河北11选5专家推荐:淺談BGA返修站技術革新

河北11选5开奖直 www.kxiju.com 摘要: 隨著現代電子技術的飛速發展及電子整機產品功能的不斷擴展,推動著SMT返修設備向高精度、智能化、多功能、可靠性、可重復性和經濟性方向持續發展。卓茂 科技(ZM)作為SMT行業返修設備的專業BGA返修站制造商,受到業界的密切關注,解決了芯片體積小、引腳多的返修問題。本文重點介紹了BGA返修站開 發的新思路及技術特點,并系統的介紹了芯片封裝返修的解決方案。

1.BGA返修站的技術發展趨勢

為滿足電子整機產品體積更小,份量更輕和成本更低的要求,電子產品制造商們越來越多地采用精密組裝微型元器件;然而在實際組裝過程中,即使實施裝配工藝也不能完全避免次品的產生。對于高精度和高集成度電子制造業來說,修復與返工是必要的工序,顯然返修設備(BGA返修站)不僅是制造服務范圍中不可缺的一項內容,更已成為一項可以帶來可觀回報的投資。

目前市場上的BGA返修站有:A、按種類分為:熱風加熱與紅外加熱兩種;B、按機器類型分為:二溫區與三溫區兩種(二溫區,一般采用上部熱風,下部紅外; 三溫區一般采用,上部,下部熱風,底部紅外(解決PCB變形);C、按技術檔次分為:手動、半自動和全自動三種(ZM是中國第一家自主研發并生產全自動 BGA返修站企業)。盡管傳統的手工返修、手動返修臺仍占市場主流,但其市場份額正逐漸被半自動及全自動化返修臺所替代。這主要是因為半自動與全自動返修 臺的返修速度和精度高于低端的手動,勞動強度有所降低。

先進的封裝引腳數增加,對于精細引腳在裝配過程中出現的橋連、漏焊、虛焊等缺陷,需返修設備也經歷巨大的技術變革。隨著制造工藝和元件封裝技術的不斷變化,電子裝配市場對安全可靠,能重復使用且攜帶便捷的返修設備的需求不斷的提升。在實施返修作業時,如何保障整個工藝的成功,不造成任何壞損或是避免返修 中出現不必要的熱應力至關重要。因此返修工藝技術必須具備足夠精確的置放能力以確保PCB板在加熱時不發生變形,并且具備優良的加熱控制能力從而節省加熱 過程中的預備時間并提供加熱曲線。使BGA返修站具有良好的重復性和精密精度。

2.BGA返修站的設計新概念

如我們所知,BGA返修站生產工藝的改善需要經過長期摸索、試驗及測試,與生產相配的實時動態可持續改進的質量管理體系(ISO9001:2008)是這 個SMT返修設備行業的新科研成果,而ZM-R8650是目前國內實力的體現,且設計新概念的第一款返修設備。同時在2010年四川省電子學會SMT專 委會、廣東省電子學會SMT專委會組織國內部份專家進行了評審,且評價此設備在全球返修設備領域使用自動視覺識別系統定位、拆焊、貼裝和焊接等整體返 修技術,屬國際領先水平。

目前的手工對位及光學對位仍存在精度方面問題、操作速度慢現象。進而指導工藝改善、提高生產效率、降低成本則成為ZM高品質保證的關鍵手段。針對這個重點 控制環節,促使我們公司提出一種新的對位系統解決方案,該方案同時滿足了SMT返修設備行業的精準度、可重復性和高速運行特征,通過設計合理的精密機械機 構、光學系統、視覺系統及軟件系統等實現了自動定位、拆焊、貼裝和焊接功能技術。

3.BGA返修站的技術特點及重點

無論高低端返修BGA返修臺,有一個共同關鍵控制技術特點為加熱方式;A:紅外的加熱原理:前期升溫慢,后期升溫快,穿透性相對比較強。B:熱風加熱原 理:熱風升溫快,降溫也快。溫度容易很穩定的控制。通過原理分析,紅外加熱與熱風加熱相結合是理想選擇。上下部使用熱風加熱穩定,升降溫度好控制;底部使 用紅外預熱來防止PCB變形(變形原因,一般是做BGA位置跟PCB的位置溫差太大導致,底部預熱,給PCB一定熱量,讓PCB跟做的BGA溫度拉少,但不融化)。

另一個重點控制要點就是對位, 在返修過程中,PCB焊盤與BGA引腳或錫球對位是否準確,在焊接動作前是一個關鍵控制點。先進的自動視覺識別系統定位,將不同型號及不同類型的BGA芯 片通過圖像處理軟件自動檢測分析記憶,兩者結合形成了一個高精度、功能強大、性能穩定、操作簡便的對位機構。為了防止人為作業時,放置PCB板過程中出現 位置存在錯位、放偏現象,此現象是視覺系統及軟件系統中的重點,同時也給設計上造成一些技術難點:   A:清晰的圖像處理技術;B:系統穩定性;C:檢測自動記憶分析位置精度等。


