BGA-juotosvirheet: PCB:n röntgentarkastustekniikat ja korjaustyöt

Johdanto

Teknologian jatkuva kehitys on siirtänyt elektroniikan kohti älykkäämpiä, nopeampia ja pienempikokoisempia laitteita. Näiden tuotteiden kysyntä on edistänyt tiheään pakattujen teknologioiden kehitystä, joita voidaan koota nopeasti ja jotka luotettavasti yhdistävät nykyaikaisten piirisovitteiden kasvavan monimutkaisuuden. Pallohilajijärjestelmän (BGA) komponentit ovat nousseet keskeiseksi ratkaisuksi, koska ne pystyvät maksimoimaan piirin tiheyden ja parantamaan suorituskykyä PCB-koossa.

Moderni elektroninen valmistus on laajalti omaksunut BGA-komponentit. Tätä teknologiaa käytetään sekä kuluttajaelektroniikassa, kuten älypuhelimissa ja pelilaitteissa, että huippuluokan aloilla, kuten avaruusteknologiassa ja lääketieteellisessä elektroniikassa. Valmistuyritysten on hallittava BGA-komponenttien juottamistekniikat, niiden X-ray-tarkastusjärjestelmien käyttö sekä edistyneet BGA-komponenttien korjausmenetelmät. Nämä ammattitaidot ovat erittäin arvokkaita prototyyppien kehitysvaiheessa ja yhtä olennaisia massatuotantoprosesseissa. Tämän teknisen järjestelmän kattava hallinta takaa, että lopputuotteet täyttävät suorituskykystandardit.

Mikä on Ball Grid Array ( BGA ) -juottaminen?

Ball Grid Array: Rakenne ja merkitys piirisovituksessa

Palapiirilevyn (BGA) on integroitu piirisarjatekniikka, jossa juotospalat on järjestetty ruudukkoon BGA-laitteen alapuolelle. Kokoonpanoprosessin aikana nämä pallot sulavat ja muodostavat mekaaniset ja sähköiset liitokset paketin ja piirilevyn välille. Perinteisiin paketteihin verrattuna BGA-juotosliitokset ovat piilossa – mikä tekee niistä vaikeasti tarkastettavia pelkällä silmämääräisellä tarkastuksella, ja lisää näin tarvetta edistyneelle tarkastusteknologialle, kuten röntgenkuvaukselle.

Kuinka BGA:t juotetaan piirilevylle

• Vaihe 1: Suunnittele piirilevyn jalkaliitos siten, että se kohdistuu tarkasti juotospaloihin.
• Vaihe 2: Käytä stensiliä piirilevylle juotelian levittämiseen, jolloin oikea määrä juotetta saadaan jokaiseen liitokseen.
• Vaihe 3: Aseta BGA-komponentti siten, että jokainen pallo kohdistuu omaan liitokseensa.
• Vaihe 4: Piirilevykokoonpano siirretään uudelleenlämpökarkaisuun, jossa piiri lämmitetään niin, että ruudukon pallot sulavat riittävästi ja muodostavat yhteydet BGA:n ja piirilevyn välille.
• Vaihe 5: Jäähdyttämisen jälkeen BGA-juotospalat ovat jähmettyneet uudelleen, luoden luotettavat liitokset.

Pallohilan liitinrakenteen juotetta

BGA-laitteiden kehitys ja ominaisuudet

Palloverkkokytkennän teknologian kehitystä edisti tarve lisätä I/O-tiheyttä ja parantaa suorituskykyä elektronisissa kokoonpanoissa. Kun piirin sisällä generoitiin enemmän lämpöä ja vaadittiin vahvempia yhteyksiä, BGA:sta tuli keskeinen edistysaskel.

BGA:n avainominaisuudet:

• Ritilämäisessä asettelussa: Kytkentäpallon muotoiset liitoskuplat, jotka on järjestetty rivien ja sarakkeiden mukaan paketin pohjalle, mahdollistavat suuremman napatiheyden.
• Parannettu sähköinen suorituskyky: Lyhyet, suorat juotosliitokset minimoivat resistanssin ja induktanssin, mikä on kriittistä nopeille piireille.
• Lämpötilan hallinta: Suuri liitosalue ja ritiläjako mahdollistavat tehokkaamman lämmön hajaantumisen integroidusta piiristä.
• Suuren tiheyden PCB-yhteensopivuus: BGA:t tukevat tiheää palloasentoa – hyödyllistä suuren tiheyden PCB-kokoonpanossa.
• Parannettu luotettavuus: Geometria ja rakenne jakavat kuorman tasaisesti, mikä vähentää juotoksen väsymisen riskiä.

