نقایص لحیم‌کاری BGA: تکنیک‌های بازرسی اشعه ایکس برد مدار چاپی و فرآیند اصلاح

مقدمه

پیشرفت مداوم فناوری، الکترونیک را به سمت دستگاه‌هایی هوشمندتر، سریع‌تر و فشرده‌تر سوق داده است. تقاضا برای این محصولات، توسعه فناوری‌های با تراکم بالا را تسهیل کرده که بتوانند به سرعت مونتاژ شوند و پیچیدگی فزاینده مدارهای مدرن را به‌صورت قابل اعتمادی پوشش دهند. دستگاه‌های آرایه توپی (BGA) به عنوان راه‌حلی کلیدی ظهور کرده‌اند، زیرا قادرند تراکم مداری را به حداکثر رسانده و عملکرد مونتاژ برد مدار چاپی (PCB) را بهبود بخشند.

ساخت الکترونیک مدرن به‌طور گسترده از قطعات BGA استفاده می‌کند. این فناوری هم در الکترونیک مصرفی از جمله تلفن‌های هوشمند و دستگاه‌های بازی و هم در بخش‌های پیشرفته‌ای مانند هوافضا و الکترونیک پزشکی به کار گرفته می‌شود. بنگاه‌های تولیدی باید تکنیک‌های لحیم‌کاری قطعات BGA را به‌خوبی تسلط داشته باشند، توانایی کار با سیستم‌های بازرسی پرتو ایکس را داشته باشند و در تکنیک‌های پیشرفته تعمیر و تنظیم مجدد قطعات BGA مهارت داشته باشند. این مهارت‌های تخصصی در مرحله توسعه نمونه اولیه اهمیت زیادی دارند و در فرآیندهای تولید انبوه نیز ضروری هستند. تسلط جامع بر این سیستم فنی اطمینان حاصل می‌کند که محصولات نهایی معیارهای عملکردی را برآورده می‌کنند.

چیست Ball Grid Array ( بGA ) لحیم‌کاری؟

آرایه شبکه‌ای گلوله‌ای: ساختار و نقش آن در مونتاژ مدار

آرایه توپی بال (BGA) یک فناوری بسته‌بندی مدار مجتمع است که در آن گلوله‌های لحیم به صورت الگوی شبکه‌ای در زیر دستگاه BGA قرار می‌گیرند. در طول فرآیند مونتاژ، این گلوله‌ها ذوب شده و اتصالات مکانیکی و الکتریکی بین بسته‌بندی و برد مدار چاپی (PCB) را ایجاد می‌کنند. برخلاف بسته‌های سنتی، اتصالات لحیم BGA پنهان هستند و دسترسی به آنها با معاینه بصری ساده امکان‌پذیر نیست؛ این امر تکیه‌بر فناوری‌های پیشرفته معاینه مانند معاینه با اشعه ایکس را افزایش می‌دهد.

نحوه لحیم‌کاری BGAها به برد مدار چاپی

• مرحله 1: طراحی پد ردۀ برد مدار چاپی به گونه‌ای که دقیقاً با گلوله‌های لحیم هم‌تراز شود.
• مرحله 2: استفاده از قالب برای اعمال خمیر لحیم روی برد مدار چاپی، به نحوی که مقدار مناسبی از لحیم به هر پد تحویل داده شود.
• مرحله 3: قرار دادن قطعه BGA به گونه‌ای که هر گلوله با پد مربوطه هم‌تراز شود.
• مرحله 4: مونتاژ برد مدار چاپی از داخل کوره رفت و آمد می‌کند و مدار گرم می‌شود تا گلوله‌های موجود در شبکه به اندازه کافی ذوب شده و اتصالات بین BGA و برد مدار چاپی را ایجاد کنند.
• مرحله 5: پس از خنک‌شدن، گلوله‌های لحیم BGA دوباره جامد شده و اتصالات قابل اعتمادی ایجاد می‌کنند.

ساختار اتصال لحیم‌کاری شبکه توپی (BGA)

توسعه و ویژگی‌های دستگاه‌های BGA

توسعه فناوری آرایه شبکه ای گلوله‌ای با نیاز به افزایش چگالی ورودی/خروجی و بهبود عملکرد در مونتاژهای الکترونیکی همراه بود. همان‌طور که مدارهای مجتمع در داخل بسته‌بندی، گرمای بیشتری تولید می‌کردند و به اتصالات قوی‌تری نیاز داشتند، BGA به یک پیشرفت کلیدی تبدیل شد.

