本文介绍，一种中等波长的红外系统可用来快速经济地修理各种面积排列封装。

　　现在的国际研究增强了集成电路向面积排列封装(area array package)发展的趋势。BGA(ball grid array)、CSP(chip-scale package)和倒装芯片(flip chip)不仅在印刷电路板的单位面积上提供大得多的输入/输出(I/O)，而且也提供明显的电气、机械和单位成本的优势。装配密度增加、特征尺寸与封装的减小都使得电信号运行的距离缩短，从而提高了速度与性能(图一)。因此倒装芯片和其它先进封装的数量预计在2002年有戏剧性的增加，在2003年将达到将近20亿(图二)。

图一、IC封装的尺寸减小趋势

图二、倒装芯片用量趋势

　　装配设备的进步已经为在生产过程中得到一个可接受的ppm失效率做好准备。可是，对许多公司来说，高品质的修理仍然是一个代价昂贵的恶梦。对面积排列封装及其生产参数的更加彻底的理解可以减少对BGA修理的恐惧，保证工艺控制，并且大大地节省返工成本。

基于大多数操作员的历史经验，三个修理问题仍然是极为重要的：
• 在工艺中，把元件从板上取下而不伤害基板、焊盘和相邻的元件
• 以一种工艺受控的方式重新焊接元件
• 检查工序的品质

　　那些推动密间距(fine pitch)、外部引脚元件如QFP(quad flat pack)发展的密度与性能要求，从处理、手工焊接和检查的观点看，造成足够的修理上的头痛事情。虽然面积排列封装不会出现同样的处理问题，但是焊接工艺不能用典型的修理工具来完成，而且曾经检查是十分困难的。如果有关这些元件的预计用量的估计数字是正确的，那么面积排列封装的修理必然变成世界上百万修理操作员的一个可行的、用户友好的和节省成本的选择。

回流工艺

　　在回流工艺中有几个关键性的考虑因素。在面积排列封装的整个表面和PCB的焊盘上，均匀热分布和热传导是关键的。加热工艺和温度设定必须使封装到达回流，然后随着锡球熔化，均匀地把自己降落到焊盘上，与焊盘形成金属间化合物(图三)。

图三、BGA回流工艺

图四、PBGA的X射线、光学、截面图

　　图四显示一张专业安装的PBGA的X射线图象、光学照片和截面图。注意，元件是怎样落下、平行于PCB、所有锡球在形状上是怎样均匀统一、并且完全“湿润”或焊接到焊盘上。

　　相反，不均匀的加热会造成封装不平衡地落下或倾斜到早已达到回流的那一边或角。如果工艺在这时候停止，那么该元件将不会均匀地自己降落，将不会达到共面，因此将会焊接不充分。

　　另外，对于极小、极轻的CSP/倒装芯片元件，一个关键的考虑因素是对流式回流炉中的气流速度。虽然最低的气流速度要求用来把热传导到元件和PCB，但是该速度一定不允许这些轻元件在回流工艺中或者被吹走或者被移动。当极小的共晶锡球处在液体状态时，任何运动都可能引起锡球瓦解，造成元件在回流期间完全落在板上面。

BGA修理要求

　　面积排列封装的修理要求受到现在有关回流的缺陷的影响。虽然卸焊可以用大多数现有的热风设备来处理，但是卸焊工艺是最难控制的。在返工中，和在生产中一样，品质是最终目标。对于生产，高质量的BGA回流可以在回流炉的封闭环境中达到。

　　可是，返工不能在完全封闭的环境中完成，因为当通过喷嘴吹热风时，BGA回流所要求的加热条件很难达到。这里成功取决于在整个封装和PCB焊盘上均匀的热分布，并在回流期间不吹动或移动元件。

　　在修理情况中的对流式热传导涉及通过一个元件形状的喷嘴将热风吹出。气流动力动力学，包罗层流影响、高低压区和循环速度，是一门复杂的学科。当把这些物理效应与热吸收和分布的影响、用于局部加热的热风喷嘴结构结合起来时，这样一来，合适的BGA修理变得困难。任何压力的波动或者热风系统所要求的压缩空气源或泵的问题都将根本上降低返工机器的性能。

　　一些接触PCB来提供更均匀的空气循环和热分布的热风喷嘴可能会有共面和三维问题，如果相邻元件太近。这些喷嘴将不接触板，因此在喷嘴中所希望的空气循环模式将被破坏，造成BGA的不均匀加热。另外，从喷嘴出来的热风经常加热临近的元件，并把这些零件吹动，或者烧伤临近的塑料元件。

