本文介绍，CSP和倒装芯片要求新的自动化技术，旧的手工修理方法已无能为力。

　　对新技术的需求已经推动电子工业制造出具有更多功能的更小、更轻和较便宜的产品。而电子元件制造商也以新型的微型元件做出了反应，这些元件要求苛刻的装配方法。

　　PCB装配的自动化和制造工艺已经历了一个漫长的道路来满足这新的封装技术的需求，但是100%合格率的目标还是难以达到。不管工艺做得有多好，但还是有超出制造商控制之外的失效情况。因此，有时PCB装配制造商必须为某种程度的失效作些打算。尽管如此，合格率损失应该用修理的方法来控制，它可以为那些否则要报废的产品挽回一些价值。

　　传统上，返工被看作是一个操作员密集的手工工艺。技术高的返修技术员才可以把装配修理到满意的结果。可是，随着新的封装在装配中的需求增加，在返修工艺上的风险也增加。再也不能指望手工返修的方法提供可接受的结果。

　　技术趋势

　　在IC封装中的一个进化已经允许元件输入输出(I/O)密度的大大增加，提高电气性能和更好的散热性。带领这个进化的CSP(chip-scale package)已经从最初的工业接受增长到广泛的使用。

　　CSP定义为不大于IC裸芯片面积1.2倍的任何封装。现在有无数的CSP设计，构成了广泛的互连技术。或许最知名的设计就是Tessera公司开发和注册的微型BGA(microBGA)。最初看到的是作为更小便携式产品的途径，CSP的应用由于尺寸和性能而正在增长。预计CSP的使用到2004年将增长到超过十亿个单位。CSP与microBGA是提供杰出的功能与电气性能的面积排列元件。可是，接触焊盘尺寸的减小已经使得这些封装对PCB的对准与装配更加困难。今天，一个典型的CSP的锡球直径是0.4mm，排列间距是0.75mm。将来，球的直径与间距将继续缩小。

　　倒装芯片是提供封装面积减小和改善电气性能的另一种技术。倒装芯片封装具有直接贴装于IC上的互连锡球。IC面朝下地贴装在板上，直接回流焊接于板的接触焊盘。倒装芯片的接触焊盘可能小至0.1-0.2mm。球和焊盘尺寸的缩小增加了对贴装工具和返工系统的对准与贴装能力的要求。除了对准难度增加之外，小的锡球给板的翘曲留下很小的空间。返工工艺必须提供充分的贴装能力，同时在整个加热循环中保护板不要变形翘曲。

　　返工工艺

　　取下元件
　　成功的返工是从失效处取下元件开始的。焊点加热到熔化点，元件被小心地从板上拿起来。温度控制是返工工艺的一个关键部分。焊锡必须完全熔化以避免在拿掉元件时损伤脆弱的电路板焊盘。加热方法不应该使板翘曲。

　　板和元件的加热
　　先进的返工系统应用了加热过程的计算机控制。加热循环设计成接近符合锡膏制造商所规定的参数和元件制造商设定的极限。加热是通过顶面与底面的加热来完成的。底面加热用于提高板的温度，而顶面加热用来局部加热元件。底面加热通过减少热量从返工座传导走，来减少在元件上所要求的热量总数。底部加热器只要大到足以均匀加热整个板，就可以消除由于过分的局部加热所造成的板翘曲。元件加热，或顶部加热，最常见是用对流热风喷嘴来完成的。顶部加热过程的控制和元件上的均匀加热是极其关键的，特别是低质量的CSP和倒装芯片的情况。

　　温度曲线
　　认真地编制温度曲线来预热和回流元件的焊点(图1)。一个好的温度曲线提供足够的预热时间，以使助焊剂活性化。太少时间或太低温度都不能适当地激化助焊剂。太多时间或太高温度将退化助焊剂，造成焊锡湿润差。适当的回流温度和回流以上的时间甚至更为重要。温度太低或时间太少会造成湿润差或焊点开路。温度太高或回流以上时间太长可能造成短路或金属间化合物的形成。

　　温度曲线从板的温度调节开始。整个装配使用底部加热缓慢地上升到一个中间温度。一旦板的温度调节好，顶部加热过程可以开始。注意，温度曲线是定义为焊点的温度。由于要求提供返工座的局部加热，返工温度曲线比回流炉的温度曲线更难定义。

　　先进的返工系统提供温度曲线自动产生的软件。为了使用自动作图特性来生成一条温度曲线，电路板装备有热电偶，热电偶插在板与元件之间。可是，对于CSP元件，在板与元件之间只有很小的空间。通过将热电偶插入穿过板钻入焊盘的孔中，可能会得到好得多的结果。

　　在“学习模式”，自动作图软件控制加热器，使得在焊点处得出的温度曲线符合所规定的。由自动作图软件决定的加热参数自动地储存和在每次返工工艺顺序执行的时候调用。

　　图2显示为一个56I/O的CSP封装生成的温度曲线。蓝线(顶部)代表底部加热器的温度，用来维持板的温度在100°C。紫线(中间)显示顶部加热器的设定点。红线(底下)显示所规定的焊点温度。注意，焊点的温度由于CSP较小的热质量，紧紧地跟随顶部加热器的设定温度。这个例子说明了准确定义温度曲线的重要性，小小错误都可能有重要结果。

