Дефекты пайки BGA: методы рентгеновской инспекции печатных плат и переделка

Введение

Постоянный прогресс технологий привел к созданию электронных устройств, которые стали умнее, быстрее и компактнее. Спрос на эти продукты стимулировал развитие технологий высокой плотности монтажа, позволяющих быстро собирать и надежно соединять элементы, отвечающие растущей сложности современных схем. Устройства с шариковой матричной разводкой (BGA) стали ключевым решением благодаря своей способности максимизировать плотность схем и повышать производительность при сборке печатных плат.

Современное электронное производство широко использует компоненты BGA. Эта технология применяется как в потребительской электронике, включая смартфоны и игровые устройства, так и в высокотехнологичных отраслях, таких как аэрокосмическая и медицинская электроника. Производственные предприятия должны овладеть методами пайки компонентов BGA, иметь опыт эксплуатации рентгеновских инспекционных систем и быть специалистами в передовых методах ремонта компонентов BGA. Эти профессиональные технические навыки имеют большое значение на этапе разработки прототипов и одинаково необходимы в процессах массового производства. Полное освоение этой технической системы обеспечивает соответствие конечных продуктов стандартам производительности.

Что такое пайка Ball Grid Array ( Bga )?

Ball Grid Array: структура и вклад в сборку печатных плат

Корпус с шариковой матрицей (BGA) — это технология упаковки интегральных схем, при которой паяльные шарики размещаются в виде сетки под устройством BGA. Во время процесса сборки эти шарики расплавляются и образуют механические и электрические соединения между корпусом и печатной платой (PCB). В отличие от традиционных корпусов, паяные соединения BGA скрыты — что делает их недоступными для простого визуального контроля и увеличивает зависимость от передовых технологий инспекции, таких как рентгеновский контроль.

Как компоненты BGA припаиваются к печатной плате

• Шаг 1: Спроектируйте контактную площадку печатной платы так, чтобы она точно совпадала с паяльными шариками.
• Шаг 2: Нанесите паяльную пасту на печатную плату с помощью трафарета, который подает нужное количество припоя на каждый контакт.
• Шаг 3: Установите компонент BGA таким образом, чтобы каждый шарик совпадал с соответствующей контактной площадкой.
• Шаг 4: Сборку печатной платы пропускают через печь оплавления, нагревая цепь до температуры, при которой шарики в сетке достаточно расплавляются и формируют соединения между BGA и печатной платой.
• Шаг 5: После охлаждения паяльные шарики BGA повторно затвердевают, создавая надежные соединения.

Структура паяного соединения шариковой матрицы

Разработка и особенности устройств BGA

Развитие технологии шариковой матрицы было обусловлено необходимостью увеличения плотности выводов и повышения производительности в электронных сборках. По мере того как интегральные схемы внутри корпуса стали выделять больше тепла и требовать более надежных соединений, технология BGA стала ключевым достижением.

Основные особенности BGA:

• Расположение в виде сетки: Шарики припоя, размещенные в виде строк и столбцов на нижней стороне корпуса, позволяют увеличить плотность контактов.
• Улучшенная электрическая производительность: Короткие прямые паяные соединения минимизируют сопротивление и индуктивность, что критически важно для высокоскоростных цепей.
• Тепловое управление: Большая площадь контактных площадок и распределение по сетке обеспечивают более эффективный отвод тепла, выделяемого интегральной схемой.
• Совместимость с печатными платами высокой плотности: BGA поддерживают малый шаг шариков — это выгодно для сборки печатных плат высокой плотности.
• Улучшенная надежность: Геометрия и структура равномерно распределяют механические напряжения, снижая риск усталости паяных соединений.

Почему BGA доминируют в современном проектировании печатных плат

Переход к использованию BGA и партнерствам на основе печатных плат был вызван необходимостью создания устройств, способных обеспечивать высокую скорость работы, большую мощность и больше соединений без увеличения размеров печатной платы. Этот технологический прорыв привел к тому, что почти все процессоры, ПЛИС и высокоскоростная память в последних поколениях электронных изделий выпускаются в корпусах BGA.

Методы пайки BGA

Обзор методов пайки BGA

Пайка корпусов BGA требует значительно более высоких технических требований по сравнению с традиционными корпусами с выводами. Процесс направлен на обеспечение полной согласованности размещения припойных шариков. Ключевые задачи включают достижение точного контроля температуры нагрева. В конечном итоге процедура требует формирования чистых и свободных от пустот паяных соединений.