Miksi BGA:t hallitsevat modernia piirilevyjen suunnittelua

Siirtyminen BGA- ja PCB-kumppanuuksiin johtui laitteiden tarpeesta käsitellä korkeaa nopeutta, suurempaa tehoa ja enemmän yhteyksiä laajentamatta piirilevyn kokoa. Tämä teknologinen hyppy johti siihen, että lähes kaikki prosessorit, FPGA:t ja korkean nopeuden muistit paketoidaan BGA-IC:inä uusimmissa sähköisissä tuotteissa.

BGA:n juottamistekniikat

Yleiskatsaus BGA:n juottamistekniikoihin

BGA-paketin juottaminen edellyttää huomattavasti korkeampia teknisiä vaatimuksia verrattuna perinteisiin johdellisiin paketteihin. Prosessin tavoitteena on täydellinen johdotuksen sijoittelun yhdenmukaisuus. Keskeisiä tavoitteita ovat tarkan lämmityksen lämpötilan ohjaus. Menettelyn lopputuloksena vaaditaan puhtaiden ja ilmavapaan liitosten muodostuminen.

Juottamistekniikoihin kuuluu:

• Uudelleenlämmitysprosessi: Vakioitu menetelmä, jossa käytetään uudelleenlämmitysuunia sulattamaan juotospalloja, jotka sijaitsevat paketin ja piirilevyn välissä, joko paikallisesti tai koko levyltä.
• Manuaalinen juottaminen: Käytetään pääasiassa BGA-komponenttien uudelleenprosessoinnissa tai prototyyppikokoonpanossa – tyypillisesti sisältää paikallisen lämmittämisen BGA-komponentin kohdalla käyttäen kuuman ilman työkalua.
• Kuuman ilman uudelleenprosessointilaitteen käyttö: Uudelleenprosessoinnin/korjauksen yhteydessä ohjattu kuuma ilma ja/tai IR-lähde lämmittää viallisen BGA-komponentin ympärillä olevaa aluetta sen poistamiseksi, vaihtamiseksi tai uudelleenliuottamiseksi.
• Kohdistus ja asennus: Pick-and-place -järjestelmät tai manuaaliset mikroskoopit kohdistavat juotospalat tarkasti vastaavien PCB:n metalliyhteyksien päälle.

Kriittiset BGA-juotamismuuttujat

Vinkkejä täydelliseen BGA-kiinnitykseen

• Tarkista aina juotetta ennen komponentin asettamista – puuttuva kohta tarkoittaa puuttuvaa juoteliitosta.
• Tuki piirilevyä huolellisesti lämmittämisen aikana välttääksesi taipumista, joka aiheuttaa epätasaisia juotelöyhiä.
• Prototyyppien ja BGA-korjausten kohdalla harjoittele ensin roskaksi tarkoitetuilla piirilevyillä paikallista lämmitystä BGA-komponentissa ennen kuin siirryt arvokkaampiin kokoonpanoihin.

Juotelöyhien tarkastustekniikat ja tarkastusteknologia

Miksi tarkastus on kriittistä

Koska BGA-juotelöyhet piiloutuvat paketin alle, virheiden tunnistaminen pelkästään visuaalisin keinoin on käytännössä mahdotonta. Tämän vuoksi röntgentarkastus yhdessä muiden tarkastusmenetelmien (optinen tarkastus, sähkötestaus) kanssa on olennainen osa prosessia.

BGA:hen soveltuvat tarkastustekniikat

1. Näköinen tarkastus:

• Käytetään asennusta, kohdistusta ja paketin reunoilla olevien pallojen tarkastusta varten.

2. Optinen tarkastus (AOI):

• Automaattinen optinen tarkastus havaitsee asennusvirheet, virheelliset etäisyydet ja osittaiset oikosulut paketin reunalla.

3. Röntgen­tarkastus:

• Sekä manuaalinen että automaattinen röntgentarkastus (AXI) mahdollistavat BGA:n alla piilossa olevien juotesolujen tarkastuksen. Röntgenkuvantamista käytetään juotepallomäärien, oikosulkujen, onteloiden, katkojen ja pään tyynyllä -virheiden tarkastukseen.

4. Sähköinen testaus:

• Piirilevyn sisäiset testit ja lentävä koepää varmistavat kaikkien yhteyksien jatkuvuuden BGA:n ja piirilevyn välillä.

5. Muut tarkastusmenetelmät:

• Akustisia ja IR-tarkastusjärjestelmiä käytetään myös edistyneempään vian havaitsemiseen (esim. kerrosten irtoaminen, ontelot ja lämmön kertyminen).