　　元件的取下

　　一旦设定好温度曲线，就可以取下元件了。将板装在返工系统台面上，系统的上看/下看对准光学仪用来同时在系统监视器上观察元件和喷嘴。元件的图像定位在喷嘴图像的中央(图3)。

　　对准完毕后，加热过程开始。第一步是底部加热，也叫板的温度调节。在预定时间或板达到设定温度之后，热风喷嘴向板面降低，元件温度上升，使助焊剂激化。保持一个驻留时间，以保证充分的助焊作用，接着上升到回流温度。对于锡铅共晶合金，希望210-215°C的回流峰值温度，以达到焊点适当的湿润。可是，许多无铅焊锡要求更高的回流温度。在加热循环结束时，在吸取机构上加真空。吸取机构提升，元件从板上拿走。在焊锡完全熔化之前企图拿走元件可能损坏板上脆弱的焊盘。注意，吸取机构所施加的任何向下的压力都会迫使熔化的焊锡分散在返修座上，使元件座修饰过程复杂化。完成移去工艺后，取下的元件自动放弃到元件盒中。

图1、典型的温度曲线	图2、对CSP56元件的自动温度设定
图3、元件与喷嘴的对准	图4、焊锡清除前后
图5、可重复性(左)与精度(右)	图6、返修对准光学系统
图7、板的起始温度的影响	图8、对底部加热器控制使用板温反馈的工艺

　　元件座的准备

　　在新的元件放到返修座之前，必须预先准备一下座子。座的准备由两个步骤组成：残留焊锡的清除和锡膏或助焊剂的应用。

　　焊锡的清除
　　残留焊锡的清除可以用手工或自动的工艺来完成(图4)。手工工艺包括手持工具，如烙铁和铜辨。可是，手持工具很难使用，小的CSP和倒装芯片及脆弱的阻焊容易损伤。

　　焊锡清除工具，叫做底座清道夫，可能安全得多。使用热风来使残留的焊锡液化，真空将熔化的焊锡吸到一个过滤器或储藏盒。

　　可是，真空焊锡工具对于0.5mm和更小间距的元件可能不太有效，因为表面张力对质量的比率增加。另外，与典型的CSP和倒装芯片座相邻元件的极其靠近，可能阻碍真空焊锡工具的使用，因为会与相邻的元件干涉。

　　其他方法如芯吸片(wicking coupon)可能提供最佳方案。芯吸片放在座上，进行一个回流加热循环，在焊锡还熔化的时候拿走芯吸片。大部分的焊锡湿润在芯吸片上，留下很薄、均匀的残留焊锡层，可以安装新的元件。

　　焊锡/助焊剂的应用
　　虽然锡膏经常是原装配工艺的一部分，但通常不用于CSP和倒装芯片的返修。元件的锡球本身证明已经足够得到可靠的联接。

　　返修中的助焊剂经常用刷子应用于返修座上。必须把足够的助焊剂应用到所有的焊盘上，但是不要用得太多，特别是对于倒装芯片。

　　免洗/无残留助焊剂已经使得这一步容易得多。可是，过量的助焊剂也可能使元件在加热时移动，这时助焊剂粘性突然降低。

　　避免由于过量助焊剂造成移动的一个方法是调整贴装顺序。在这个情况中，元件保持在板上或略上方，直到执行完顶部加热器温度曲线的预热阶段。然后在助焊剂激化的驻留阶段之前元件贴装/释放。

　　助焊剂浸渍法使一个得到充分证明的应用助焊剂的受控方法。一个助焊剂池安装在返修系统台面上。元件自动浸入池中，这是贴装工序的一部分。

　　元件更换

　　随着旧的元件取下和座的准备，板已准备好贴新的元件。温度曲线已经准备好，仔细地考虑了避免板的翘曲和达到理想的回流。自动作图软件是定义温度曲线的首选方法。在多数情况中，为元件取下所建立的曲线也用于元件的更换。

　　对准
　　新的元件与板必须使当地对准。对于CSP和倒装芯片的小焊盘与密间距，返修系统的贴装能力必须满足高标准。

　　贴装能力由两个因素组成：精度(偏移)与可重复性(图5)。注意，一个系统可以不准确地重复。你必须理解贴装能力的两个因素，以完全理解系统在操作期间如何表现。

　　可重复性是将元件持续地贴装到相同位置的能力。可是，持续的贴装并不一定意味着元件正贴装在所希望的位置上。

　　偏移是测量贴装的平均位置。一个精密的系统将有很小或没有贴装偏移。可是，有一个精确的系统并不一定意味着贴装是可重复的。

　　返修系统必须具有可重复性和精度来将元件贴装在适当的位置。贴装能力的任何测试都应该代表实际的返修工艺，包括所有三个步骤，从盒或盘取元件、对准和贴装元件。 

　　Don Naugler is rework systems product manager with Teradyne Assembly Test Division, Westford, MA; e-mail:donald.naugler@teradyne.com. 

(Aaron 08/06/2002)