　　许多半自动的对流式返工系统经常储存几个温度设定。可是，这种虚构的好处可能是误导，除非清楚地理解温度曲线的目的。在生产设备中，准确的温度曲线是工艺控制的关键，因为它保证所有焊点加热均匀并且得到足够的峰值温度。设定生产参数的出发点是实际的电路板温度。通过分析实际的材料温度，工艺工程师可以调节机器加热区的参数，以达到板的所希望的温度曲线。

　　可以储存各种加热元素和/或气流温度设定的对流式修理设备只能大概地显示板上的温度情况。一种更加精确的工艺是要在回流期间通过将K型热电偶附着于PCB来监测和记录实际的板或元件的温度曲线。在回流期间，焊接点的实际检查是工艺控制的根本形式(图五)。

图五、在返工期间未回流和已回流的BGA

红外修理系统

　　对这些对流式热传导问题的一个可行的替代方法是一种中等波长(2-8 µ)的红外(IR)系统。为了展示红外的效果，我们把三种不同的热风返工系统与一种中等波长的红外系统进行比较。在测试中，热风喷嘴减低到一块特殊处理的FR-4基板，然后机器按调入的温度曲线设定进行加热。虽然该温度设定可能会让人相信整个区域是均匀加热的，并达到足够热的温度，但是测试结果清楚地表明在热风系统中有热区和冷区(图六)。相反，红外系统显示均匀的加热，没有冷区。

图六、BGA表面上热分布的比较

　　红外不是一个新的修理技术，但是它变得越来越少使用，这是由于以前使用的短波长IR系统的局限的物理影响。热辐射，虽然均匀分布，但是由于物体颜色的轻重而吸收与反射热量不均匀。虽然这种热源对PCB预热得到普遍接受，但是用于回流的短波长IR系统经常使黑色的元件身体和FR-4基板材料过热，而有反射能力的引脚却达不到合适的回流温度。相反，中等波长的IR系统传导完全均匀的热量到表面上，并且在颜色轻重的材料之间显示均匀的吸收/反射率(图七)。

图七、使用红外安装BGA的温度曲线

　　对于一个最佳设计的中等波长IR修理系统，可以容易地把K型热电偶放在电路板上，在实际的回流工艺中检测和记录准确的温度曲线。该系统由于其内在的优点可以用来修理微型BGA、CSP和倒装芯片。

　　首先，IR系统没有可能在回流期间吹走或振动元件的气流。其次，该IR系统的加热可以均匀地集中、指向和传导到刚好元件的大小和PCB上的位置。

　　另外，临近元件的受热可以减少或者通过用反射箔纸覆盖来完全避免。甚至位于被修理元件相差0.5mm之近的元件都可以安全地避过IR加热系统。相反，由于漏气或所要求喷嘴厚度，热风系统不可能用于紧密放置的元件。最后，一个顶部和底部的中等波长IR修理系统也可作为一台“微型回流炉”，用于各类的面积排列封装元件的受控的植球工艺。

　　对一个面积排列封装修理系统的购买决定必须从最基本的技术要求开始，因为工艺控制是极其重要的。设备必须无论哪个操作员使用都可以保证质量，同时又要容易使用。为了提供对其购买的高回报，修理系统应该能够修理表面贴装元件、通孔元件和塑料连接器，但又不需要增加另外的喷嘴。

　　一个开式的IR系统，而不是热风系统所固有的封闭系统，它可以有效地消除返工过程中的“盲目性”。通过在返工中实时地光学监测回流过程，可以保证元件锡球的均匀塌落。这种面积排列封装元件的工艺受控的修理是今天工业中的最热门话题之一。

结论

　　面积排列封装倾向于引起各方面人员的担心，修理操作员从使用容易的角度，品质控制检查员从工艺控制的角度，采购人员从资产投资和运作成本的角度，都有担心。可是，这些担心可以通过对各种面积排列封装设计、它们的生产回流焊接要求、和现有的修理技术的更多理解来克服。成功在于立足根本。

　　对面积排列封装元件的修理，中等波长的IR系统提供理想的热传导和热分布，并且灵活，用户友好和成本低。有了一个理想的修理解决方案，就不会再害怕BGA了，大量地来吧。

　　Cliff R. Bockard is the national sales manager with ERSA Soldering Tools adn Inspection Systems, ERSA Inc., Old Lyme, CT; e-mail: cliff.bockard@ersasoldertools.com.    

(A 06/20/2001)