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怎样处理BGA和PCB的翘曲
录入时间:2020/2/25 11:31:41

作者:Bob Wettermann,BEST公司

在加热和随后的冷却循环进行过程中,BGA封装或PCB都可能发生翘曲。这种情况会使封装成为中央低两边翘起的弓形。在X光检查中发现的桥连表示加热-冷却循环把角向上或向下推,或者导致开路,可以在内窥镜检查或目视检查中发现这些问题。如果PCB发生翘曲,就可能在其他的各个元件区域上造成开路或短路。

导致这些问题的原因

BGA和PCB的翘曲问题是各种封装元件的材料之间的热膨胀系数(CTE)不相匹配造成的,例如基板、硅芯片、EMC的封装材料。在放置和移动时,温度升高的速率会影响整个元件的温度均匀分布,所以升温速率和翘曲的大小有间接的关系(图1)。


图1:由BGA翘曲造成的开路。

而且,在其他条件相同时,封装越大,发生翘曲现象的可能性就越大。当然,返工加热方式的类型(热风返工系统、红外加热(IR)、热风回流炉、汽相炉等)对翘曲也会有影响。使用低CTE导热材料,可以是定制CTE,部分或完全消除此问题。

一些使用塑料外壳的球栅阵列(PBGA)包含热扩散器,它会造成BGA封装顶部的膨胀速率比底部的更快;这种塑料膨胀会把BGA的角向下拉。BGA中的水分也可能会导致翘曲,因为组件要在中间扩散。在这些情况下,BGA的角可能会向上卷曲。

通过一系列的实验设计,你可以确认哪个部分(BGA或PCB)正在翘曲。实验通过隔离做拉和推的表面,有助于确定如何解决这个问题。

如何减少翘曲 

当BGA发生翘曲时,BGA的角会发生最大的位移,这可能会导致出现大量的开路和桥连。与此类似,电路板可能向上或向下弯曲,把焊锡膏向内推,造成桥连或开路。这些情况要通过肉眼检查或X光检查来发现。

尽可能减小翘曲的方法之一是放慢加热和冷却过程。在预热过程中温度斜升,在冷却过程中温度下降。当然,现在你不想在冷却时让温度下降的速度太慢,这是因为你不想因此产生粗粒度的结构。在电子制造业中,需要做出适当的取舍。

控制湿度敏感器件(MSD),包括电路板和元件,是减少翘曲影响的另一种方法。针对湿度处理的J-STD-0033和JEDEC指南是正确处理MSD的最佳参考指南。如果它们的翘曲和吸收湿汽有关,预先烘烤电路板和元件,然后把它们放在干燥的环境中保持干燥,就可减轻翘曲问题。限制暴露时间和了解电路板和元件的MSD水平也会对减轻和吸湿有关的翘曲起很大作用。

通过使用按配方生产的焊锡膏可以减少枕头效应,而且可以和适当的焊锡膏搭配使用,这样也能够限制焊锡球翘曲的影响(图2)。


图2:枕头效应缺陷。

通过适当设计涂布在每个焊盘位置的焊锡膏的体积,可以有效地限制一些和PCB及器件翘曲有关的问题。在一些例子中,印刷时过渡焊盘,而在另一些例子中,印刷时减少焊盘锡膏体积,这可能可以补偿翘曲的影响。例如,BGA向内弯向PCB时,可能出现明显的短路。在这些区域,可能要尽可能减少印刷的焊锡膏体积。相反,在翘曲的BGA弯“离”电路板的区域,印刷比较大的焊锡膏体积也许是最好的解决方案。

如果电路板翘曲(用IPC-TM-650 2.4.22的测试方法测量弓形和扭曲),那么,你可能需要使用其他的方法来减少器件或电路板翘曲的影响(图3)。除了前面提到的方法之外,你可能需要重新设计电路板来确保电路板中铜的分布更加均匀。电路板热质量小(即铜含量比较低)的区域和热质量比较大的区域的加热速度是不一样的。此外,非常薄的电路板(0.020英寸)可能需要改用比较厚的电路板。最后,在建造电路板或器件时,可能需要使用热膨胀系数非常接近的相互匹配的不同材料。

 

图3:有阴暗区域的莫尔条纹。

作者简介:Bob Wettermann是BEST公司的负责人,BEST公司是一家合同返工和维修工厂,总部设在美国芝加哥。要了解更详细的信息,请发邮件到info@solder.net。如果要阅读以前的专栏文章或联系Wettermann,请点击这里。


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