要求。尽管设定任意温度曲线的基本要求是人们都熟悉的，设置正确的、理想的曲线还是需要经验和耐心。
　　元器件对温度的要求
　　一般来说，当使用的气体温度超过300℃时，BGA就会出现由于翘曲问题，导致角落产生桥接，这被称为“狗耳朵”现象。因此，回流区取265℃~285℃作为最高的气体温度。另一方面，无铅焊膏回流需要相对较高的温度，常用的最高焊接温度的峰值为235℃。
　　元器件的供应商规定的元器件外缘的最高温度为265℃，最常用的温度范围为240~250℃。这些温度非常接近于225℃~233℃的焊接温度。对无铅来说，更为严重的是，元器件允许滞留在高于回流温度以上的时间，从共晶焊料的60~90秒降到无铅所需的15~30秒，降幅达三至四倍。这意味着返工设备必须能够快速升温，并快速降温。
　　 元器件的兼容性
　　许多制造厂家正向着无铅焊料球技术过渡，共晶焊料球在美国仍是标准选择，元器件厂家则已经将使用无铅焊球作为标准。如果无铅元器件能被用在通用的焊接工艺中，那么生产工艺就不必作大的改动。因此，元器件是向着无铅的趋势发展，制造厂家只需生产一种元器件产品，就可以同时满足使用无铅或有铅制程的生产企业的需求。
　　 温差设置
　　元器件表面的温差（温度分布的均匀程度），是高质量的返工和组装所必须考虑的一个因素。通常， 10℃的增量被认为是可以接受的。器件上下部的温度差是另一个重要因素。图1中TC1、TC2、TC3的差都必须在10℃的范围内（从元器件的外缘到焊料球，以及从球到PCB下部），新的无铅焊接工艺要求温差最好在5℃。在小的PCB上（如手机的线路板）使用较小的元器件，达到这一温差控制不是很难，相反BGA越大，要达到该温差就越难。
　　 温度曲线控制
　　为确保焊点不会出现脆裂的现象，温度需要得到更好的控制，包括加热、快速升温和降温，特别是对板子底部的加热过程。加热板不能够快速升温和降温，所以不适合于无铅焊接工艺的应用。
回流炉中升温过程是由传送带的速度来控制的，而在返工过程中，由于焊点熔融或PCB处在约125℃以上的玻璃态转变温度时（由基板使用的材料而定）PCB不能移动。因此，返工过程中，移动PCB是不可取的，处于高于回流温度的时间如果不可控制也是不行的。IR陶瓷加热器就是不符合后一种要求的例子。滞留在回流温度以上时间，无铅焊膏的范围在15~30秒，对于免清洗共晶焊料来说，通常为45~60秒。
　　设置温度曲线的原则有三点，即足以使焊料熔融和形成金属间化合物；足以使焊剂活化和产生润湿的效果；以及使用足够低的温度以不损坏元器件和PCB。无铅焊料使用的返工温度曲线完全不同与有铅共晶焊料，而且容差非常小，达到的难度较高。以下有一个例子，说明了无铅焊接温度曲线与共晶焊料的标准曲线的差别，其中最关键的是温度控制以及快速地升温和冷却
　　正如前面所述，达到回流温度以上的时间一般被限制在30秒，有的甚至只有15秒钟。然而，整个表面和上下表面的温差对于使焊点达到所需温度又非常重要。元器件越大，它的热膨胀系数CTE的差别也就越大，如果从元器件的中心到元器件的角落的热膨胀与PCB的膨胀不符的话，位于元器件角落的焊点就会处在受应力状态，对无铅焊点尤为关键。
　　无铅产品的检测与含铅的不同
　　常用的共晶焊接工艺中，表面粗糙的焊点通常被作为不合格产品。然而，对无铅的焊点，这却是正常的现象。向无铅过渡的公司需要实施全新的质检标准。视觉检测设备需要对正面的光进行控制，而不需要较强的背光，否则图片看上去太亮和发光。
　　检测BGA/CSP的传统方法X射线目前仍可以使用，不过，X-Ray检测不出焊点的外观质量。近两年时兴的视觉检测设备，在目前的经济困境下，是一些企业唯一的检测设备。与75000~ 120000 美元的X射线检测设备比较，这种检测设备的费用一般便宜的多，仅为20000 ~ 25000美元。X射线和视觉检测设备之间的另一个差别是，视觉检测设备可以观察到焊球上下的焊接点，从而可以检测和判定金属间化合的形成情况。即使特别昂贵的X射线检测设备也很难做到这点。
　　在选择视觉检测设备时，还需要考虑到BGA和CSP器件的不同。CSP的质量比BGA的小，如果对回流炉的工艺控制得不妥的话，CSP的温度就会很高。如果CSP与大型BGA使用同一板子（这是常见的），视觉检验更有有必要，必须注意的是，CSP 的脱膏高度为0.007″~ 0.008″(0.2mm)，而BGA的脱膏高度为0.0018″~ 0.020″（0.5mm）。