4.BGA返修技術解決方案

卓茂科技有限公司主要是一家集研發、生產、銷售為一體的高新技術企業,在SMT返修設備行業中已創造了自已的民族品牌,擺脫了外來技術的封鎖,實現產品性 能的優化及零的突破,填補了中國此領域的空白,并且擁有獨立的專利和知識產權。下面是目前BGA返修站的四大難題,也是此行業的關鍵技術解決方案。

4.1 精準的加熱(控溫)系統

熱電偶是控溫系統的關鍵,熱電偶是用來感應溫度的,在使用和安裝過程中,就確保除測試點外,無短接現象發生,否則無法保證測試精度,測量點盡可能??;另外熱電偶在與測度儀連接時,其極性應與測試儀要求一致,才能將溫度轉變為電動勢,所以連接時有方向要求。

無論是熱風加熱還是紅外加熱都需通過溫度曲線來測量溫度的精準度,溫度曲線是指PCB焊盤上的實際溫度,而不是發熱體的表面溫度。由于不同加熱方式及熱電 偶放置不一樣,有的放在發熱體里面,有的放在發熱體表面等。因此很難找出它們與PCB表面溫度的對應關系,必須實際測量PCB的焊接溫度曲線。溫度曲線主 要是測量升溫速度、峰值溫度等幾大參數。溫度曲線需根據不同的BGA來設置,依目前的產品特性,最少要有兩組才夠用。即:有鉛焊接和無鉛焊接。拆焊一個芯 片需要4分鐘左右。如果要縮短焊接時間,提高工作效率,可以根據芯片大小進一步分為兩類。16-35mm算做小芯片;36-50mm算做大芯片;即有鉛大 芯片焊接、有鉛小芯片焊接、無鉛大芯片焊接、無鉛小芯片焊接。分類以后,焊接一個小芯片3分鐘內可以完成。現在常用的溫控表一般可以貯存10組溫度曲線; 相對成本高一些的返修設備常用人機界面貯存50到100組溫度曲線;由于溫控表及人機界面容納不下更多溫度曲線,我司已設計了將返修臺連接電腦控制使用, 以便貯存這些繁雜上萬組的溫度曲線。

精準的加熱系統需通過幾個階段才能得到測試結果,其中升溫過程非常重要,其次為冷卻。升溫過程中先預熱,預熱段最先作用于電路板,去除助焊劑中的揮發性成 份并且減少熱沖擊為焊接做準備。其升溫速率必須控制在適當范圍內,升溫過快,會產生熱沖擊,PCB板和元件都可能受損,一些元件對內部應力比較敏感,元件 外部溫度上升太快,會造成斷裂。升溫過慢,焊錫膏中的溶劑揮發不充分而影響焊接質量。設定升溫速率為3℃/S左右,以獲得良好的預熱效果,還可以有效地限 制沸騰和飛濺,防止形成小焊錫珠。如果有浸潤區,通常也是在這個階段。浸潤區要在比較小的溫度范圍內保持設定的時間,也就是曲線上的平臺,使得PCB板在 進入焊接之前的整個板上的溫度平衡。這樣整個PCB板以近似焊接條件(最高溫度和液態時間)以形成一致的焊點。其帶浸潤區的曲線也有BGA、QFN、 LGA和CCGA等之類的元件焊接中使用以減小空洞,清除錫膏中的揮發性成份,減少了助焊劑的出氣,使得焊點中的空洞減小。接著為保溫階段,此段是使 PCB上各元件的溫度趨于穩定,接近焊錫膏的熔點,并盡量減少溫度差,使其較容易地轉變到再流階段;保溫階段適用溫度范圍是160℃ ~ 190℃,如果溫度設定太高,助焊劑便沒有足夠的時間活性化,最終影響返修焊接效果。再接著為再流階段,此段作用是將PCB板的溫度從活性溫度提高到所推 薦的峰值溫度,使焊錫膏和焊盤以及引腳形成共晶合金。一般有鉛錫球熔點183℃,無鉛錫球熔點和峰值溫度為217℃,結合熱電偶監測電路板上面的溫度設 置。因此典型的再流階段溫度范圍是210℃~245℃。再流隊階段溫度設置過高會引起印制板的變形、脫層或燒損,而且會損壞元件的完整性。再后為冷卻階 段,一般冷卻時間設置60S左右即可。


4.2 精密機械系統

精密機械系統是BGA返修臺的主體結構,給設備提供了穩定的基礎,實現高精度、高效率和高穩定性的前提。BGA返修臺在返修過程中的運動速度較為嚴格,在 不同狀態下速度有快有慢,另外精度及穩定性要求很高。所以在進行精密機械系統設計時,更應該注重結構穩定性和機臺的定位精度、重復定位精度。

