摘要：随着现代电子技术的飞速发展及电子整机产品功能的不断扩展，推动着SMT返修设备向高精度、智能化、多功能、可靠性、可重复性和经济性方向持续发展。卓茂科技（ZM）作为SMT行业返修设备的专业BGA返修站制造商，受到业界的密切关注，解决了芯片体积小、引脚多的返修问题。本文重点介绍了BGA返修站开发的新思路及技术特点，并系统的介绍了芯片封装返修的解决方案。
　　1.BGA返修站的技术发展趋势
　　为满足电子整机产品体积更小，份量更轻和成本更低的要求，电子产品制造商们越来越多地采用精密组装微型元器件；然而在实际组装过程中，即使实施更佳的装配工艺也不能完全避免次品的产生。对于高精度和高集成度电子制造业来说，修复与返工是必要的工序，显然返修设备（BGA返修站）不仅是制造服务范围中不可缺的一项内容，更已成为一项可以带来可观回报的投资。
　　目前市场上的BGA返修站有：A、按种类分为：热风加热与红外加热两种；B、按机器类型分为：二温区与三温区两种（二温区，一般采用上部热风，下部红外；三温区一般采用，上部，下部热风，底部红外（解决PCB变形）；C、按技术档次分为：手动、半自动和全自动三种（ZM是中国家自主研发并生产全自动BGA返修站企业）。
　　尽管传统的手工返修、手动返修台仍占市场主流，但其市场份额正逐渐被半自动及全自动化返修台所替代。这主要是因为半自动与全自动返修台的返修速度和精度高于低端的手动，劳动强度有所降低。
　　先进的封装引脚数增加,对于精细引脚在装配过程中出现的桥连、漏焊、虚焊等缺陷，需返修设备也经历巨大的技术变革。随着制造工艺和元件封装技术的不断变化，电子装配市场对安全可靠，能重复使用且携带便捷的返修设备的需求不断的提升。在实施返修作业时，如何保障整个工艺的成功，不造成任何坏损或是避免返修中出现不必要的热应力至关重要。
　　因此返修工艺技术必须具备足够的置放能力以确保PCB板在加热时不发生变形，并且具备优良的加热控制能力从而节省加热过程中的预备时间并提供更佳的加热曲线。使BGA返修站具有良好的重复性和精密精度。
　　2.BGA返修站的设计新概念
　　如我们所知，BGA返修站生产工艺的改善需要经过长期摸索、试验及测试，与生产相配的实时动态可持续改进的质量管理体系（ISO9001：2008）是这个SMT返修设备行业的最新科研成果，而ZM-R8650是目前国内更具实力，且设计最新概念的款返修设备。
　　同时在2010年四川省电子学会SMT专委会、广东省电子学会SMT专委会组织国内部份专家进行了评审，且评价此设备在全球返修设备领域使用自动视觉识别系统定位、拆焊、贴装和焊接等整体返修技术，属国际领先水平。
　　目前的手工对位及光学对位仍存在精度方面问题、操作速度慢现象。进而指导工艺改善、提高生产效率、降低成本则成为ZM高品质保证的关键手段。针对这个重点控制环节，促使我们公司提出一种新的对位系统解决方案，该方案同时满足了SMT返修设备行业的精准度、可重复性和高速运行特征，通过设计合理的精密机械机构、光学系统、视觉系统及软件系统等实现了自动定位、拆焊、贴装和焊接功能技术。
　　3.BGA返修站的技术特点及重点
　　无论高低端返修BGA返修台，有一个共同关键控制技术特点为加热方式；A：红外的加热原理：前期升温慢，后期升温快，穿透性相对比较强。B：热风加热原理：热风升温快，降温也快。温度容易很稳定的控制。通过原理分析，红外加热与热风加热相结合是更佳选择。上下部使用热风加热稳定，升降温度好控制；底部使用红外预热来防止PCB变形（变形原因，一般是做BGA位置跟PCB的位置温差太大导致，底部预热，给PCB一定热量，让PCB跟做的BGA温度拉少，但不融化）。
　　另一个重点控制要点就是对位，在返修过程中，PCB焊盘与BGA引脚或锡球对位是否准确，在焊接动作前是一个关键控制点。先进的自动视觉识别系统定位，将不同型号及不同类型的BGA芯片通过图像处理软件自动检测分析记忆，两者结合形成了一个高精度、功能强大、性能稳定、操作简便的对位机构。为了防止人为作业时，放置PCB板过程中出现位置存在错位、放偏现象，此现象是视觉系统及软件系统中的重点，同时也给设计上造成一些技术难点：A：清晰的图像处理技术；B：系统稳定性；C：检测自动记忆分析位置精度等。
