BGA-lodddefekter: PCB røntgeninspeksjonsteknikker og rework

Introduksjon

Den konstante teknologiske utviklingen har ført til elektronikk som er smartere, raskere og mer kompakt. Etterspørselen etter disse produktene har drevet utviklingen av høydensitetsteknologier som kan monteres raskt og pålitelig håndtere den økende kompleksiteten i moderne kretser. Ballgrid-array (BGA)-komponenter har fremvokst som en grunnleggende løsning, takket være sin evne til å maksimere kretstetthet og forbedre ytelsen i PCB-montering.

Moderne elektronikkproduksjon har i stor grad tatt i bruk BGA-komponenter. Denne teknologien brukes både i konsumentelektronikk som smarttelefoner og spillenheter, samt i høyteknologiske sektorer som luftfart og medisinsk elektronikk. Produksjonsbedrifter må mestre loddeteknikker for BGA-komponenter, ha operasjonell kompetanse i røntgeninspeksjonssystemer og være erfarne med avanserte rework-teknikker for BGA-komponenter. Disse faglige ferdighetene har stor verdi i prototypetilvirkningsfasen og er like nødvendige i masseproduksjonsprosesser. En helhetlig mestringsgrad av dette tekniske systemet sikrer at endelige produkter oppfyller ytelseskrav.

Hva er Ball Grid Array ( BGA ) lodding?

Ball Grid Array: Struktur og bidrag til kretskortmontering

En ballgrid-arrangement (BGA) er en integrert kretspakke-teknologi der loddeballer er ordnet i et rutenettmønster under BGA-enheten. Under monteringsprosessen smelter disse ballene og danner mekaniske og elektriske forbindelser mellom pakken og kretskortet (PCB). I motsetning til tradisjonelle pakker er BGA-loddeforbindelser skjult – noe som gjør dem utilgjengelige for enkel visuell inspeksjon og øker avhengigheten av avansert inspeksjonsteknologi som røntgeninspeksjon.

Hvordan BGA-er loddet til et PCB

• Trinn 1: Utform kretskortets fotavtrykk slik at det passer nøyaktig med loddeballerne.
• Trinn 2: Påfør loddepasta til kretskortet ved hjelp av en stensil, som leverer riktig mengde lodde til hver pad.
• Trinn 3: Plasser BGA-komponenten slik at hver ball er justert med sin tilhørende pad.
• Trinn 4: Kretskortmonteringen føres gjennom en reflowovn, hvor kretsen varmes opp slik at ballene i rutenettet smelter tilstrekkelig og danner forbindelser mellom BGA-en og PCB-et.
• Trinn 5: Etter avkjøling har BGA-loddeballerne størknet igjen og dannet pålitelige forbindelser.

Ballrutenett loddeforbindelsesstruktur

Utvikling og egenskaper til BGA-komponenter

Utviklingen av ballrutenett-teknologi ble drevet av behovet for å øke I/O-tettheten og forbedre ytelsen i elektroniske kretser. Ettersom integrerte kretser inne i pakken genererte mer varme og kreves mer robuste tilkoblinger, ble BGA en avgjørende teknologisk fremskritt.

Nøkkelegenskaper til BGA:

• Ordnet i et rutenettmønster: Loddeballer plassert i rader og kolonner på bunnen av pakken gjør det mulig å øke tettheten av pinner.
• Forbedret elektrisk ytelse: Korte, direkte loddeforbindelser minimerer motstand og induktans, noe som er kritisk for høyhastighetskretser.
• Varmebehandling: Stort kontaktflateareal og rutenettfordeling tillater at varme generert av den integrerte kretsen spres mer effektivt.
• Kompatibilitet med høy-tetthets PCB: BGA-er støtter fin ballavstand – fordeler seg ved montering av høy-tetthets PCB.
• Forbedret pålitelighet: Geometrien og strukturen fordeler spenning jevnt, noe som reduserer risikoen for utmattelse av loddeforbindelser.

Hvorfor BGAs dominerer moderne kretskortdesign

Overgangen til BGA og PCB-samarbeid kom fra behovet for enheter som kunne håndtere høy hastighet, større effekt og flere tilkoblinger uten å øke størrelsen på kretskortet. Dette teknologiske gjennombruddet førte til at nesten alle prosessorer, FPGAs og hurtigminne i de nyeste generasjonene av elektroniske produkter pakkes som BGA-IC-er.

Teknikker for BGA-lodding

Oversikt over BGA-loddeteknikker

Lodding av BGA-pakker stiller betydelig høyere tekniske krav enn konvensjonelle ledningspakker. Prosessen har som mål fullstendig konsistens i plassering av loddeballer. Hovedmålene inkluderer nøyaktig kontroll av oppvarmingstemperatur. Prosedyren krever til slutt dannelse av rene og porfrie loddeforbindelser.