BGA返修臺常用的幾種主體結構有三種(有一個共同特性是:上部加熱頭無論是手動還是自動,但Z軸都可以移動)。A、固定上部,工作臺手工移動;裝卸工件 非常方便,操作簡單,但是要求的決動塊要求順暢,移動過程中會引起很大的運動誤差。僅適合精度要求不高或大的芯片封裝返修;B、上部與工作臺可同時手工移 動;裝卸工作方便,操作性能好,但返修每個產品操作復雜需長時間去對位,對位方式穩定。此結構適合精度高,返修頻率低的芯片封裝。C、高速自動移動;X 軸、Y軸和Z軸方向都可沿軌導或模組移動,速度可根據不同的芯片封裝進行調整,裝配難度高;此結構適合精度高、重復性高及批量大的返修運動。主體結構形式 確定后,還需要從材料特性上考慮主體結構的設計,主要是對不同芯片封裝的材料在溫度特性、運動特性及工藝特性三個方面進行分析(材料中的溫度特性主要分析 材料熱膨脹率、熱導率、熱膨脹系數與熱導的比值三個參數的影響,運動特性則主要考慮材料密度和彈性模量的影響,工藝特性需要考慮材料加工特性。),提出針 對不同精度、使用環境、返修效果要求的BGA返修臺結構選取適合的材料,確保設計的合理性。

精密機械系統中安全?;ご朧┣咳跬幣不嵊跋旆敵蘧?,在通常情況下配有高分辨率的光柵尺作為系統實現閉環控制的位置檢測裝置,通過系統性控制可提高BGA返修臺的定位精度和重復性。

4.3 光學系統

光學系統相當于BGA返修站的“眼睛”,是實現高精度、高效率對位的保證。BGA返修站的光學系統主要包括攝像機構、照明機構和相關的安裝調整機構。照明 機構主要涉及光源的選擇和光源架方式設計等。光源的選擇需考慮光源的類型、品質、功率、電壓、壽命及穩定性等,選擇時需要結合具體應用綜合考慮選擇合適的 光源。光源存在幾個技術指標是選擇必須考慮到的,分別為色溫、顯色指數和照度。在觀察環境下不應受到其它光線或顏色的干擾。光源架需要確保光源投射到被測 物的測量區域。

光學系統中的CCD是返修站攝像機構的關鍵部件,其攝像機構主要由CCD和鏡頭組成。選擇合適的CCD是光學系統設計的重要環節,它直接決定采集圖像的分 辨率、圖像質量等,且與設備的運行模式密切相關。一個好的CCD固然能夠捕捉到優質的圖像,這里不得不提到一個像素的問題,經常有人認為像素越高其檢測效 果就越好,越準確。其實問題我們要先了解相機像素、相機的分辨率和拍攝范圍后,才能選擇到理想的。CCD的主要功能將感光信號轉變成有序的電信號,以便軟 件系統對其進行分析和圖像處理等。另外鏡頭是CCD成像的輔助光學配件,通過鏡頭的光學調整以達到相機成像所需的焦距和清晰度等。


4.4   軟件系統

件系統是BGA返修臺的 “大腦”。軟件系統是通過主控PC機和運動控制卡、圖像采集卡等實現對BGA返修臺的精密控制、對焊盤及BGA的特征尺寸的測量、對所測驗缺陷檢測驗數據 進行采集和分析。主機PC機是該系統的核心,實現機器數據的采集傳傳輸和分析處理等功能。圖像采集卡主要完成設備中的圖像采集和數據轉換等功能。運動控制 卡主要實現機器運動控制信號的采集,傳遞增各種工藝數據,動作執行等指令功能。

款的BGA返修站是通過系統軟件設定PCB的MARK點自動生成坐標系,命令控制系統執行操作;操作過程中光學系統檢測到芯片封裝或PCB板移位的情況 下,系統軟件將能自動校正;且多軸運動處理器通過PC機自動控制整個運行系統,無論在焊接、貼裝和拆卸模式中,機器X、Y軸同時以300mm/s運 行,Z1、Z2和R軸同時以150mm/s的速度均速移動到設定相應位置。


5 .結束語

國產的BGA返修站在SMT產線上的應用已很普遍,但高端高精度的BGA返修站開發方面與國外的返修站還有差距,要實現高精度、高軟件智能化和多元化,需 要從軟件分析法、精密機械加工工藝、圖像處理系統來提高BGA返修站的重復性和穩定性。我們基于實際生產需求,從操作簡單和智能化的戰略角度入手,已打造了中國新型自動BGA返修站,并獲得成功應用,已得到了客戶的良好評價。