专利名称：电路基板上多余焊料的垂直去除的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及印刷电路基板，更具体地说，涉及防止再加工的印刷电路基板上的焊接缺陷。
背景技术：
在电子工业中使用印刷电路基板安置和互连电路。用于电子工业的印刷电路基板的示例包括陶瓷基板、印刷电路板、柔性印刷电路、金属上陶瓷(porcelain-on-metal)基板以及硅上硅(silicon-on-silicon)基板。这些电路可包括大封装内的昂贵的微处理器或数字信号处理器，它们需要许多引脚连接至该印刷电路基板。例如，球栅阵列(BGA)封装可用于这种电路。这些BGA封装通常通过表面安装技术电气连接至印刷电路基板，其中表面安装技术例如是使用热空气或诸如氖气的其它热气体的大规模回流焊。
BGA封装会特别地导致一些制造困难，这是因为印刷电路基板与BGA引脚间的焊点连接直接位于BGA封装之下。因此，不能使用标准波峰焊回流焊技术，因为焊料不能移动至封装之下形成焊点。此外，这些焊点的密度可以相当大，导致焊点间很小的间距，这会引起焊料桥接，使焊点短路。结果，必须使用特殊的组装技术，包括预置在电路基板上并由焊料掩膜分隔的焊球、印刷焊膏或者焊料凸块。然后将BGA封装置于焊膏、焊料凸块或焊球上，并利用热空气或诸如氖气的其它热气体加热该组件，熔化焊料，以将BGA引脚连接至印刷电路基板焊点。虽然大多数BGA连接与修复技术利用热空气熔化焊料，但对于单面组件，有时在电路基板之下使用加热板或加热筒熔化焊料。已经用于局部熔化焊料的局部加热电路基板的其它方法包括红外辐射，软光束能量，激光能量，以及施加热压缩蒸气，例如fluorinert(其用于气相回流系统)。
在去除有缺陷的BGA封装时此问题变得更加严重，因为去除过程通常涉及重新加热焊点并仔细地去除BGA器件。如果该BGA器件没有适当地脱离电路板(例如出现侧移)，则会出现焊料桥接，这需要进一步的恢复措施或者电路基板的报废。此外，焊点间使用的焊料掩膜较为脆弱而且易于变形，如果在去除BGA封装时出现任何侧移，则会损坏该焊料掩膜。如果焊料掩膜受到损坏，则在再加工的电路基板上重新安装新的BGA器件会导致新的焊料桥接，这又需要进一步的再加工。
现有技术的方法包括利用切割线去除封装和使用高压喷水。然而，这些机械方法必然会对焊料掩膜造成损坏。对焊料进行回流去除零件将对焊料掩膜造成最小程度的损坏。然而，在去除BGA封装后可能在上面留下多余的残留焊料，这需要对于电路基板进行进一步的再加工，例如使用本领域公知的编织铜焊料吸取器。进一步的再加工也会损坏焊料掩膜。
因此，需要一种从电路基板去除可导致焊料桥接的多余焊料而不损坏焊料掩膜的改进技术。还希望以简单的单次班组操作形式提供这种改进，单次班组操作限制了破坏性侧移的可能性。对于连接和断开印刷电路基板使用相同的设备将进一步受益，这可使去除过程经济可行并保持过程可控。
利用所附权利要求中的特性阐述相信为新颖的本发明的特征。通过参考下面的说明并结合附图可最好地理解本发明及其进一步的目标与优势，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中图1是本领域公知的BGA器件和印刷电路基板组件的剖面图；图2是典型的回流焊去除BGA器件后的图1的印刷电路基板的剖面图；图3是根据本发明的接近图2的印刷电路基板多余焊料放置的牺牲电路基板的剖面图；图4是根据本发明的图3的回流组件上牺牲电路基板操作的剖面图；图5是根据本发明的在去除牺牲电路基板后图4的印刷电路基板的剖面图；以及图6是根据本发明的方法的流程图。
