Defekty pájení BGA: Techniky rentgenové kontroly desek plošných spojů a opravy

Úvod

Stálý technologický pokrok posunul elektroniku směrem k chytřejším, rychlejším a kompaktnějším zařízením. Poptávka po těchto produktech podnítila vývoj technologií vysoké hustoty, které lze rychle sestavit a spolehlivě propojit s rostoucí složitostí moderních obvodů. Součástky typu ball grid array (BGA) se staly klíčovým řešením díky své schopnosti maximalizovat hustotu obvodu a zlepšit výkon při montáži desek plošných spojů.

Moderní elektronická výroba široce využívá součástky BGA. Tato technologie se používá jak v spotřební elektronice, včetně chytrých telefonů a herních zařízení, tak ve vysoce specializovaných odvětvích, jako je letecký průmysl a lékařská elektronika. Výrobní podniky musí ovládat pájecí techniky pro součástky BGA, disponovat provozními schopnostmi pro systémy rentgenové inspekce a být zkušené v pokročilých technikách oprav součástek BGA. Tyto odborné technické dovednosti mají velkou hodnotu během fáze vývoje prototypů a jsou stejně důležité i v procesech sériové výroby. Komplexní zvládnutí tohoto technického systému zajišťuje, že konečné produkty splňují požadované výkonové normy.

Co je pájení typu Ball Grid Array ( BGA )?

Ball Grid Array: Struktura a přínos pro montáž obvodů

Ball grid array (BGA) je technologie pouzdrování integrovaných obvodů, při které jsou pájivé kuličky uspořádány do mřížkového vzoru pod zařízením BGA. Během montáže se tyto kuličky roztaví a vytvoří mechanické a elektrické spoje mezi pouzdrem a deskou plošných spojů (PCB). Na rozdíl od tradičních pouzder jsou pájené spoje BGA skryté – což je činí nepřístupnými pro jednoduchou vizuální kontrolu a zvyšuje tak závislost na pokročilých technologiích kontroly, jako je rentgenová inspekce.

Jak se BGA součástky pájejí na desku plošných spojů

• Krok 1: Navrhněte plošku na desce plošných spojů tak, aby přesně odpovídala poloze pájecích kuliček.
• Krok 2: Naneste pájivou pastu na desku plošných spojů pomocí stencily, která dodá přesné množství pasty na každou plošku.
• Krok 3: Umístěte součástku BGA tak, aby každá kulička odpovídala své plošce.
• Krok 4: Sestava desky plošných spojů projde reflow pecí, při které se obvod zahřeje natolik, že kuličky v mřížce roztají a vytvoří spoje mezi BGA a deskou plošných spojů.
• Krok 5: Po ochlazení se pájivé kuličky BGA znovu ztuhly a vytvoří spolehlivé spoje.

Struktura pájeného spoje Ball Grid Array

Vývoj a vlastnosti zařízení BGA

Vývoj technologie sítě s kulovými mřížkami byl poháněn potřebou zvýšit hustotu vstupů a výstupů a zlepšit výkon elektronických sestavení. Vzhledem k tomu, že integrovaný obvod uvnitř balení vytvářel více tepla a vyžadoval robustnější spojení, stal se BGA klíčovým pokrokem.

Klíčové vlastnosti BGA:

• Uspořádané v mřížce: V případě, že je to možné, je třeba použít pouze jednu z těchto metod:
• Zlepšené elektrické vlastnosti: Krátké, přímé svařovací spojení minimalizují odpor a indukci, což je pro vysokorychlostní obvody kritické.
• Tepelné řízení: Velká plocha plochy a rozložení sítě umožňují efektivnější rozptýlení tepla generovaného integrovaným obvodem.
• Kompatibilita s PCB s vysokou hustotou: BGA podporují jemný míčový rozsah, což je výhodné pro montáž PCB s vysokou hustotou.
• Zlepšená spolehlivost: Geometrie a struktura rovnoměrně rozloží napětí, což snižuje riziko únavy páječného kloubu.