Loddeteknikker inkluderer:

• Reflow-prosess: Den vanlige metoden, som bruker en reflowovn til å globalt eller lokalt varme og smelte loddekuler plassert mellom pakken og kretskortet.
• Manuelt lodding: Brukes hovedsakelig til BGA-rettarbeid eller prototypemontering – innebærer ofte lokalt oppvarming av BGA-komponenten ved hjelp av et varmluftverktøy.
• Ved bruk av en varmluft-stasjon for rettarbeid: For rettarbeid/reparasjon, varmes området rundt den defekte BGA-komponenten opp med kontrollert varmluft og/eller IR-kilde for å fjerne, erstatte eller reflowe den.
• Justering og plassering: PICK-and-place-systemer eller manuelle mikroskoper sikrer nøyaktig justering av loddekuvene ovenfor tilhørende kretskortflater.

Kritiske variabler ved BGA-lodding

Tips for perfekt BGA-lodding

• Undersøk alltid loddepastadepositter før plassering – et manglende flekk betyr et manglende loddeledd
• Støtt kretskortet forsiktig under oppvarming for å unngå bøyning, som fører til uregelmessig danning av loddeledd
• For prototyper og BGA-omlodding, start med gammelt kretskort for å mestre lokal oppvarming av BGA-komponenten før du går videre til verdifulle enheter

Metoder for inspeksjon av loddeledd og inspeksjonsteknologi

Hvorfor inspeksjon er kritisk

Ettersom BGA-loddeledd er skjult under pakken, er det nesten umulig å identifisere en defekt ved kun å bruke visuelle indikatorer. Derfor er røntgeninspeksjon, i tillegg til andre inspeksjonsmetoder (optisk inspeksjon, elektrisk test), en viktig del av prosessen

Inspeksjonsmetoder for BGA

1. Visuell inspeksjon:

• Brukes til plassering, justering og for å se baller på periferien av pakken.

2. Optisk inspeksjon (AOI):

• Automatisk optisk inspeksjon oppdager feilplasseringer, utilstrekkelig avstand og noen brodefekter ved kantene av pakken.

3. Røntgeninspeksjon:

• Både manuell og automatisk røntgeninspeksjon (AXI) lar deg inspisere loddeforbindelser som er skjult under BGA-en. Røntgenbilder brukes til å oppdage defekter i loddeboller, kortslutning, hull, åpninger og head-in-pillow.

4. Elektrisk test:

• Innkretstester og flyvende probe-tester bekrefter kontinuitet i alle forbindelser mellom BGA-en og PCB-en.

5. Andre inspeksjonsmetoder:

• Akustiske og IR-inspeksjonssystemer brukes også for avansert defektdektering (avlamellering, hull og varmeopphoping).

Sammenligning av inspeksjonssystemer

Avansert inspeksjonsteknologi

Utviklingen av inspeksjonsteknologi har ført til sanntids 3D AXI, røntgensystemer med høy oppløsning og programvare som automatisk kan markere når temperaturen er for lav under reflow eller når en feil som utilstrekkelig lodding er sannsynlig.

Tips for inspeksjon av loddeforbindelser av høy kvalitet

• Kalibrer røntgeninspeksjonssystemene dine regelmessig for optimal bildekvalitet og nøyaktig deteksjon av kortslutninger, tomrom og åpne forbindelser.
• Bruk automatisert røntgeninspeksjon (AXI) i masseproduksjon. Dette akselererer monteringsprosessen samtidig som grundighet opprettholdes.
• For prototyper, kombiner røntgen med manuell optisk inspeksjon, ettersom det menneskelige øyet noen ganger kan oppdage subtile feil som automatiserte systemer går glipp av.
• Kombiner røntgeninspeksjon med elektriske testmetoder for å sikre at hver krets styrt av en BGA-enhet fungerer under belastning, ikke bare i hviletilstand.

Vanlige BGA-feil og hvordan unngå dem

Selv med utmerket PCB- og BGA-design kan ulike feil oppstå under eller etter loddingprosessen. Å forstå årsaker og forebygging er nøkkelen til robuste kretser.

Typiske BGA-loddfeil

Vanlege symptom

• Intermitterande feil i kretsar (result av oppåping eller kalde samstopp)
• Kortsløysing etter første bruk (resultat av loddbrøyting)
• Ingen signal eller høg motstand på utgangspinner (frå holder/head-in-pillow)

Hvordan unngå vanlige BGA-problemer

• Design pade-mønstre og ballavstand nøye : Sørg for at fotavtrykksmønsteret for BGA-komponenten nøyaktig samsvarer med pakken.
• Kontroller loddetemperatur : Unngå overoppheting eller utilstrekkelig loddetemperatur under reflow-prosessen.
• Insperer kvaliteten på loddepastapåføringen : Bruk maskiner for inspeksjon av loddepasta der det er mulig, og korriger umiddelbart hvis noen pader mangler loddepasta eller har for mye loddepasta.
• Bak fuktfølsomme BGA-IC-er før lodding : Dette unngår «popcorning» og forstørrelse av hullrom når kulene i ruten smelter.
• Bruk alltid en korrekt profilert reflowovn: Standardiser spiktemperaturen og varigheten for hver monteringsprosess for å minimere kalde eller brente ledd.