虽然本发明易于进行各种修改和替换形式，又在附图中通过示例表示了特定实施例，并且将在此进行详细说明。然而应当理解，并不是要将本发明限制于所公开的特定形式。相反，本发明涵盖落入由所附权利要求限定的广泛范围之内的所有修改、等效和替换。
具体实施例方式
本发明提供一种从电路基板去除多余残留焊料而不损坏焊料掩膜的改进方法。本发明还提供一种简单的单次班组操作法，其限制了破坏性侧移的可能性。此外，可将组装电路基板的同样设备用于将电路从印刷电路板脱离，使本发明经济可行同时保持过程可控。
本发明可用于从任何精细间距电子元器件的再加工部位去除多余焊料，不仅仅是球栅阵列。本发明还可用于BGA、Micro BGA、芯片级封装(CSP)、倒装芯片器件以及精细间距四方扁平封装(QFP)和四方扁平无引线(QFN)封装。本发明被配置为提供匹配用于再加工的元器件的脚印(footprint)的孔。典型的BGA焊盘直径范围从27密尔低至19密尔，因此本发明的孔直径对于这些封装将约为10密尔。但是，对于这种尺寸的BGA，孔直径范围可从10密尔粗至60密尔粗。这样的尺寸也是对于QFP或QFN封装的典型值。Micro BGA可具有12密尔小的焊盘，因此可以使用较小的孔径。对于这种尺寸的MicroBGA，SCS范围从10密尔粗至30密尔粗。对于CSP和倒装芯片，这些焊盘的直径为8至15密尔，并且这些孔甚至可以更小，范围从5密尔粗至18密尔粗。
图1是集成电路10，例如球栅阵列(BGA)器件，与印刷电路基板12的公知组装。焊料14将各个BGA引脚16连接至印刷电路基板12上的各自电子焊盘18，印刷电路基板具有延伸至该电路基板之上或之外的其它电路的电子线路(未示出)，这在本领域内公知。焊料掩膜20存在于电子焊盘18之间。焊料掩膜20由抗熔融焊料14的材料制成，这在本领域内公知。这样，焊料掩膜20防止能够导致电气连接16、18短路的焊料桥接，焊料桥接引起需要组件再加工和需要希望恢复BGA器件10、印刷电路基板12或二者的组件的电气故障。但是应当明白，其它常见类型的电路故障也需要组件的再加工。对于柔性电路基板12，焊料掩膜20也必须为柔性的，这使焊料掩膜20在再加工过程中易于损坏。
图2表示去除BGA器件之后典型的印刷电路基板12。通常，当BGA器件被焊接至电路基板时，有超过90％的焊料被施加至该BGA器件，并且小于10％的堆积焊料粘附于电路基板之上。可以看出，在去除器件后，多余焊料14可存在于印刷电路基板12上的多个位置。多余焊料量并不一致，但通常约为原始量的50％，其中仅需10％用于再加工目的。每一位置处的多余焊料是变化的量。尽管在元器件的再组装中希望在印刷电路基板的电子触点上留有一些焊料，但并不希望留有过多的焊料，因为这可能引起焊桥，如前所解释。图3-5展示了根据本发明从电路基板垂直去除多余焊料以保护焊料掩膜的方式。
图3表示在准备去除多余焊料14时接近印刷电路基板12的多余焊料14放置的牺牲电路基板30(SCS)。该牺牲电路基板30包括多个金属焊盘38。优选地，该牺牲电路基板30还包括与这些焊盘38相连的多个孔32。这些孔可为各种形状，但优选地为圆柱形。通常，该电路基板由薄的柔性材料制成，例如本领域公知的FR4。牺牲电路基板30也可由诸如FR4的薄柔性材料制成，以与电路基板12一致。然而优选的是，该牺牲电路基板30由刚性基板形成，例如本领域公知的树脂注入玻璃织物，其比柔性FR4便宜地多。通常，孔32是穿过电路板30而形成的通孔，并且按照与去除的器件的引脚相匹配的图案排列。例如，BGA封装具有阵列形式的规则间隔的引脚，该阵列形式对应于电路基板12的焊盘18位置。牺牲电路基板30的焊盘38和孔32将以阵列形式进行类似的排列，以与电路基板12上的多个多余焊料14凸块对齐。
