实训项目3返修工作站对BGA芯片拆卸和焊接.docx
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实训项目3返修工作站对BGA芯片拆卸和焊接
《SMT检测与返修实训》课程
项目实训指导书
赵雄明朱桂兵余日新
南京信息职业技术学院
目录
实训项目1AOI设备对PCB板的检测1
实训项目2返修工作站对IC芯片拆卸和焊接4
实训项目3返修工作站对BGA芯片拆卸和焊接5
实训项目4BGA芯片的植球11
实训项目1AOI设备对PCB板的检测
一、实训目的
(1)掌握AOI的测试方法;
(2)熟悉AOI的基本工作原理原理;
(3)熟悉AOI对缺陷的检测范围;
(4)熟悉AOI对焊膏印刷不良缺陷的检测;
(5)熟练AOI对焊点不良缺陷的检测
二、实训器材
(1)AOI检测设备;
(2)PCB板(焊膏已印刷);
(3)SMA组件板
(4)AOI编程软件
(5)防静电手套、防静电手环、防静电工作服
(6)防静电镊子
(7)放大镜、显微镜
(8)游标卡尺
三、实训指导
1、AOI测试的基本阶段(如图1所示)
图1AOI测试的基本阶段示意图
基本工作原理:
标准图像与实际板层图像进行比较。
标准图像由CAM资料转换获得;
实际板层图像则是通过光学部件扫描获得。
2、AOI的测试原理及方法
AOI检测流程基本分五步完成:
资料处理、母板资料学习、板件扫描、影像处理、逻辑比对、缺陷处理。
图2AOI检测流程图
(1)资料处理
在采用CAM/CAD作参考对比图形时,需对CAM/CAD资料进行层次定义、检测模式选定、解析度、线宽、板厚等相应参数设定,把工程设计的CAM/CAD资料转换为AOI能够识别的图形资料。
CAD数据画框是基于贴片机数据,自动生成的元件框,数据信息包括元件位号、X坐标、Y坐标、角度以及元件规格五组数据信息。
如图3所示
图3CAD贴片数据框图
(2)母板资料学习
①批量学习模式:
针对元件标准进行大量快速地统计建模,提高效率。
②错误暂停模式:
针对于与标准图相比大于允许误差范围值的元件标准进行单个调试。
③自动定位模式:
在元件允许移动范围的区域内进行自动校准元件框,以达到最佳的学习和检测效果。
④检测模式:
不学习+不暂停+不定位。
三不原则做检测。
图4母板资料学习模式设置图
(3)板件扫描
AOI的CCD(或能量采集设置)从板面扫过,并采集反射光(或激发光),并根据能量强弱形成相应的电子信号,待AOI的影像处理卡进行图像处理,便于图形比对。
图5板件扫描示意图
图6板件扫描实物图
(4)影像处理
AOI直接扫描测试板图形,然后经AOI图形处理卡转换为AOI能够识别的图形数据。
图7-1焊膏图形扫描图7-2贴片元件位置扫描
图7-3焊点扫描
(5)逻辑比对
AOI把经扫描及影像处理后的图形数据与存储的图形数据进行比对,不符合的地方报出缺陷,待检验员判定。
图8实物影像逻辑比对图示
(6)缺陷处理
AOI通过监视器按顺序把每个比对数据不同的位置显现出来,供检验员判定缺陷是否符合检验标准,并对不合的缺陷进行相应处理。
3、实验内容:
(1)列出PCB板的编号,检测的主要元件规格种类,以及相应的位号。
PCB板编号
元件名称
规格
位号
角度
数量
(2)将待检测的SMA组件PCB,准确的检测模式、解析度、线宽、板厚等相应参数设定,CAD数据画框自动生成的元件框,数据信息应包括元件位号、X坐标、Y坐标、角度以及元件规格五组数据信息,用打印机打印出来附在实训指导书里面。
(3)在图表中列出AOI检测的相关缺陷:
PCB板编号
元件名称
规格
位号
缺陷名称
(4)AOI对你所检测的PCB缺陷误判率是多少?
4、分析与讨论:
(1)模式设定不同,对AOI缺陷识别的准确率有何不同?
(2)影像比对处理需要注意哪些问题?