BGA-reparasjonsprosess: Verktøy og teknikker

Når montering eller inspeksjon avdekker en defekt loddeforbindelse eller feilaktig BGA-komponent, settes BGA-reparasjonsprosessen i gang. En systematisk tilnærming er avgjørende for å unngå ytterligere skader.

Verktøy og teknikker for BGA-reparasjon

BGA-reparasjonsstasjon:

Kjerneverktøyet er en reparasjonsstasjon utformet for BGA-er.

Disse reparasjonsstasjonene har presisjonstemperaturkontroll, visjonssystemer for justering og spesialiserte varmluftsdysjer eller infrarøde varmeapparater for lokalt oppvarming av BGA-komponenten.

Varmluftsverktøy og IR-forvarmer:

Bruk av et varmluftsverktøy gjør det mulig å trygt fjerne den defekte delen uten å påvirke naboledd.

IR-forvarmer varmer kretskortet forsiktig for å forhindre vridning eller termiske sjokk.

Visjonssystemer og justering:

Moderne stasjoner inkluderer kameraer eller mikroskoper for å presist justere loddekuler mot loddepader.

Verktøy for nykuling:

For BGA-komponenter som skal gjenbrukes, erstatter «nykuling» gamle, forurensete loddekuler med nye.

Loddepasteprinter eller mini-silkeplate:

For å plassere riktig mengde loddemasse til den nye BGA-en.

BGA-reparasjonsprosessen (trinn for trinn)

Forberedelse

Insper og bekreft feilen og kretsen som skal repareres.

Fjern fuktighet fra PCB og BGA ved hjelp av forvarming.

Fjerne

Bruk reparasjonsstasjonen til å lokalt varme opp BGA-komponenten.

Når loddekulene har smeltet, løft BGA-en med et vakuumverktøy.

Rengjøring og kontroll av kontaktflater

Fjern rester av lodde fra PCB-kontaktflater; undersøk for løftede flater eller skader på PCB.

Plassering av ny BGA

For ny BGA, påfør loddepasta på kontaktflatene og bruk justeringsvor for plassering.

Omsmelting av lodde

Bruk varmluftverktøy eller kontroller på omarbeidingsstasjonen til å omsmelte de nye loddekulene og danne forbindelser mellom BGA-en og PCB-en.

Sluttvurdering

Utfør røntgeninspeksjon, visuell inspeksjon og elektrisk test etter behov.

Anbefalte metoder for montering av PCB, omsmelting og kvalitet

• Forebygg feil ved å validere hvert trinn: Fra pasteprinting og plassering til reflow og inspeksjon.
• Bruk automatisert røntgeninspeksjon for PCB-er med høy BGA-tetthet : Å manuelt plukke ut feil i skjulte loddeballer er ikke gjennomførbart i stor skala.
• Overvåk loddetemperatur : Kartlegg hver krets ved hjelp av termoelementer, spesielt for komplekse, tett kretser.
• Oppbevar BGAs i henhold til produsentens anbefalinger : Forebygg oksidasjon av loddeballer og fuktighetstilskudd.

Ofte stilte spørsmål

S: Kan manuell lodding brukes for BGA-komponenter?

S: Manuell lodding er generelt ikke egnet for BGA-montering på grunn av de skjulte og fine loddeforbindelsene. Imidlertid spiller det en viktig rolle under reparasjonsarbeid ved bruk av spesielle varmluftsdysjer og nøyaktig visuell inspeksjon.

S: Trengs alltid røntgen for BGA-inspeksjon?

Ja, for produksjon – siden loddeleddene er skjult under pakken og ikke kan vurderes fullt ut ved visuelle eller optiske metoder.

Hva er tegn på at en BGA-loddeprosess har mislyktes?

Periodiske signaler, ingen output eller enhetsfeil; bekreftet ved røntgeninspeksjon eller mislykkede elektriske tester.

Hvordan unngår du vanlige BGA-defekter under oppløping?

Korrekt ovnprofileringsjustering, omhyggelig stensildesign og rutinemessige inspeksjonsmetoder minimerer både åpenbare og subtile defekter.

Konklusjon

Utviklingen av ballgittermatrise-pakking har vært avgjørende for å møte den stadige etterspørselen etter mindre, kraftigere og mer pålitelige elektroniske enheter. Men loddeleddene til BGA-enheter – ordnet i et gittermønster og skjult under bunnen av pakken – krever sofistikerte monterings-, reparasjons- og inspeksjonsmetoder. Fra bruk av oppløpingsovner og moderne BGA-reparasjonsstasjoner til behovet for avansert røntgeninspeksjon, krever hele prosessen oppmerksomhet på alle detaljer.

Unngåelse av vanlige BGA-feil krever robuste prosesskontroller og et engasjement for å bruke riktige verktøy og inspeksjonsmetoder. Krysset mellom god design, ekspertloddeteknikk, nøyaktig inspeksjon og omhyggelig omarbeid sørger for at hver høytetthets kretskort – og hver integrert krets inne i pakken – leverer på sine løfter om holdbarhet og ytelse.

Hold deg foran i den stadig utviklede verdenen av PCB-emontering – mestre BGA-lodd, hold inspeksjonsteknologien oppdatert og invester i kompetanseutvikling for teamet ditt.