Proč BGA dominují moderním návrhem obvodových desek

Posun směrem k partnerství BGA a PCB pocházel z potřeby zařízení, která by zvládla vysokorychlostní výkon, větší výkon a více připojení bez zvětšení obvodové desky. Tento technologický skok vedl k tomu, že téměř všechny procesory, FPGA a vysokorychlostní paměť byly v nejnovějších generacích elektronických produktů baleny jako BGA IC.

Techniky pájení BGA

Přehled technik pájení BGA

Svážení balení BGA vyžaduje výrazně vyšší technické požadavky než konvenční balení s olovem. Cílem procesu je úplná konzistentnost v umístění páječných koulí. Mezi hlavní cíle patří dosažení přesné regulace teploty vytápění. Tento postup nakonec vyžaduje vytvoření čistých a bezprázdných páječných spojek.

Techniky pájení zahrnují:

• Proces zpětného proudění: Standardní metoda, při níž se pomocí zpětné proudící trouby globálně nebo lokálně ohřívají a taví pájecí koule umístěné mezi obal a PCB.
• Ruční pájení: Používá se primárně pro opravy BGA nebo montáž prototypů – často zahrnuje místní ohřev součástky BGA pomocí horkovzdušného nástroje.
• Použití horkovzdušné reworkovací stanice: Při reworku/opravě je oblast kolem vadné součástky BGA ohřívána regulovaným proudem horkého vzduchu a/nebo zdrojem infračerveného záření, aby byla možná její odstranění, výměna nebo přetavení.
• Zarovnání a umístění: Systémy pick-and-place nebo ruční mikroskopy přesně zarovnávají pájedlové kuličky na odpovídající plošky na desce plošných spojů.

Kritické proměnné pájení BGA

Tipy pro dokonalé pájení BGA

• Vždy zkontrolujte nánosy pájky před umístěním – chybějící bod znamená chybějící pájený spoj.
• Během ohřevu pečlivě podepřete desku plošných spojů, aby nedošlo k prohnutí, které způsobuje nerovnoměrné vytváření pájených spojů.
• U prototypů a oprav BGA začněte s nepoužitelnými deskami plošných spojů, abyste si perfektně osvojili místní ohřívání součástky BGA, než přejdete k cenným sestavám.

Techniky pro kontrolu pájených spojů a technologie kontroly

Proč je kontrola důležitá

Protože pájené spoje BGA jsou skryty pod pouzdrem, identifikace vad pomocí pouhých vizuálních znaků je prakticky nemožná. To činí rentgenovou kontrolu spolu s dalšími metodami kontroly (optická kontrola, elektrický test) nedílnou součástí procesu.

Kontrolní metody pro BGA

1. Vizuální inspekce:

• Používá se pro umístění, zarovnání a pro prohlížení kuliček na obvodu pouzdra.

2. Optická kontrola (AOI):

• Automatizovaná optická inspekce detekuje nesprávné umístění, nedostatečnou výšku spoje a některé defekty můstkování na okraji pouzdra.

3. Rentgenová inspekce:

• Jak ruční, tak automatizovaná rentgenová inspekce (AXI) umožňují prohlížet pájené spoje skryté pod BGA. Rentgenové zobrazení se používá k detekci vad pájecích koulí, můstkování, dutin, přerušení a jevů typu hlava-na-polštáři.

4. Elektrická zkouška:

• Zkoušky v obvodu a létajícím hrotem potvrzují kontinuitu všech spojů mezi BGA a deskou plošných spojů.

5. Další metody inspekce:

• Akustické a IR inspekční systémy jsou rovněž používány pro pokročilou detekci vad (odloupání, dutiny a hromadění tepla).

