红外加热技术在BGA返修焊接中心的应用

北京安宏讯科技有限公司   技术部

随着电子产品向便携式/小型化、网络化和多媒体方向迅速发展，表面贴装技术（Surface Mount Technology，简称SMT）在电子工业中正得到越来越广泛的应用，并且在许多领域部分或全部取代了传统电子装联技术。SMT的出现使电子装联技术发生了根本的、革命性的变革,在大规模集成芯片中以BGA(球栅阵列)封装的IC芯片被广泛使用.而在贴片焊接中返修工作始终是整个生产环节中的一个重要组成部分。 多年来SMT的返修系统几乎是热风系统一统天下，然而在实际使用中，尤其是在对BGA、CSP先进封装器件电路板的返修过程中，热风返修系统却暴露出很多明显的缺点。

1.      元件表面温度分布不均匀 热风返修不同系统必须配备各种尺寸各种形状的热气喷嘴，由于喷嘴的结构造成内部各点位置的动态气流是不均匀的，势必引起元件加热表面温度分布的不均匀。经测试表明某些热气喷嘴引起元件表面温度差竟达10－20ºC。(见图1,图2)

   2.      BGA、CSP焊接过程器件产生倾斜和偏移现象。 经常听到一些使用热风返修系统的用户反映这个问题。这是因为热风系统中喷嘴结构设计不良，喷嘴中气流大小分布不均匀，器件上方受到不均匀气流的力学作用，再加上器件表面温度分布不均匀，有的焊球先熔化，有的焊球迟熔化，使BGA、CSP器件沉降不平衡，产生倾斜和偏移现象。

3.      获取较理想的回流焊接温度曲线既费时又费工。实践表明不同形状不同尺寸的喷嘴，喷嘴高度位置不同，板子不同，元件封装不同都会影响回流焊曲线的形状，因此热风返修系统要获取理想的回流焊曲线十分麻烦。

4.      对底部有填充胶的CSP元件返修更加困难

CSP器件在手机等高密度组装的电子产品中已被广泛应用，为了提高产品的可靠性，在电路板组装焊接后在CSP器件的底部施加一些专用的填充胶料。使用热风返修系统在拆除板上的CSP器件时，由于热气喷嘴罩住了器件，即使焊点已经熔化，甚至有的底部填充胶也已软化，但热气喷嘴中的真空吸盘却无法把CSP器件吸起来，因为真空吸力大小受到限止。

5.      无铅焊接工艺要求更小的工艺窗口，热风返修系统难于适应 。近年来无铅焊接已越来越受到工厂企业的关注，随着时间的推延，无铅焊工艺会越来越广泛的被使用。然而无铅焊料熔点较高，又容易被氧化，所以无铅回流焊的工艺窗口要比共晶铅锡合金的工艺窗口小得多。 对于热风返修系统由于元件表面温度分布不均匀，因此很难达到无铅回流焊的工艺。

以美国Kester公司的两种焊膏为例，见表1。

返修工作台中暗红外与热风技术优缺点对照

在返修工作台的设计中，加热方式大多采用热风的方式，其原因是大多数的设计者沿袭了回流焊炉的设计思想，认为红外加热存在两个致命的缺点：

1.不同颜色的物体对红外的吸收能力有很大差异；

2.高的元件在行进的过程中会对较矮的元件产生遮蔽，就象树下的影子阻碍较矮的元件对红外的吸收。诚然以上考虑是有道理的，但北京安宏讯科技有限公司为什么还要将返修工作台的加热方式设计成红外加热呢？

其原因有二：

1.返修工作台采用的不是普通的红外而是暗红外，是波长严格控制在2-8微米的红外，实验证明任何颜色的物体对这段波长范围内红外的吸收能力几乎完全相同；

2.返修工作与回流焊不同，它是针对单个元件进行加工，当然不存在遮蔽现象；同时还具有热效率高、无气流扰动等特点，特别适合于返修工作尤其是BGA的返修。

下面是北京安宏讯科技返修工作台与其他热风返修工作台的对比：

非接触红外温度传感器实时对被返修的元件温度进行测量，微处理器把实时测得的温度与焊膏理想的温度曲线进行比较，来调整红外顶部加热器及红外底部加热器的功率，使被返修元件的温度始终跟踪理想的温度曲线。由于返修焊接关心的是焊点的温度，所以系统在温控采用PCB线路板上下均按回流温度曲线方式.

SMD-IR型BGA精密焊接中心温控曲线。

其他热风返修工作台温控曲线图

SMD-IR型BGA精密焊接中心的优点归纳如下：

1． 暗红外返修过程BGA表面温度均匀分布实测图片（△T=0） 实际测试证明BGA、CSP元件表面温度分布非常均匀，。

2.    没有热风返修系统所必须的喷嘴，不仅使用方便而且节省了购买喷嘴的资金。

3.    系统是开放式结构，不仅可以用焊料熔点来对温度曲线进行校正，而且器件的解焊和焊接整个回流过程可以清晰的看到，使回流工艺过程实现了可视化。

4.    由于没有热气流对器件的作用力影响，器件表面温度分布均匀，BGA、CSP焊接不会出现位置倾斜和偏移。

5.    拆除底部有填充胶的CSP元件已不再困难，由于没有喷嘴的阻挡，一待焊点熔化就可以用一个小镊子把元件取下来。

6.    拆除及焊接异形元件，如长条形连接器及各种形状的屏蔽罩十分方便。

7.    容易实现无铅返修工艺，因为温度能精确控制及加热温度均匀，适应了无铅焊工艺窗口的要求。

8.    BGA、CSP的植球一次成功。在植球过程可以清楚地看到原先安放在器件上的很多小锡球排列不太整齐，但在回流焊接温度下，小锡球充分熔化。由于液态焊料的表面张力的作用，小锡球自动对准排列整齐，说明植球成功。 由于没有气流力的作用，小球不会滚到一起形成短路，植球质量极佳。

9.   BGA、CSP返修工艺具有良好的可重复性。 由于焊膏供应商对焊膏特性了解最清楚，他们提供的回流焊曲线是十分理想的，只需输入这条回流焊曲线，系统就自动控制IC元件与PCB线路板底部按回流焊曲线加热。

SMD-IR型BGA精密焊接中心已在很多电子组装工厂中使用，在SMT尤其是BGA、CSP的返修工作中，已显示出众多的优越性。