（文章来源：SMT技术网）

摘要：

    在倒装器件焊接中，返修工作始终是其必不可少的一个组成部分。本文笔者根据多年来SMT生产实践经验，针对目前倒装焊器件的种类和焊接不良的一些故障模式，归纳介绍了四种倒装焊器件返修工艺方法，可供有关人员参考。

   电子封装倒装焊技术(flip chip on board, FCOB）是通过在集成电路（IC)芯片的输入/输出端用平面工艺制成金属凸点或焊球，将裸芯片面向下贴装在基板上，利用再流焊工艺使芯片焊球和基板焊盘间形成焊点，实现芯片与基板的电、热和机械连接。由于省略了芯片和基板引线，起电连接作用的焊点路径短，与其它封装技术相比，具有封装密度高、信号处理速度快、寄生电容/电感小等优点，使得它应用越来越广泛。但是由于其焊点阵列面在器件下面不可见，检验必须用专用设备X-RAY，而且随着其体积、阵列的增大，焊接时中间凸点的温度与外围相差也逐渐增加，焊接温度曲线调试不易（尤其无铅制程），在倒装器件焊接中，返修工作始终是其必不可少的一个组成部分。本文就倒装器件返修工艺做些简单讨论。

1 倒装焊器件种类

    目前倒装焊器件的种类比较多，各器件厂商叫法也多种多样，可大致归为四类：

BGA球栅阵列（Ball Grid Array），芯片I/O端子呈阵列式分布在器件底面上，并呈球状。通常由芯片、基座、引脚、封壳和引脚等组成。以基座材料不同，BGA可分为为 PBGA（Plastic Ball Grid Array塑封球栅阵列），CBGA（Ceramic Ball Grid Array陶瓷球栅阵列），CCGA（Ceramic Column Grid Array陶瓷球柱栅阵列），TBGA（Tap Ball Grid Array载带球栅阵列）四种。

    CSP（Chip Scale Package）CSP是 BGA进一步微型化的产物，它的封装尺寸与裸芯片相同（Chip Size Package）或封装尺寸比裸芯片稍大（通常封装尺寸与裸芯片之比定义为1.2：1）

    QFN（Quad Flat No Lead）是一种无引脚封装，它有利于降低引脚间的自感应系数，在高频领域的应用优势明显。QFN 外观呈正方形或矩形，大小接近于CSP，所以很薄很轻。元件底部具有与底面水平的焊端，在中央有一个大面积裸露焊端用来导热，围绕大焊端的外围四周有实现电气连接的I/O 焊端。

    LGA（Land Grid Array）。最近两年出现的新型封装形式，BGA的引脚成球型阵列分布在封装的底面，而LGA是用镍金微凸点取代了球。

2 故障诊断

    针对不同的故障模式，必须采用相应的返修方法，这里故障的定位尤其重要，目前FC器件焊接故障定位的方法主要有以下三种：

<1> 电测试 

    电测试是查找短路与开路缺陷的主要方法，但是随着PCBA复杂程度和模块内回路逐渐增加时，电测试前的设计变的越来越复杂，定位哪一个FC器件功能不通时有时候比较困难。

<2> 边界扫描检测

    边界扫描技术是为每一个FC器件设计一系列寄存器，将功能线路与检测线路分离开，并记录调试时通过器件的检测数据，来判断FC器件上每个焊点的开路、短路情况。因为这种方法必须为扫描检测每个器件设计专门的电路软件和硬件，多数时候这种方法变的不可实现。

<3> X-RAY检测

    X-RAY是FC器件焊点检测的一种有效的方法，目前X-RAY设备主要有两种类型：一种是直射式X-RAY检测仪；一种是断层剖面X-RAY检测仪。前者价格低廉，但不能检测出FC焊点中的空洞、较明显的虚焊等。断层剖面X-RAY对检测焊点的桥接、开路、较明显的虚焊、焊料球、空洞、错位等缺陷非常有效。

电测试与边界扫描检测属于电性能测试，不能很好地确定故障所在位置或焊接缺陷类型，而目前X-RAY检测虚焊还比较困难，在故障诊断时，SMT工艺技术人员一定要和PCBA设计、测试人员仔细沟通，结合电性能测试和X-RAY检测结果分析故障所在及其类型，再确定其返修方法。

3 返修

3.1 加热焊接设备的选用

    当确定为由于FC器件的焊接问题导致PCBA调试不通时，就开始着手对FC器件进行返修。返修过程中肯定得使用到加热焊接设备，一般有再流焊炉、返修台或返修中心、热风枪。三者相比再流焊炉保温性能、热效率高、温度曲线容易调试，温度易控制；返修台热风返修系统必须配备各种尺寸各种形状的热气喷嘴，目前FC器件的形状越来越多，有时候会没有适合的喷嘴，另外有时会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，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，有的焊球后熔化，使FC器件沉降不平衡，产生倾斜和偏移现象。不过随着越来越多的新技术在返修台中的应用，返修台/中心的优势逐渐在上升；热风枪的加热温度、时间不易控制，很难与FC器件推荐的焊接曲线保持接近或吻合、不到万不得已不要使用。总之，目前来说FC器件返修中加热焊接设备优选再流焊炉，其次返修台或返修中心，最后没有办法的情况下选择热风枪。

3.2   返修方式

    针对不同的FC器件类型、不同的故障模式，必须采用相应的返修方式。一般来说返修方式有四种。

3.2.1 重新加热

    当在做电性能调试时发现，FC器件功能不稳定或按住功能就OK，松开功能就不过的情况下，多数是由于焊接温度低造成。遇到此类情况，可结合FC推荐的焊接曲线和使用焊膏推荐焊接曲线，使用再流焊温度曲线测试工具如KIC等测量出合适的profile，然后从FC四周底部加入适量助焊剂，再次使用加热焊接设备重新加热。