Tarkastusjärjestelmien vertailu

Edistynyt tarkastusteknologia

Tarkastusteknologian kehittyminen on tuonut mukanaan reaaliaikaisen 3D-AXI:n, korkearesoluutioiset röntgenjärjestelmät ja ohjelmiston, joka voi automaattisesti varoittaa, jos lämpötila on liian alhainen kuumennusprosessin aikana tai jos on todennäköistä, että virhe kuten riittämätön juotos esiintyy.

Vinkkejä korkealaatuisten juotoksien tarkastukseen

• Kalibroi röntgentarkastusjärjestelmäsi säännöllisesti saavuttaaksesi parhaan kuvanlaadun ja tarkan havaitsemisen yhtymissitkeyksille, tyhjille tiloille ja avoimille kytkennöille.
• Käytä automatisoitua röntgentarkastusta (AXI) massatuotannossa. Tämä nopeuttaa kokoonpanoprosessia samalla kun varmistetaan perusteellisuus.
• Prototyypeissä yhdistä röntgentarkastus manuaaliseen optiseen tarkastukseen, sillä ihmissilmä voi joskus havaita hienoja vikoja, joita automatisoidut järjestelmät eivät huomaa.
• Yhdistä röntgentarkastus sähköisiin testausmenetelmiin varmistaaksesi, että jokainen BGA-laitteen ohjaama piiri toimii kuormitettuna, ei vain lepotilassa.

Yleisiä BGA-vikoja ja miten niiltä vältytään

Vaikka piirilevyn ja BGA-suunnittelu olisi erinomaista, juotettaessa voi esiintyä erilaisia vikoja. Vikojen syiden ymmärtäminen ja ennaltaehkäisy ovat avainasemassa luotettavien piirien saavuttamisessa.

Tyypilliset BGA-juotoviat

Yleiset oireet

• Häiriöt piirilevyssä (auki- tai kylmäliitosten seurauksena)
• Oikosulut alustavan käytön jälkeen (juotossiltausten seurauksena)
• Ei signaalia tai korkea resistanssi ulostulopineissä (onttouksien/head-in-pillow -ilmiön vuoksi)

Miten välttää yleisiä BGA-ongelmia

• Suunnittele pad-kuvio ja pallin väli huolellisesti : Varmista, että BGA-laitteen jalanjälkikuvio täsmää tarkalleen paketin kanssa.
• Säädä juotteen lämpötilaa : Vältä liiallista kuumennusta tai riittämätöntä juotteen sulamislämpötilaa reflow-prosessin aikana.
• Tarkista pastan painatustason laatu : Käytä mahdollisuuksien mukaan juotepastan tarkastuskoneita ja korjaa välittömästi, jos jotkin padoista puuttuvat tai ovat liiallisesti juotettuja.
• Uuni kuivata kosteudenherkät BGA-IC:t ennen juottamista : Tämä estää „popcorning“-ilmiön sekä onteloiden kasvamisen, kun hilassa olevat pallot sulavat.
• Käytä aina asianmukaisesti profiloitua reflow-uunia: Standardoi huippulämpötila ja kesto jokaiselle kokoonpanoprosessille vähentääksesi kylmiä tai palaneita liitoksia.

BGA-korjausprosessi: Työkalut ja tekniikat

Kun asennus- tai tarkastusvaiheessa paljastuu virheellinen juoteliosa tai viallinen BGA-komponentti, käynnistyy BGA-korjausprosessi. Järjestelmällinen lähestymistapa on ratkaisevan tärkeä, jotta vältetään lisävahingot.

Työkalut ja menetelmät BGA-korjaukseen

BGA-korjausasema:

Ydinväline on BGA-komponentteihin suunniteltu korjausasema.

Nämä korjausasemat sisältävät tarkat lämpötilanohjaimet, kuvajärjestelmät tarkkuustasaukseen sekä erikoistuneet kuumailmapiikit tai infrapunalämmittimet BGA-komponentin paikalliseen lämmittämiseen.

Kuumailmaväline ja IR-esilämmittimessä:

Kuumailmavälineen käyttö mahdollistaa viallisen osan turvallisen poiston ilman, että viereiset juoteliot kohdistuvat.

IR-esilämmittimessä lämmittää piirilevyn kevyesti estääkseen vääntymisen tai lämpöshokkien aiheutumisen.

Kuvajärjestelmät ja tasaus:

Modernit asemat sisältävät kameroita tai mikroskooppeja, joilla voidaan tarkasti tasata juotesulat liitäntäpisteisiin.

Reballing-työkalut:

BGA-laitteille, joita on tarkoitus käyttää uudelleen, reballing korvaa vanhat, saastuneet juotospalat uusilla.