ویژگی‌های کلیدی BGA:

• چیدمان در الگوی شبکه‌ای: گلوله‌های لحیم‌کاری که در ردیف‌ها و ستون‌هایی در پایین بسته‌بندی قرار گرفته‌اند، امکان افزایش چگالی پین را فراهم می‌کنند.
• عملکرد الکتریکی بهبود یافته: اتصالات کوتاه و مستقیم لحیم‌کاری مقاومت و القای الکتریکی را به حداقل می‌رسانند که برای مدارهای با سرعت بالا حیاتی است.
• مدیریت حرارت: سطح بزرگ پد و توزیع شبکه‌ای اجازه می‌دهد تا گرمای تولید شده توسط مدار مجتمع به‌طور موثرتری پراکنده شود.
• سازگاری با برد مدار چاپی با چگالی بالا: BGAها از گام کوچک گلوله‌ها پشتیبانی می‌کنند — که برای مونتاژ برد مدار چاپی با چگالی بالا مفید است.
• بهبود قابلیت اعتماد: هندسه و ساختار تنش را به‌صورت یکنواخت توزیع می‌کنند و خطر خستگی اتصالات لحیمی را کاهش می‌دهند.

دلایل برتری BGAs در طراحی مدارهای نوین

تحول به سمت استفاده از BGA و شراکت‌های PCB ناشی از نیاز به دستگاه‌هایی بود که می‌توانستند عملکرد با سرعت بالا، توان بیشتر و اتصالات بیشتری را بدون افزایش اندازه برد مدار فراهم کنند. این پیشرفت فناوری منجر شد تا تقریباً تمام پردازنده‌ها، FPGAها و حافظه‌های با سرعت بالا در نسل‌های جدید محصولات الکترونیکی به صورت تراشه‌های BGA بسته‌بندی شوند.

تکنیک‌های لحیم‌کاری BGA

مروری بر تکنیک‌های لحیم‌کاری BGA

لحیم‌کاری بسته‌بندی BGA نیازمند الزامات فنی بسیار بالاتری نسبت به بسته‌بندی‌های متداول با سیم‌کشی است. هدف این فرآیند، دستیابی به یکنواختی کامل در قرارگیری گلوله‌های لحیمی است. اهداف کلیدی شامل کنترل دقیق دمای گرمایش است. در نهایت، این روش مستلزم تشکیل اتصالات لحیمی تمیز و عاری از حفره (void) است.

تکنیک‌های لحیم‌کاری شامل:

• فرآیند ریفلو: روش استاندارد، با استفاده از کوره ریفلاو برای گرم کردن و ذوب جهانی یا محلی توپی‌های لحیم که بین بسته‌بندی و برد مدار چاپی (PCB) قرار دارند.
• لحیم‌کاری دستی: عمدتاً برای تعمیر مجدد BGA یا مونتاژ نمونه اولیه استفاده می‌شود — اغلب شامل گرم کردن محلی مؤلفه BGA با استفاده از ابزار هوای داغ است.
• با استفاده از ایستگاه تعمیر مجدد هوای داغ: برای تعمیر/تعمیر مجدد، یک منبع هوای داغ کنترل‌شده و/یا IR ناحیه اطراف مؤلفه معیوب BGA را گرم می‌کند تا آن را بردارد، جایگزین کند یا دوباره ذوب کند.
• ترازبندی و قرارگیری: سیستم‌های برداشت و قرارگذاری یا میکروسکوپ‌های دستی، توپی‌های لحیم را دقیقاً روی صفحات مربوطه PCB همتراز می‌کنند.

متغیرهای حیاتی لحیم‌کاری BGA

نکاتی برای لحیم‌کاری بی‌جی‌ای بی‌عیب و نقص

• همیشه قبل از قرارگیری، رسوبات خمیر لحیم را بررسی کنید — یک نقطه از دست رفته به معنای یک اتصال لحیم از دست رفته است.
• در حین گرم کردن، برد مدار را به دقت پشتیبانی کنید تا از خم شدن آن جلوگیری شود، زیرا این امر باعث تشکیل نامنظم اتصالات لحیم می‌شود.
• برای نمونه‌های اولیه و تعمیر بی‌جی‌آی، با استفاده از برد مدارهای دورریز شروع کنید تا گرم کردن محلی مؤلفه بی‌جی‌آی را قبل از انتقال به مونتاژهای ارزشمند به‌خوبی تسلط کنید.