实训项目2返修工作站对IC芯片拆卸和焊接
一、实训目的
(1)掌握返修工作站对IC芯片的拆卸和焊接方法;
(2)掌握返修工作站的温度设置要求;
二、实训器材
(1)红外返修工作站;
(2)温度曲线测试仪
(3)SMA组件板
(4)激光光刻模板(微型)
(5)微型刮刀、焊膏
(6)芯片(QFP类两个)、CHIP(片状电阻电容若干)
(7)酒精、洗板水、毛刷、无尘擦拭布
(8)放大镜、显微镜、吸锡编带、真空吸笔
(9)防静电烙铁、防静电镊子、防静电手套、防静电手环、防静电工作服
三、实训指导
1、返工返修原理
对于成功返修SMT起帮助作用的两个最关键工艺,也是两个最容易引起忽视的问题:
(1)拆卸或焊接之前适当预热PCB板;
(2)拆卸或焊接之后迅速冷却焊点。
由于这两个根本工艺经常为返修技术人员所忽视,事实上,有时返修后比返修之前的状况更糟糕。
PCB长时间地在高温下加工会带来很多潜在的问题,如热损坏,焊盘和引线翘曲,基板分层,生白斑或起泡,变色。
板翘和被烧通常都会引起检验员注意。
但有时候虽然不会“烧坏板”并不等于说“板未受损坏”。
高温对PCB的无形损害甚至比上述所描述的问题更加严重。
几十年来,无数次试验反复证明PCB及其元件能“通过”返工后的检验和试验,其衰减速度比正常PCB板高。
这种基板内部翘曲和其电路元件衰减等隐形问题来自于不同材料不同的膨胀系数。
显然,这些问题不会自我暴露,甚至在开始电路试验时也未被发现,但仍潜伏在PCB组件中。
返修过程中所出现的“爆米花”现象,是指存在于一块集成电路或SMD在器件内部的湿气在返修过程中迅速受热,使湿气膨胀,出现微型爆裂或破裂的现象。
所以对于部分潮湿敏感元器件在拆卸或焊接前需要经过烘箱烘烤处理,祛除芯片内部的潮气,之后再焊接。
在开始焊接之前预热或“保温处理”组件有助于焊剂活性正常发挥,去除待焊接金属表面的氧化物和表面膜,以及焊剂本身的挥发物。
相应地,在焊接之前活化焊剂的这种清洗会增强润湿效果。
预热是将整个组件加热到低于焊料的熔点和焊接的温度。
这样可大大地降低对基板及其元器件的热冲击的危险性。
否则快速加热将增加组件内温度梯度而产生热冲击。
组件内部所产生的大的温度梯度将形成热机械应力,引起这些低热膨胀率的材料脆化,产生破裂和损坏。
SMT片式电阻器和电容器特别容易受到热冲击的伤害。
限制返工中降低焊接温度的另一个因素是工业标准的要求,即要返修点周围的元器件所处温度决不能超过170℃。
所以,返修中再流温度应与PCB组件本身和要再流的元器件尺寸的大小相适应,由于本质上是PCB板的局部返修,所以返修工艺限制了PCB板的维修温度。
局部化返修的加热范围比生产工艺中的温度更高一些,以抵消整个电路板组件的吸热。
PCB芯片组间焊接之后放慢冷却会使液体焊料中的不需要的富铅液池产生会使焊点强度降低。
然而,利用快速冷却能阻止铅的析出,使晶粒结构更紧,焊点更牢固。
2、IC芯片的拆卸步骤
(1)将PCB板固定在返修工作站支架上,用温度曲线测试仪测试SMA组件上焊点以及芯片TPO面的温度,使之达到焊料热熔之后的理想温度,避免对塑封芯片造成热损伤,或对芯片造成冷焊现象。
(2)通过温度曲线测试仪对温度曲线的分析,对返修工作站设置合适的温度。
(3)对拆卸的芯片焊点涂覆助焊剂
(4)对PCB板进行加热,加热温度严格按照标准的炉温曲线设置要求。
(5)观察焊点处焊料的变化,当焊料完全热熔后,用真空吸笔轻轻触及芯片TOP面,慢慢抬起吸笔将芯片移动到金属散热平台上放置。
(6)关闭加热开关,打开风扇用急速风来冷却PCB板。