Porovnání inspekčních systémů

Pokročilá technologie inspekce

Vývoj inspekční technologie přinesl 3D AXI v reálném čase, rentgenové systémy s vysokým rozlišením a software, který může automaticky signalizovat, když je teplota při zpětném toku příliš nízká nebo je pravděpodobná chyba, jako je nedostatečná pájka.

Tipy pro společnou kontrolu vysoce kvalitních pájků

• Pravidelně kalibrujte rentgenové systémy pro optimální jasnost obrazu a přesné detekci mostů, dutin a otvorů.
• Použití automatizované rentgenové kontroly (AXI) při sériové výrobě. To urychluje proces montáže a zároveň zachovává důkladnost.
• Pro prototypy kombinujte rentgen s ruční optickou inspekcí, protože lidské oko může někdy detekovat jemné chyby, které automatické systémy přehlížejí.
• Využijte rentgenovou kontrolu a elektrické zkušební metody, abyste zajistili, že každý obvod ovládaný BGA zařízením funguje pod zatížením, ne pouze v klidu.

Časté chyby BGA a jak se jim vyhnout

I s vynikajícím návrhem PCB a BGA mohou během nebo po pájení nastat různé vady. Pochopení příčin a prevence je klíčem k robustním obvodům.

Typické vady páječky BGA

Běžné příznaky

• Občasné chyby na tištěném spoji (výsledek přerušených nebo studených spojů)
• Kratší spoje po počátečním provozu (výsledek můstkování pájky)
• Žádný signál nebo vysoký odpor na výstupních pinech (způsobeno dutinami / jevem hlava-v-perskýši)

Jak se vyhnout běžným problémům s BGA

• Pečlivě navrhněte vzory plošek a rozteč koulí : Ujistěte se, že vzor plošek pro zařízení BGA přesně odpovídá pouzdru.
• Kontrola teploty pájení : Vyhněte se přehřátí nebo nedostatečné teplotě pájení během procesu refluxního pájení.
• Zkontrolujte kvalitu nanášení pasty : Pokud je to možné, používejte stroje pro kontrolu pájecí pasty a okamžitě opravujte, pokud některé plošky chybí nebo jsou nadměrně pokryty pájkou.
• Před pájením vypalte citlivé BGA integrované obvody na vlhkost : To zamezuje jevu „popcorning“ a rozšiřování dutin, když se kuličky v mřížce roztaví.
• Vždy používejte správně navrženou refluxní pec: Standardizujte špičkovou teplotu a dobu trvání pro každý proces montáže, abyste minimalizovali studené nebo přepálené spoje.

Proces opravy BGA: Nástroje a techniky

Když montáž nebo kontrola odhalí vadný pájený spoj nebo chybnou BGA součástku, přichází do hry proces opravy BGA. Je zásadní postupovat systematicky, aby nedošlo k dalšímu poškození.

Nástroje a techniky pro opravu BGA

Stanice pro opravu BGA:

Základním nástrojem je stanice určená pro práci s BGA.

Tyto stacionáře jsou vybaveny přesnou teplotní regulací, optickými systémy pro zarovnání a speciálními tryskami pro horký vzduch nebo infračervenými ohřívači pro lokální ohřev BGA součástky.

Nástroj s horkým vzduchem a IR předehřívač:

Použití nástroje s horkým vzduchem umožňuje bezpečné odstranění vadné součástky, aniž by byly ovlivněny sousední pájené spoje.

IR předehřívač jemně zahřívá desku plošných spojů, aby se předešlo deformaci nebo tepelným šokům.

Optické systémy a zarovnání:

Moderní stanice obsahují kamery nebo mikroskopy pro přesné zarovnání pájecích kuliček na příslušné plošky.

Nástroje pro přepracování kontaktů:

U zařízení BGA, která mají být znovu použita, proces „přepracování kontaktů“ nahrazuje staré, znečištěné pájky novými.

Tiskárna pájecí pasty nebo mini šablona:

Pro nanášení přesného množství pájecí pasty na nový BGA.