تکنیک‌ها و فناوری بازرسی اتصالات لحیم

دلیل اهمیت بازرسی

از آنجا که اتصالات لحیم بی‌جی‌آی در زیر بسته‌بندی پنهان شده‌اند، شناسایی نقص تنها با استفاده از نشانه‌های بصری عملاً غیرممکن است. این امر بازرسی با اشعه ایکس، همراه با سایر تکنیک‌های بازرسی (بازرسی نوری، آزمون الکتریکی)، را به بخشی ضروری از فرآیند تبدیل می‌کند.

تکنیک‌های بازرسی برای بی‌جی‌آی

1. بازرسی بصری:

• برای قرارگیری، تراز و مشاهده توپ‌ها در لبه بسته‌بندی استفاده می‌شود.

2. بازرسی نوری (AOI):

• بازرسی نوری خودکار، اشتباه در قرارگیری، فاصله نامناسب و برخی نقص‌های اتصال کوتاه را در لبه بسته‌بندی تشخیص می‌دهد.

3. بازرسی با اشعه ایکس:

• هر دو روش بازرسی اشعه ایکس به صورت دستی و خودکار (AXI) به شما امکان بررسی اتصالات لحیم‌کاری را می‌دهند که زیر BGA پنهان شده‌اند. تصویربرداری با اشعه ایکس برای بررسی نقص‌های گلوله لحیم، اتصال کوتاه، حفره‌ها، مدارهای باز و پدیده هد-این-پیلو (head-in-pillow) استفاده می‌شود.

4. آزمون الکتریکی:

• آزمون‌های مدار-در-جا و پروب پروازی، پیوستگی تمام اتصالات بین BGA و برد مدار چاپی (PCB) را تأیید می‌کنند.

5. سایر روش‌های بازرسی:

• سیستم‌های بازرسی آکوستیک و مادون قرمز (IR) نیز برای تشخیص پیشرفته نقص‌ها (مانند جدایش لایه، حفره‌ها و تجمع حرارت) استفاده می‌شوند.

مقایسه سیستم‌های بازرسی

فناوری بازرسی پیشرفته

توسعه فناوری بازرسی منجر به ظهور AXI سه‌بعدی بلادرنگ، سیستم‌های پرتو ایکس با وضوح بالا و نرم‌افزارهایی شده است که می‌توانند به‌صورت خودکار هنگامی که دما در حین جریان مجدد پایین است یا احتمال وجود نقصی مانند کم‌بودن مهر و موم لحیم وجود دارد، هشدار دهند.

نکاتی برای بازرسی اتصالات لحیم‌کاری با کیفیت بالا

• به‌طور منظم سیستم‌های بازرسی اشعه ایکس خود را کالیبره کنید تا وضوح تصویر بهینه و تشخیص دقیق پل‌زدگی، حفره‌ها و مدارهای باز فراهم شود.
• در تولید انبوه از بازرسی خودکار با اشعه ایکس (AXI) استفاده کنید. این کار فرآیند مونتاژ را تسریع می‌کند و در عین حال جامعیت لازم را حفظ می‌کند.
• برای نمونه‌های اولیه، از ترکیب اشعه ایکس با بازرسی دستی نوری استفاده کنید، زیرا گاهی چشم انسان قادر است نقص‌های ظریفی را تشخیص دهد که سیستم‌های خودکار از قلم می‌اندازند.
• بازرسی با اشعه ایکس را با روش‌های آزمون الکتریکی ترکیب کنید تا اطمینان حاصل شود هر مدار که توسط یک دستگاه BGA کنترل می‌شود، نه تنها در حالت سکون بلکه تحت بار نیز به درستی عمل می‌کند.

معمول‌ترین نقص‌های BGA و راه‌های جلوگیری از آن‌ها

حتی با طراحی عالی برد مدار چاپی و BGA، انواع نقص‌ها ممکن است در حین یا پس از فرآیند لحیم‌کاری رخ دهند. درک علل و پیشگیری از آن‌ها کلید ایجاد مدارهای مقاوم است.