每一焊盘38和孔32的一部分具有在其上布置的焊料吸附材料34。通常将铜或者铜合金用于焊料吸附材料34。优选地，焊盘38和孔32镀有金，以保持焊料吸附材料的完整性。然而，可等效地利用其它焊料吸附材料与合金。牺牲电路基板30的孔32包括镀有焊料吸附材料的通孔34。焊盘38和可选的孔32与通孔34被配置为提供所需数量的多余焊料吸取，如下详述。
由于多余焊料凸块14的不均匀特性，牺牲电路板30的焊盘38不会都与多余焊料凸块接触。然而一旦回流，将形成与所有焊料凸块14的接触。此外，牺牲电路基板30在电路基板12上的对齐放置并不是关键的，因为回流的焊料凸块的表面张力将对齐这二者，如图4中所示。
图4表示回流组件上牺牲电路基板的操作。具体地，牺牲电路基板30的多个焊盘38和孔32垂直地接近电路基板12的多余焊料14，以将多余焊料垂直吸附至焊盘38和孔32上，并且随后进入牺牲电路基板30的孔32的通孔36。提供热源38将多余焊料加热至液态。优选地，该热源为回流多余焊料的热气体源，例如空气或氖气。回流的焊料14将附着至焊盘38和孔32的焊料吸附表面34，并且表面张力通过毛细(吸取)作用将多余焊料14吸入孔32。在已知焊料吸附表面34材料的情况下，选择孔、通孔和焊盘的尺寸以及加热时间，以去除大部分多余焊料，但是在电路12的焊盘18上保留预定量，以允许附连新的零件(例如BGA器件)。
在优选实施例中，向牺牲电路基板的焊盘和孔施加助焊剂，以辅助焊料吸附材料的吸附性。更优地，应用真空源40进一步辅助多余焊料的吸取。可用覆盖孔的真空壳42或者可通过其它适当的方式施加真空，以向每个孔提供真空。真空源42被施加至多余焊料液对面的通孔，以辅助将焊料吸取至孔内。使用的真空量可控制将多余焊料吸取至孔内后保留在电路基板上的残留焊料量。可以这样施加真空，使焊料部分地进入通孔，完全进入通孔，或者甚至超过通孔的顶端。
图5表示垂直去除牺牲电路基板14后的印刷电路基板12。可以利用或不利用施加真空(如同所示)完成垂直去除，但是焊料必须处于液态。焊盘38和孔32保持多余焊料15，其中在去除过程后保留预定量的残留焊料14。对于柔性电路基板，焊料掩膜非常容易受到损坏。因此，将牺牲电路基板14垂直提起，以防止损坏焊料掩膜，这方便了新器件和电路基板的适当组装，没有形成焊料桥的危险，并在电路基板12的焊盘18上保持适当量的残留焊料14。此外，垂直去除减少了污染电路基板的可能性。去除之后，可再加工牺牲电路基板以供进一步的使用。然而，卖掉牺牲电路板更为经济。
本发明还包括一种从电路基板垂直去除多余焊料的方法。参考图6，该方法包括向牺牲电路基板提供多个焊盘和可选的孔的第一步骤60。优选地，该电路基板是柔性电路板并且该牺牲电路基板是刚性电路板。然而，该牺牲电路基板也可为柔性的或者刚性的。每一焊盘和孔的一部分具有其上布置的焊料吸附材料。具体地，步骤60包括向连接至孔的焊盘提供镀有焊料吸附材料的通孔。
优选地，下一步骤62包括向牺牲电路基板或者向待再加工的部位施加助焊剂。
下一步骤64包括将牺牲电路基板的多个焊盘和孔与电路基板的多余焊料垂直接近的放置。
下一步骤66包括将多余焊料加热至液态。优选地，包括利用热空气或诸如氖气的其它热气体回流多余焊料。执行类似用于BGA去除的回流焊温度曲线，以使多余焊料变为液态，并且浸润牺牲电路基板的焊盘和孔。
下一步骤68包括将多余焊料垂直吸取至焊盘上，并且吸取至牺牲电路基板的可选孔内。优选地，此步骤包括向孔施加真空，以辅助将焊料吸取至孔的通孔内，但也可以不利用真空，而是通过孔中焊料的毛细作用完成此步骤。
下一步骤70包括当焊料处于液态时从电路基板的近处垂直提起牺牲电路基板。前面步骤68的真空可用于此目的。例如，当焊料处于液态时，利用真空作用提起牺牲电路基板。垂直地进行提起以防止损坏该电路基板的焊料掩膜。实际上，提供步骤60的焊盘、孔以及通孔的尺寸被配置为在吸取68和提起70步骤后在电路基板上保留希望的焊料残留量。