Juotospastan tulostin tai mini viivakaavio:

Uuden BGA:n oikean määrän juotospastan asettamiseen.

BGA-korjausprosessi (vaihe vaiheelta)

Valmistelu

Tarkista ja vahvista korjattava vika ja piiri.

Poista kosteus PCB:stä ja BGA:sta esilämmittämällä.

Poisto

Käytä korjausasemaa lämmittääksesi BGA-komponenttia paikallisesti.

Kun juotospalat ovat sulaneet, nosta BGA tyhjiötyökalulla.

Paikan puhdistus ja pinnan tarkastus

Puhdista jäännössolderi PCB-padoilta; tarkista padin nosto tai PCB-vauriot.

Uusi BGA-asennus

Uudelle BGA:lle, käytä solderihyötylettä padoille, käytä asennusopasteita sijoittamiseen.

Solderin uudelleensulatus

Käytä kuumailmavälinettä tai uudelleenkäsittelyaseman ohjausta sulattamaan uudet solderipallot ja muodostamaan yhteydet BGA:n ja PCB:n välille.

Lopullinen tarkastus

Suorita röntgentarkastus, visuaalinen tarkastus ja sähkötestaus tarvittaessa.

Parhaat käytännöt PCB-asennuksessa, uudelleensulatuksessa ja laadussa

• Estä vikoja varmentamalla jokainen vaihe: Hyöttelevosta tulostuksesta ja komponenttien asennuksesta uudelleensulatukseen ja tarkastukseen asti.
• Käytä automatisoitua röntgentarkastusta suurella BGA-määrällä varustetuissa piireissä : Piilossa olevien juotosulkkujen käsinkäsin valitseminen ei ole skaalautuvaa.
• Valvonta juotoksen lämpötilaa : Mittaa jokaisen levyn lämpötilaprofiili termopareilla, erityisesti monimutkaisille ja tiheästi rakennetuille piirilevyille.
• Säilytä BGA-komponentteja valmistajan suositusten mukaisesti : Estä juotosulkkujen hapettuminen ja kosteuden imeytyminen.

Usein kysytyt kysymykset

K: Voidaanko BGA-komponentteja juottaa käsin?

V: Käsijuoitus ei yleensä sovellu BGA-asennukseen piilossa ja tiheässä rivityksessä olevien juotosulkkujen vuoksi. Se on kuitenkin keskeisessä asemassa korjaustyössä, jossa käytetään erityisiä kuumailmapiippuja ja tarkkaa visuaalista tarkastusta.

K: Tarvitaanko röntgenkuvausta aina BGA-tarkastuksessa?

V: Kyllä, tuotannossa – koska juotosulat ovat paketin alla eikä niitä voida arvioida täysin visuaalisesti tai optisilla menetelmillä.

K: Mitkä ovat merkit siitä, että BGA-juoteprosessi on epäonnistunut?

A: Epäjärjestelmällisiä signaaleja, ei tulostusta tai laiterikko; vahvistettu röntgentarkastuksella tai epäonnistuneilla sähköisillä testeillä.

K: Miten vältät yleiset BGA-viat juottamisen aikana?

A: Oikea uuniprofiili, huolellinen seulan suunnittelu ja säännölliset tarkastusmenetelmät minimoivat sekä ilmeiset että hienovaraiset viat.

Johtopäätös

Palloverkkopakkauksen kehitys on ollut keskeistä vastaamaan jatkuvasti kasvavaan vaatimukseen pienemmistä, tehokkaammista ja luotettavammista elektronisista laitteista. Kuitenkin BGA-laitteiden juotesiteet – jotka on järjestetty ruudukkoon ja piilotettu paketin pohjalle – edellyttävät kehittyneitä asennus-, korjaus- ja tarkastusmenetelmiä. Uunien ja huippuluokan BGA-korjausasemien käytöstä aina edistyneeseen röntgentarkastukseen asti koko prosessi edellyttää huomiota jokaiseen yksityiskohtaan.

Yleisten BGA-vikojen välttäminen edellyttää tehokkaita prosessikontrolleja ja sitoutumista oikeiden työkalujen ja tarkastusmenetelmien käyttöön. Hyvän suunnittelun, asiantuntevan juottamistekniikan, tarkan tarkastuksen ja huolellisen korjaustyön yhdistäminen varmistaa, että jokainen tiheäpiirteinen piirilevy — ja jokainen integroitu piiri paketin sisällä — täyttää kestävyys- ja suorituskykylupauksensa.

Pysy eturivissä jatkuvasti kehittyvässä PCB-asennuksen maailmassa — hallitse BGA-juottaminen, pidä tarkastusteknologia ajan tasalla ja sijoita tiimisi osaamiseen.