(7)用防静电烙铁以及吸锡编带将焊盘上残留的焊料清理干净
(8)用洗板水和毛刷将焊盘以及周边残留的焊剂清洗干净
(9)用无尘擦拭布将板面擦拭干净。
3、IC芯片的焊接步骤
(1)将PCB板固定在返修工作站支架上,用激光光刻模板(微型)和微型刮刀将焊膏印刷在对应的芯片焊盘上,焊膏图形厚度要均匀,不能有桥连、拉尖等现象。
(2)将芯片用真空吸笔吸起来移动到芯片在PCB上对应的焊盘上方,极性方向对应好轻轻将芯片释放在焊盘上,对TOP面轻微下压,使得引脚下压到焊膏内,这样可以避免加热过程中,因为热熔焊料表面张力的原因造成芯片发生歪斜。
(3)打开加热开关对PCB板进行加热,加热温度严格按照标准的炉温曲线设置要求。
(4)加热过程中,观察温度曲线的变化,以及焊点处焊料的变化,当焊料完全热熔后,停止加热。
(5)打开风扇用急速风来冷却PCB板。
(6)用洗板水和毛刷将焊盘以及周边残留的焊剂清洗干净
(7)用无尘擦拭布将板面擦拭干净。
4、实验内容
(1)列出PCB板的编号,返修的主要元件规格种类,以及相应的位号。
PCB板编号
元件名称
规格
位号
角度
数量
(2)列出返修工作站每个加热单元的温度设置
PCB板编号
Zone1
Zone2
Zone3
Zone4
Zone5
TOP
BOT
(3)将温度曲线图打印出来附在项目实训指导书里面。
5、分析与讨论
(1)助焊剂在返工返修过程中主要起哪些作用?
(2)塑封芯片TOP面的温度一般限定在什么温度点之下?
(3)温度曲线的预热段斜率、以及降温的斜率一般如何控制?
(4)助焊剂的活性主要在什么温度范围活化?
实训项目3返修工作站对BGA芯片拆卸和焊接
一、实训目的
(1)掌握返修工作站对BGA芯片返工的参数设置要求;
(2)了解BGA芯片的引脚类型,辨别有铅工艺和无铅工艺的区别;
(3)养成BGA芯片在返工返修之前必须要检查球形引脚的一致性以及共面性的习惯。
二、实训器材
(1)红外返修工作站;
(2)温度曲线测试仪
(3)SMA组件板
(4)激光光刻模板(微型)
(5)微型刮刀、焊膏、干胶片
(6)BGA芯片、CHIP(片状电阻电容若干)
(7)酒精、洗板水、毛刷、无尘擦拭布
(8)放大镜、显微镜、吸锡编带、真空吸笔
(9)防静电烙铁、防静电镊子、防静电手套、防静电手环、防静电工作服
三、实训指导
1、BGA类芯片的返工返修原理
球栅列阵(BGA)焊盘翘起或脱落的不幸现象是常见的。
翘起的BGA焊盘把日常修理的程序变成一个复杂的印刷电路板修复程序。
BGA焊盘翘起的发生有许多原因。
因为这些焊盘位于元件下面,超出修理技术员的视线,技术员看不到这些焊点连接,因而可能在熔化所有焊锡连接点之前就试图移动元件。
类似地,由于过量的底面或顶面加热,或加热时间太长温度太高,BGA焊盘可能会被过分加热。
结果,操作员可能由于想使所有的BGA焊盘都熔化而使该区域过热。
加热太多或太少可能产生同样的不愉快的结果。
一个位置上多次返工也可能造成焊盘对电路板层失去粘结。
在焊锡回流温度,SMT焊盘是脆弱的,因为焊盘对板的粘结就是这样。
BGA是一个结实的元件,对PCB的连接很强;焊盘表面区域也值得注意,当熔化时,焊锡的表面张力最大。
图1BGA焊盘表面
修复损伤的BGA焊盘的,采用的是新的干胶片、胶底焊盘。
新的焊盘是使用一种专门设计的粘结压力机来粘结到PCB表面。
必须使板面平滑。
如果基底材料损伤,必须先用另外的程序修复。
本方法用来更换BGA的铜箔焊盘,干胶片作胶衬底。
2、BGA焊盘修复步骤如下:
(1)清洁要修理的区域
(2)掉失效的焊盘和一小段连线
(3)用小刀刮掉残留胶、污点或烧伤材料
(4)刮掉连线上的阻焊或涂层
(5)清洁区域
(6)在板面连接区域蘸少量液体助焊剂,并上锡、清洁。
焊锡连接的搭接长度应该小于两倍的连线宽度。
然后,可将新的BGA焊盘的连线插入原来BGA焊盘的通路孔中。
将通路孔的阻焊去掉,适当处理。
板面的新焊盘区域必须平滑。
如果有内层板纤维暴露,或表面有深层刮伤,都应该先修理。
更换后的BGA焊盘高度是关键的,特别对共晶锡球的元件。
去掉BGA焊盘与板面连线或通路孔之间的阻焊材料,以保持一个较低的轮廓。
有必要时,轻微磨进板面以保证连线高度不会干涉更换的元件。
(7)选一个BGA的替换焊盘,最接近配合要更换的焊盘。
如果需要特别尺寸或形状,可以用户订做。
这些新的BGA焊盘是用铜箔制造的,铜箔顶面镀锡,底面有胶剂胶结片。
(8)在修整出新焊盘之前,小心地刮去新焊盘背面上焊锡点连接区域的胶剂胶结片。
只从焊点连接区域刮掉树脂衬底。
这样将允许暴露区域的焊接。
当处理替换焊盘时,避免手指或其它材料接触树脂衬底,这样可能污染表面,降低粘结强度。
(9)剪切和修整新的焊盘。
从镀锡边剪下,剪留的长度保证最大允许的焊接连线搭接。
(10)在新焊盘的顶面放一片高温胶带,将新的焊盘放到PCB表面的位置上,用胶带帮助定位。
在粘结期间胶带保留原位。
(11)选择适合于新焊盘形状的粘结焊嘴,焊嘴应该尽可能小,但应该完全覆盖新焊盘的表面。
(12)定位PCB,使其平稳。
轻轻将热焊嘴放在覆盖新焊盘的胶带上。
施加压力按修理系统的手册推荐的。
注意:
过大的粘结压力可能引起PCB表面的斑点,或者引起新的焊盘滑出位置。
(13)在定时的粘结时间过后,抬起烙铁,去掉用于定位的胶带。
焊盘完全整修好。
仔细清洁区域,检查新焊盘是否适当定位。
(14)蘸少量液态助焊剂到焊接连线搭接区域,把新焊盘的连线焊接到PCB表面的线路上。
尽量用最少的助焊剂和焊锡来保证可靠的连接。
为了防止过多的焊锡回流,可在新焊盘的顶面放上胶带。
(15)混合树脂,涂在焊接连线搭接处。
固化树脂。
用最大的推荐加热时间,以保证最高强度的粘结。
BGA焊盘通常可经受一两次的回流周期。
另外可在新焊盘周围涂上树脂,提供额外的胶结强度。
(16)按要求涂上表面涂层。
在焊盘修理之后,应该做视觉检查(包括新焊盘的宽度和间隔)、和电气连接测量。
3、BGA芯片的拆卸焊接
3.1、BGA芯片的拆卸步骤
(1)将PCB板固定在返修工作站支架上,用温度曲线测试仪测试SMA组件上焊点以及芯片TPO面的温度,使之达到焊料热熔之后的理想温度,避免对塑封芯片造成热损伤,或对芯片造成冷焊现象。
(2)通过温度曲线测试仪对温度曲线的分析,对返修工作站设置合适的温度。
(3)对拆卸的BGA芯片焊点涂覆助焊剂
(4)对PCB板进行加热,加热温度严格按照标准的炉温曲线设置要求。
(5)观察焊点处焊料的变化,当焊料完全热熔后,用真空吸笔轻轻触及芯片TOP面,慢慢抬起吸笔将芯片移动到金属散热平台上放置。
(6)关闭加热开关,打开风扇用急速风来冷却PCB板。
(7)用防静电烙铁以及吸锡编带将焊盘上残留的焊料清理干净
(8)用洗板水和毛刷将焊盘以及周边残留的焊剂清洗干净
(9)用无尘擦拭布将板面擦拭干净。
3.2、BGA芯片的焊接步骤
(1)将PCB板固定在返修工作站支架上,用激光光刻模板(微型)和微型刮刀将焊膏印刷在对应的芯片焊盘上,焊膏图形厚度要均匀,不能有桥连、拉尖等现象。