Proces opravy BGA (krok za krokem)

Příprava

Zkontrolujte a potvrďte vadný obvod, který má být opraven.

Odstraňte vlhkost z desky plošných spojů a BGA předběžným vypalováním.

Odstranění

Použijte reworkovou stanici k lokálnímu ohřevu BGA součástky.

Jakmile se pájky roztaví, pomocí vakuového nástroje BGA odstraňte.

Čištění místa a kontrola pájecích plôšek

Čistit zbytkové pájení z PCB podložek; zkontrolovat, zda se podložky nepodařily zvednout nebo zda došlo k poškození PCB.

Nové umístění BGA

Pro nové BGA, naneste páku na podložky, použijte vedení pro umístění.

Zpětné přepínání pájení

Použijte nástroj s horkým vzduchem nebo ovládací prvky stanice pro opětovné přeplavení nových páječných kuliček a vytvořte spojení mezi BGA a PCB.

Finální inspekce

Provádějte rentgenovou kontrolu, vizuální kontrolu a elektrickou zkoušku podle potřeby.

Nejlepší postupy pro montáž PCB, zpětný tok a kvalitu

• Předcházet vadám ověřováním každého kroku: Od tisku s těsnou vložkou a výběru a umístění až po opětovný proud a kontrolu.
• Použití automatizované rentgenové kontroly PCB s vysokým počtem BGA : Ruční výběr chyb v skrytých páječných kuličkách není možné v rozsahu.
• Monitor teploty pájení profilování každé desky pomocí termo párů, zejména pro složité desky s vysokou hustotou.
• Uchovávejte BGA podle doporučení výrobce : Zabraňuje oxidaci páječných kuliček a absorpci vlhkosti.

Nejčastější dotazy

Otázka: Je možné použít ruční pájení pro zařízení BGA?

A: Ruční pájení není obecně vhodné pro montáž BGA kvůli skrytému a jemně propojitelnému charakteru páječných spojek. Hraje však zásadní roli při přepracování pomocí speciálních trysek horkého vzduchu a přesné vizuální kontroly.

Otázka: Je rentgen vždy nutný pro kontrolu BGA?

Odpověď: Ano, pro výrobu, protože pájecí spoje jsou skryty pod obalem a nelze je plně posoudit pomocí vizuálních nebo optických technik.

Otázka: Jaké jsou známky selhání procesu pájení BGA?

A: Přerušované signály, žádný výstup nebo porucha zařízení; potvrzeno rentgenovou kontrolou nebo neúspěšnými elektrickými testy.

Q: Jak se vyhnete běžným vadám BGA během tavení?

A: Správné nastavení profilu pecí, pečlivý návrh stencile a pravidelné kontrolní techniky minimalizují jak zjevné, tak i subtilní vady.

Závěr

Vývoj pouzder s mřížkovým uspořádáním vývodů (BGA) byl klíčový pro splnění neustále rostoucí poptávky po menších, výkonnějších a spolehlivějších elektronických zařízeních. Soudrby spojů BGA — uspořádané do mřížky a skryté na spodní straně pouzdra — však vyžadují sofistikované metody montáže, oprav a inspekce. Celý proces, od použití reflow pecí a moderních stanic pro opravy BGA až po nutnost pokročilé rentgenové inspekce, vyžaduje maximální pozornost na každém detailu.

Vyhnout se běžným vadám BGA vyžaduje pevnou kontrolu procesů a závazek používat správné nástroje a metody inspekce. Kombinace kvalitního návrhu, odborné pájecí techniky, přesné kontroly a pečlivé opravy zajišťuje, že každá deska plošných spojů s vysokou hustotou – i každý integrovaný obvod uvnitř pouzdra – splní svůj slib trvanlivosti a výkonu.

Zůstaňte v čele ve stále se měnícím světě montáže desek plošných spojů – ovládněte pájení BGA, udržujte aktuální inspekční technologie a investujte do dovedností svého týmu.