نقص‌های متداول لحیم‌کاری BGA

علائم رایج

• خطاهای متناوب در برد مدار (نتیجه اتصالات باز یا اتصالات سرد)
• مدارهای کوتاه پس از عملکرد اولیه (نتیجه پل‌زنی لحیم)
• عدم وجود سیگنال یا مقاومت بالا در پین‌های خروجی (ناشی از حفره‌ها/پدیده هد-این-پیلو)

چگونه مسائل رایج BGA را دور بزنیم

• الگوهای پد و گام توپ‌ها را به دقت طراحی کنید : اطمینان حاصل کنید که الگوی فوترپرینت دستگاه BGA دقیقاً با بسته‌بندی مطابقت داشته باشد.
• دمای لحیم‌کاری را کنترل کنید : از داغ شدن بیش از حد یا دمای ناکافی در فرآیند ریفلاو جلوگیری کنید.
• کیفیت چاپ خمیر لحیم را بررسی کنید : در صورت امکان از دستگاه‌های بازرسی خمیر لحیم استفاده کنید و در صورت عدم وجود خمیر روی هر پد یا اضافه بودن آن، بلافاصله اصلاح کنید.
• تراشه‌های حساس به رطوبت BGA را قبل از لحیم‌کاری بکنید : این کار از پدیده «پاپ‌کرن» و بزرگ شدن حفره‌ها هنگام ذوب شدن توپ‌ها در شبکه جلوگیری می‌کند.
• همیشه از یک کوره ریفلاو به‌درستی تنظیم‌شده استفاده کنید: دمای پیک و مدت زمان هر فرآیند مونتاژ را استاندارد کنید تا اتصالات سرد یا سوخته به حداقل برسد.

فرآیند تعمیر BGA: ابزار و تکنیک‌ها

هنگامی که مونتاژ یا بازرسی نشان‌دهنده یک اتصال لحیم‌کاری معیوب یا یک مؤلفه معیوب BGA باشد، فرآیند تعمیر BGA آغاز می‌شود. رویکردی منظم برای جلوگیری از آسیب بیشتر ضروری است.

ابزار و تکنیک‌های تعمیر BGA

ایستگاه تعمیر BGA:

ابزار اصلی، یک ایستگاه تعمیر اختصاصی برای BGA است.

این ایستگاه‌های تعمیر دارای کنترل‌های دقیق دما، سیستم‌های دید برای تراز دقیق و نازل‌های هوای داغ یا گرمایش‌دهنده‌های مادون قرمز برای گرم کردن محلی مؤلفه BGA هستند.

ابزار هوای داغ و گرم‌کن پیش‌حرارتی مادون قرمز:

استفاده از ابزار هوای داغ امکان خارج کردن قطعه معیوب را بدون آسیب به اتصالات لحیم‌کاری مجاور فراهم می‌کند.

پیش‌گرمکن مادون قرمز به آرامی برد مدار را گرم می‌کند تا از تاب برداشتن یا ضربه‌های حرارتی جلوگیری شود.

سیستم‌های دید و همترازی:

ایستگاه‌های مدرن مجهز به دوربین یا میکروسکوپ هستند تا گلوله‌های لحیم را با دقت روی پدها همتراز کنند.

ابزارهای ری‌بالینگ:

برای دستگاه‌های BGA که باید دوباره استفاده شوند، عمل «ری‌بالینگ» گلوله‌های لحیم فرسوده یا آلوده را با گلوله‌های جدید جایگزین می‌کند.

چاپگر خمیر لحیم یا استنشیل کوچک:

برای قرار دادن مقدار دقیق خمیر لحیم روی BGA جدید.

فرآیند تعمیر BGA (گام به گام)

آماده‌سازی

معاینه کنید و نقص و مدار مورد نظر برای تعمیر را تأیید کنید.

رطوبت را از برد مدار چاپی و BGA با پیش‌گرم کردن خارج کنید.

حذف

از ایستگاه تعمیر برای گرم کردن محلی مؤلفه BGA استفاده کنید.

پس از ذوب شدن گلوله‌های لحیم، BGA را با یک ابزار خلاء بلند کنید.

تمیزکاری محل و بازرسی پد

لحیم باقی‌مانده را از روی پدهای برد مدار چاپی پاک کنید؛ به منظور بلند شدن پد یا آسیب به برد مدار چاپی بازرسی کنید.

قرار دادن BGA جدید

برای BGA جدید، ماست لحیم را روی پدها قرار دهید و از راهنمای تراز برای موقعیت‌گذاری استفاده کنید.