本发明的上述说明仅为示例性，并不是要限制本申请提出的任何专利的范围。本发明仅由所附权利要求的广泛范围限制。
权利要求
1.一种用于从电路基板垂直去除多余焊料的方法，该方法包括以下步骤向牺牲电路基板提供多个焊盘，每一焊盘的一部分具有布置在其上的焊料吸附材料；将所述牺牲电路基板的多个焊盘与所述电路基板的多余焊料垂直接近地放置；将所述多余焊料加热至液态；将所述多余焊料垂直吸取至所述牺牲电路基板的焊盘上；以及当所述焊料处于液态时，从所述电路基板的近处垂直提起所述牺牲电路基板。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述电路基板是柔性的，并且其中所述提供步骤包括提供刚性牺牲电路基板。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述加热步骤包括利用热气体来回流所述多余焊料。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述提供步骤包括提供连接至所述焊盘的焊料吸附孔，所述孔包括镀有焊料吸附材料的通孔。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述吸取步骤包括将所述焊料吸取至所述孔的通孔内。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述焊盘、孔以及通孔的尺寸被配置为在所述吸取和提起步骤后在电路基板上保留焊料残留量。
7.如权利要求4所述的方法，其中所述提起步骤包括向所述孔施加真空，以辅助将所述焊料吸取至所述孔内。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括向所述牺牲电路基板施加助焊剂的步骤。
9.一种用于从电路基板垂直去除多余焊料的系统，该系统包括用于将所述多余焊料加热至液态的热源；具有多个孔的牺牲电路基板，每个孔的一部分具有在其上布置的焊料吸附材料，所述孔被配置为与所述电路基板上多个多余焊料凸块对齐，所述牺牲电路基板的多个孔与所述电路基板的多余焊料垂直接近地放置，以将所述多余焊料垂直吸取至所述牺牲电路基板的孔内；以及施加至所述电路基板的助焊剂。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述牺牲电路基板的孔包括镀有焊料吸附材料的通孔和与其相连的焊料吸附材料的焊盘，并且所述系统进一步包括真空源，其中所述真空源被施加至多余焊料液对面的通孔，以辅助将所述焊料吸取至所述孔内，所述真空源和孔被配置为在将所述多余焊料吸取至所述孔内后，在电路基板上保留焊料残留量。
全文摘要
一种用于从电路基板垂直去除多余焊料的方法，该方法包括利用具有可吸附焊料的多个焊盘和孔的牺牲电路基板(60)。该牺牲电路基板的焊盘和孔与该电路基板的多余焊料垂直接近地放置(64)。多余焊料被加热至液态(66)，其中将多余焊料垂直吸取至焊盘上并吸取至该牺牲电路基板的孔内(68)。此后，当焊料处于液态时从电路基板的近处垂直提起该牺牲电路基板(70)，带走多余焊料，但是在电路基板上留下预定量的焊料。
文档编号H05K3/42GK1874868SQ200480031897
公开日2006年12月6日 申请日期2004年8月23日 优先权日2003年10月28日
发明者威廉·C·魏格勒, 罗伯特·巴布拉, 詹姆士·E·赫博尔德, 托马斯·P·高尔, 史蒂文·G·夏基 申请人:摩托罗拉公司