　　4.BGA返修技术解决方案
　　卓茂科技有限公司主要是一家集研发、生产、销售为一体的高新技术企业，在SMT返修设备行业中已创造了自已的民族品牌，摆脱了外来技术的封锁，实现产品性能的优化及零的突破，填补了中国此领域的空白，并且拥有独立的专利和知识产权。下面是目前BGA返修站的四大难题，也是此行业的关键技术解决方案。
　　4．1精准的加热（控温）系统
　　热电偶是控温系统的关键，热电偶是用来感应温度的，在使用和安装过程中，就确保除测试点外，无短接现象发生，否则无法保证测试精度，测量点尽可能小；另外热电偶在与测度仪连接时，其极性应与测试仪要求一致，才能将温度转变为电动势，所以连接时有方向要求。
　　无论是热风加热还是红外加热都需通过温度曲线来测量温度的精准度，温度曲线是指PCB焊盘上的实际温度，而不是发热体的表面温度。由于不同加热方式及热电偶放置不一样，有的放在发热体里面，有的放在发热体表面等。因此很难找出它们与PCB表面温度的对应关系，必须实际测量PCB的焊接温度曲线。温度曲线主要是测量升温速度、峰值温度等几大参数。温度曲线需根据不同的BGA来设置，依目前的产品特性，最少要有两组才够用。即：有铅焊接和无铅焊接。拆焊一个芯片需要4分钟左右。如果要缩短焊接时间，提高工作效率，可以根据芯片大小进一步分为两类。16-35mm算做小芯片；36-50mm算做大芯片；即有铅大芯片焊接、有铅小芯片焊接、无铅大芯片焊接、无铅小芯片焊接。分类以后，焊接一个小芯片3分钟内可以完成。现在常用的温控表一般可以贮存10组温度曲线；相对成本高一些的返修设备常用人机界面贮存50到100组温度曲线；由于温控表及人机界面容纳不下更多温度曲线，我司已设计了将返修台连接电脑控制使用，以便贮存这些繁杂上万组的温度曲线。
　　精准的加热系统需通过几个阶段才能得到测试结果，其中升温过程非常重要，其次为冷却。升温过程中先预热，预热段更先作用于电路板，去除助焊剂中的挥发性成份并且减少热冲击为焊接做准备。其升温速率必须控制在适当范围内，升温过快，会产生热冲击，PCB板和元件都可能受损，一些元件对内部应力比较敏感，元件外部温度上升太快，会造成断裂。升温过慢，焊锡膏中的溶剂挥发不充分而影响焊接质量。设定升温速率为3℃/S左右，以获得良好的预热效果，还可以有效地限制沸腾和飞溅，防止形成小焊锡珠。
　　如果有浸润区，通常也是在这个阶段。浸润区要在比较小的温度范围内保持设定的时间，也就是曲线上的平台，使得PCB板在进入焊接之前的整个板上的温度平衡。这样整个PCB板以近似焊接条件（更高温度和液态时间）以形成一致的焊点。其带浸润区的曲线也有BGA、QFN、LGA和CCGA等之类的元件焊接中使用以减小空洞，清除锡膏中的挥发性成份，减少了助焊剂的出气，使得焊点中的空洞减小。接着为保温阶段，此段是使PCB上各元件的温度趋于稳定，接近焊锡膏的熔点，并尽量减少温度差，使其较容易地转变到再流阶段；保温阶段适用温度范围是160℃～190℃，如果温度设定太高，助焊剂便没有足够的时间活性化，最终影响返修焊接效果。再接着为再流阶段，此段作用是将PCB板的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度，使焊锡膏和焊盘以及引脚形成共晶合金。一般有铅锡球熔点183℃，无铅锡球熔点和峰值温度为217℃，结合热电偶监测电路板上面的温度设置。
　　因此典型的再流阶段温度范围是210℃～245℃。再流队阶段温度设置过高会引起印制板的变形、脱层或烧损，而且会损坏元件的完整性。再后为冷却阶段，一般冷却时间设置60S左右即可。
　　4．2精密机械系统
　　精密机械系统是BGA返修台的主体结构，给设备提供了稳定的基础，实现高精度、高效率和高稳定性的前提。BGA返修台在返修过程中的运动速度较为严格，在不同状态下速度有快有慢，另外精度及稳定性要求很高。所以在进行精密机械系统设计时，更应该注重结构稳定性和机台的定位精度、重复定位精度。