(2)将BGA芯片用真空吸笔吸起来移动到芯片在PCB上对应的焊盘上方,极性方向对应好焊盘,利用影像对中系统记录下BGA焊球电极影像。
(3)利用影像对中系统记录下BGA焊盘的影像,轻轻调节X轴Y轴旋钮,使得BGA电极影像和焊盘影像叠加在一起,这样就完成了BGA的影响对中。
(4)轻轻将芯片释放在焊盘上,对TOP面轻微下压,使得引脚下压到焊膏内,这样可以避免加热过程中,因为热熔焊料表面张力的原因造成芯片发生歪斜。
(5)打开加热开关对PCB板进行加热,加热温度严格按照标准的炉温曲线设置要求。
(6)加热过程中,观察温度曲线的变化,以及焊点处焊料的变化,当焊料完全热熔后,停止加热。
图2BGA芯片焊点
(7)打开风扇用急速风来冷却PCB板。
(8)用洗板水和毛刷将焊盘以及周边残留的焊剂清洗干净
(9)用无尘擦拭布将板面擦拭干净。
4、实验内容
(1)列出PCB板的编号,返修的主要元件规格种类,以及相应的位号。
PCB板编号
元件名称
规格
位号
角度
数量
(2)列出返修工作站每个加热单元的温度设置
PCB板编号
Zone1
Zone2
Zone3
Zone4
Zone5
TOP
BOT
(3)将温度曲线图打印出来附在项目实训指导书里面。
5、分析与讨论
(1)BGA在返工返修过程中为什么会造成空洞现象?
如何避免?
(2)BGA返修什么情况下不使用焊膏而采用助焊膏?
(3)有铅BGA和无铅BGA焊点形状有何不同?
造成不同的原因是什么?
实训项目4BGA芯片的植球
一、实训目的
(1)掌握BGA芯片球形引脚的规格尺寸;
(2)掌握BGA芯片的植球方法;
(3)了解预成型植球和焊膏印刷法对BGA返工返修的意义
二、实训器材
(1)红外返修工作站;
(2)温度曲线测试仪
(3)BGA芯片
(4)BGA植球治具
(5)锡球(0.65mm、0.8mm)、助焊膏
(6)酒精、洗板水、毛刷、无尘擦拭布
(7)放大镜、显微镜、吸锡编带、真空吸笔
(8)防静电烙铁、防静电镊子、防静电手套、防静电手环、防静电工作服
三、实训指导
1、BGA植球步骤方法
有两个基本方法最常于重整BGA的锡球:
预成形(preform)和重整锡球的固定夹具(reballingfixture)。
微型模板(micro-stencil)可用于对元件上助焊剂和上锡膏。
本实训主要是预成型法植球。
(1)在BGA芯片表面涂覆助焊膏,之后将BGA固定在锡球的治具上。
图1焊球预成型法
(2)将植球治具与待植球的BGA芯片固定好之后,向模板内倒入合适的锡球,均匀摇晃,使得锡球漏到对应的BGA焊盘网孔里。
(3)将松散的锡球倒在模板上,当所有开口都已充满后,将多余的锡球扫除。
(4)在所有锡球都放好后,拿走模板,准备回流。
(5)利用返修工作站对锡球加热
使用从上面的强制对流来回流锡膏,焊接非熔化的锡球。
(6)重整锡球之后的BGA从治具上取下,准备象正常的元件一样安装到PCB上。
图40植球加热
2、实验内容
(1)列出PCB板的编号,返修的主要元件规格种类,以及相应的位号。
PCB板编号
元件名称
锡球规格
位号
角度
有铅或无铅
(2)列出返修工作站每个加热单元的温度设置
PCB板编号
Zone1
Zone2
Zone3
Zone4
Zone5
TOP
BOT
(3)将温度曲线图打印出来附在项目实训指导书里面。
3、分析与讨论
(1)BGA在植球过程中锡球尺寸如何选择?
(2)BGA植球,预成型法和焊膏印刷法一般如何选择?
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