ذوب مجدد لحیم

از ابزار هوای داغ یا کنترل‌های ایستگاه تعمیر برای ذوب مجدد گلوله‌های لحیم جدید و ایجاد اتصالات بین BGA و برد مدار چاپی استفاده کنید.

بازرسی نهایی

در صورت نیاز، بازرسی با اشعه ایکس، بازرسی بصری و آزمون الکتریکی را انجام دهید.

روش‌های بهترین عملکرد برای مونتاژ برد مدار چاپی، ذوب مجدد و کیفیت

• با اعتبارسنجی هر مرحله، از ایرادات جلوگیری کنید: از چاپ خمیر و قرارگیری قطعات تا جوشکاری مجدد و بازرسی.
• از بازرسی اتوماتیک با اشعه ایکس برای برد‌های مدار چاپی با تعداد زیادی BGA استفاده کنید : دستی گرفتن نقص‌ها در گلوله‌های لحیم پنهان در مقیاس بزرگ عملی نیست.
• دمای لحیم‌کاری را نظارت کنید : هر برد را با استفاده از ترموجفت تنظیم کنید، به‌ویژه برای برد‌های پیچیده و با چگالی بالا.
• BGAها را طبق توصیه‌های سازنده نگهداری کنید : از اکسید شدن گلوله‌های لحیم و جذب رطوبت جلوگیری کنید.

سوالات متداول

سوال: آیا می‌توان از لحیم‌کاری دستی برای قطعات BGA استفاده کرد؟

جواب: لحیم‌کاری دستی به‌طور کلی برای مونتاژ BGA مناسب نیست، به دلیل ماهیت پنهان و فاصله کم اتصالات لحیم. با این حال، نقش مهمی در تعمیر و بازسازی با استفاده از نازل‌های هوای داغ خاص و بازرسی دقیق بصری ایفا می‌کند.

سوال: آیا همیشه بررسی BGA نیاز به اشعه ایکس دارد؟

پاسخ: بله، در تولید — زیرا اتصالات لحیم تحت بسته‌بندی قرار دارند و نمی‌توان آنها را به طور کامل با تکنیک‌های دیدی یا نوری ارزیابی کرد.

سوال: نشانه‌های شکست فرآیند لحیم‌کاری BGA چیست؟

پاسخ: سیگنال‌های متناوب، عدم خروجی یا خرابی دستگاه؛ که با بازرسی اشعه ایکس یا تست‌های الکتریکی ناموفق تأیید می‌شود.

سوال: چگونه می‌توان از عیوب رایج BGA در حین ریفلاکس جلوگیری کرد؟

پاسخ: تنظیم صحیح پروفایل کوره، طراحی دقیق استنسیل و استفاده از تکنیک‌های بازرسی منظم، هم عیوب آشکار و هم عیوب ظریف را به حداقل می‌رساند.

نتیجه‌گیری

توسعه بسته‌بندی آرایه شبکه‌ای توپی (BGA) نقش کلیدی در پاسخگویی به تقاضای فزاینده برای دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر، قدرتمندتر و قابل اعتمادتر داشته است. با این حال، اتصالات لحیمی دستگاه‌های BGA که به صورت الگوی شبکه‌ای چیده شده و در پایین بسته مخفی هستند، نیازمند تکنیک‌های پیچیده مونتاژ، تعمیر و بازرسی می‌باشند. از استفاده از کوره‌های ریفلاکس و ایستگاه‌های تعمیراتی BGA با آخرین فناوری تا ضرورت بهره‌گیری از بازرسی پیشرفته با اشعه ایکس، تمام این فرآیند مستلزم توجه به هر جزئیات است.

جلوگیری از عیوب متداول BGA مستلزم کنترل‌های قوی فرآیند و تعهد به استفاده از ابزارها و روش‌های بازرسی مناسب است. تلفیق طراحی مناسب، تکنیک تخصصی لحیم‌کاری، بازرسی دقیق و تعمیر مراقبانه تضمین می‌کند که هر برد مدار با چگالی بالا و هر مدار مجتمع درون بسته، به وعده خود از نظر دوام و عملکرد عمل می‌کند.

در دنیای همواره در حال تکامل مونتاژ برد مدار چاپی پیش‌دستی کنید—لوله‌کشی BGA را به‌خوبی یاد بگیرید، فناوری بازرسی را به‌روز نگه دارید و در مهارت‌های تیم خود سرمایه‌گذاری کنید.