　　BGA返修台常用的几种主体结构有三种（有一个共同特性是：上部加热头无论是手动还是自动，但Z轴都可以移动）。A、固定上部，工作台手工移动；装卸工件非常方便，操作简单，但是要求的决动块要求顺畅，移动过程中会引起很大的运动误差。仅适合精度要求不高或大的芯片封装返修；B、上部与工作台可同时手工移动；装卸工作方便，操作性能好，但返修每个产品操作复杂需长时间去对位，对位方式稳定。
　　此结构适合精度高，返修频率低的芯片封装。C、高速自动移动；X轴、Y轴和Z轴方向都可沿轨导或模组移动，速度可根据不同的芯片封装进行调整，装配难度高；此结构适合精度高、重复性高及批量大的返修运动。主体结构形式确定后，还需要从材料特性上考虑主体结构的设计，主要是对不同芯片封装的材料在温度特性、运动特性及工艺特性三个方面进行分析（材料中的温度特性主要分析材料热膨胀率、热导率、热膨胀系数与热导的比值三个参数的影响，运动特性则主要考虑材料密度和弹性模量的影响，工艺特性需要考虑材料加工特性。），提出针对不同精度、使用环境、返修效果要求的BGA返修台结构选取适合的材料，确保设计的合理性。
　　精密机械系统中安全保护措施强弱同时也会影响返修精度，在通常情况下配有高分辨率的光栅尺作为系统实现闭环控制的位置检测装置，通过系统性控制可提高BGA返修台的定位精度和重复性。
　　4．3光学系统
　　光学系统相当于BGA返修站的“眼睛”，是实现高精度、高效率对位的保证。BGA返修站的光学系统主要包括摄像机构、照明机构和相关的安装调整机构。照明机构主要涉及光源的选择和光源架方式设计等。光源的选择需考虑光源的类型、品质、功率、电压、寿命及稳定性等，选择时需要结合具体应用综合考虑选择合适的光源。光源存在几个技术指标是选择必须考虑到的，分别为色温、显色指数和照度。在观察环境下不应受到其它光线或颜色的干扰。光源架需要确保光源投射到被测物的测量区域。
　　光学系统中的CCD是返修站摄像机构的关键部件，其摄像机构主要由CCD和镜头组成。选择合适的CCD是光学系统设计的重要环节，它直接决定采集图像的分辨率、图像质量等，且与设备的运行模式密切相关。一个好的CCD固然能够捕捉到优质的图像，这里不得不提到一个像素的问题，经常有人认为像素越高其检测效果就越好，越准确。其实问题我们要先了解相机像素、相机的分辨率和拍摄范围后，才能选择到更佳的。CCD的主要功能将感光信号转变成有序的电信号，以便软件系统对其进行分析和图像处理等。另外镜头是CCD成像的辅助光学配件，通过镜头的光学调整以达到相机成像所需的焦距和清晰度等。
　　4．4软件系统
　　件系统是BGA返修台的“大脑”。软件系统是通过主控PC机和运动控制卡、图像采集卡等实现对BGA返修台的精密控制、对焊盘及BGA的特征尺寸的测量、对所测验缺陷检测验数据进行采集和分析。主机PC机是该系统的核心，实现机器数据的采集传传输和分析处理等功能。图像采集卡主要完成设备中的图像采集和数据转换等功能。运动控制卡主要实现机器运动控制信号的采集，传递增各种工艺数据，动作执行等指令功能。
　　款的BGA返修站是通过系统软件设定PCB的MARK点自动生成坐标系，命令控制系统执行操作；操作过程中光学系统检测到芯片封装或PCB板移位的情况下，系统软件将能自动校正；且多轴运动处理器通过PC机自动控制整个运行系统，无论在焊接、贴装和拆卸模式中，机器X、Y轴同时以300mm/s运行，Z1、Z2和R轴同时以150mm/s的速度均速移动到设定相应位置。
　　5.结束语
　　国产的BGA返修站在SMT产线上的应用已很普遍，但高端高精度的BGA返修站开发方面与国外的返修站还有差距，要实现高精度、高软件智能化和多元化，需要从软件分析法、精密机械加工工艺、图像处理系统来提高BGA返修站的重复性和稳定性。我们基于实际生产需求，从操作简单和智能化的战略角度入手，已打造了中国款新型自动BGA返修站，并获得成功应用，已得到了客户的良好评价。