3.2.2  拆植焊

    多数情况下对于BGA或引脚间距大于0.5 mm的CSP出现焊接不良时可以进行拆植焊。一般流程如下：

<1> 烘烤

    因为一般的FC器件均为湿敏器件，在返修之前需要将PCBA在80 ℃~125 ℃的温度下烘烤至少24小时，以除去PCB和元件的潮气。

<2>调试曲线

    结合FC推荐的焊接曲线、焊膏所推荐焊接曲线、PCBA形状大小、厚度及器件类型、布局情况等，使用再流焊温度曲线测试工具如KIC，测量出合适的profile，其中包括Remove和Placement Profile，拆除元件的温度曲线线除了焊锡液相线以上的时间适当减少外，其他温度段最好与装配元件时的回流焊温度曲线一致。

<3>拆卸FC

    拆卸前需对FC周围不耐高温的器件如一般的接插件等保护或拆除，以免拆卸或焊接时损坏其他不耐高温器件。拆卸FC时只能选用返修台（尽量不用热风枪），选择适合的喷嘴，使用Remove曲线拆卸FC,注意观察焊球的坍塌形状来进一步验证控制温度，以免设定温度过高损伤PCB及器件，或温度不够、加热时间太短，FC轻松取下，损坏焊盘。

<4>焊盘清洁

    用电烙铁将PCB及FC焊盘残留的焊锡清理干净、平整，使用吸锡带和扁铲形烙铁头进行清理，操作时要千万小心不要损坏焊盘和阻焊膜，然后用清洗剂将助焊剂残留物清洗干净。

<5>植球/植柱

    目前业内常用的有两种植球法，一是丝印锡膏法，二是刷助焊膏法。

    丝印锡膏法具体做法就是先使用专用的FC小钢网把锡膏印刷到FC的焊盘上，印刷锡膏印刷时尽量做到不重复印刷，保证印刷质量，印刷完毕后检查，如有少数焊盘未印刷好，可以点涂修理；如大面积不良，必须将FC清洗干净并吹干后重新印刷。印刷完成后再用植球器或镊子在其上安装合适的锡球/柱，后经再流焊，将焊球/柱、锡膏、FC焊盘通过熔化冷却后形成合金固定。用这种方法植出的球/柱焊接性、可靠性好，熔锡过程不会出现跑球现象，较易控制并掌握。

    刷助焊膏法简单的说这种方法是用助焊膏来代替锡膏的角色。刷助焊膏时使用小铲刀在焊盘上涂覆一层固体FLUX，先将整个焊盘全部覆盖住，然后再用小铲刀均匀的刮，注意量要控制适中。助焊膏在温度升高的时候会变成液状，容易致使锡球乱跑；再者助焊膏的焊接可靠性较差，所以说用第一种方法植球较理想。

    特别注意对于CBGA、CCGA、TBGA类型，焊球或焊柱是90Pb/10Sn合金成分，熔点约在300 ℃，再流时不熔化，植球或植柱时必须要选用丝印锡膏法。另外不得已转化所植焊球或焊柱合金成份时，一定要考虑FC器件的重量，若转化选用再流可熔焊球，要保证焊球熔化后在重力作用下不形成桥接。

<6>印刷

    根据器件类型的不同及实际情况，PCB焊盘上印刷一般可选用刷助焊膏或丝印锡膏。方法同FC上植球前印刷。对于CBGA、CCGA、TBGA类型也必须选用丝印锡膏法。

<7>贴装

    贴装可用返修台贴装系统，对于一些异型或PCBA尺寸超出返修台设备尺寸范围的可用贴片机贴装，条件不具备时只能选用真空吸笔贴装。

<8>再流焊接

    采用调试好的焊接曲线，将贴装好FC的PCBA回流焊接。焊接完成后有条件的使用X-RAY检查是否有桥连、空洞、明显的虚焊等。

3.2.3拆焊

    对于不需要植球的QFN、LGA和间距小于0. 5mm植球困难的PBGA或CSP，以及没有合适焊柱又不能用焊球代替的CCGA，出现焊接问题时拆焊或拆换焊即可。具体操作步骤同3.2.2（除去植球部分）。

3.2.4 特殊返修

    对于一些QFN或LGA焊盘设计较小，PCBA元件密集度太高、没有足够的空间而无法使用特别的小钢网印刷焊锡膏，单刷助焊膏的方法又不能保证焊接成功率的情况，就只能无奈地选择手工焊接预处理QFN/LGA器件的特殊返修方法，依据以下步骤同样可以获得很高的成功率。

    第1步先测量和记录需更换的QFN元件厚度，这个厚度指元件本体顶面至底面（包括中央裸焊端）的尺寸。在QFN四周及中央焊盘上涂布适量液体助焊剂，然后用电烙铁在中央接地焊盘约25%面积上锡，四周引脚焊盘80%~100%面积上锡，上锡量尽量均匀。清洗助焊剂残渣后，用电子游标卡尺多次在不同引脚上测量元件本体顶面至焊点的尺寸，减去先前所测元件的厚度，根据QFN器件引脚间距的不同，要求元件焊点高度在0.1 mm~0.13 mm左右。

    第2 步 在PCBA的QFN所对应的焊盘上刷助焊膏。 

    第3 步 贴装FC，回流焊接，有条件可用X-RAY对其焊接情况进行检测。

4 结束语

    倒装焊器件的返修是SMT焊接整个过程中操作性、工艺性要求比较高的环节，这里介绍的一些返修工艺方法，是笔者在生产实践中学习积累所得，工艺无止境，对于FC器件的返修还有更多的方法，需要我们进一步去研究开发。