Методы пайки включают:

• Процесс оплавления: Стандартный метод, при котором используется печь оплавления для глобального или локального нагрева и плавления припойных шариков, расположенных между корпусом и печатной платой.
• Ручная пайка: Используется в основном для ремонта BGA или сборки прототипов — часто предполагает локальный нагрев компонента BGA с помощью горячего воздуха.
• Использование станции ремонта горячим воздухом: При ремонте/восстановлении контролируемый источник горячего воздуха и/или ИК-излучения нагревает область вокруг неисправного компонента BGA, чтобы удалить, заменить или выполнить повторную пайку.
• Выравнивание и установка: Системы автоматической установки или ручные микроскопы точно выравнивают шарики припоя над соответствующими контактными площадками печатной платы.

Критические параметры пайки BGA

Советы по идеальной пайке BGA

• Всегда проверяйте нанесение паяльной пасты перед установкой — отсутствие пасты означает отсутствие паяного соединения.
• Тщательно фиксируйте печатную плату во время нагрева, чтобы избежать коробления, которое приводит к неравномерному образованию паяных соединений.
• Для прототипов и повторной пайки BGA начинайте с ненужных печатных плат, чтобы отработать локальный нагрев компонента BGA, прежде чем переходить к ценным сборкам.

Методы и технологии контроля паяных соединений

Почему контроль так важен

Поскольку паяные соединения BGA скрыты под корпусом, обнаружить дефект только по визуальным признакам практически невозможно. Поэтому рентгеновский контроль, наряду с другими методами (оптический контроль, электрическое тестирование), является неотъемлемой частью процесса.

Методы контроля для BGA

1. Визуальный осмотр:

• Используется для установки, выравнивания и просмотра шариков по периферии корпуса.

2. Оптический контроль (AOI):

• Оптический автоматизированный контроль выявляет неправильное размещение, недостаточное расстояние и некоторые дефекты перемычек на краю корпуса.

3. Рентгеновская инспекция:

• Ручной и автоматизированный рентгеновский контроль (AXI) позволяют проверять паяные соединения, скрытые под корпусом BGA. Рентгеновская визуализация используется для выявления дефектов паяных шариков, замыканий, пустот, обрывов и эффекта «голова-в-подушке».

4. Электрическое тестирование:

• Тесты на печатной плате и с помощью летающего щупа подтверждают целостность всех соединений между BGA и печатной платой.

5. Другие методы контроля:

• Акустические и ИК-системы контроля также используются для выявления сложных дефектов (расслоение, пустоты и скопление тепла).

Сравнение систем контроля

Передовые технологии инспекции

Развитие технологий инспекции привело к появлению систем автоматической рентгеновской инспекции (AXI) с 3D в реальном времени, высоком разрешением и программного обеспечения, которое может автоматически сигнализировать о слишком низкой температуре во время оплавления или о вероятности возникновения дефекта, например недостаточного припоя.

Советы по качественной инспекции паяных соединений

• Регулярно калибруйте свои системы рентгеновской инспекции для достижения оптимальной четкости изображения и точного обнаружения мостиков, пустот и обрывов.
• Используйте автоматическую рентгеновскую инспекцию (AXI) при массовом производстве. Это ускоряет процесс сборки, сохраняя тщательность контроля.
• Для прототипов комбинируйте рентгеновскую инспекцию с ручным оптическим контролем, поскольку человеческий глаз иногда способен обнаружить незначительные дефекты, которые могут быть пропущены автоматическими системами.
• Сочетайте рентгеновскую инспекцию с электрическими методами тестирования, чтобы убедиться, что каждая цепь, управляемая устройством BGA, работает под нагрузкой, а не только в состоянии покоя.

Распространённые дефекты BGA и способы их предотвращения

Даже при отличной конструкции печатной платы и BGA различные дефекты могут возникать во время или после процесса пайки. Понимание причин и методов предотвращения имеет ключевое значение для надежных схем.

Типичные дефекты пайки BGA

Распространенные симптомы

• Периодические неисправности на печатной плате (результат обрывов или холодных соединений)
• Короткое замыкание после начальной работы (результат мостиков из припоя)
• Отсутствие сигнала или высокое сопротивление на выходных выводах (из-за пустот/эффекта «голова в подушке»)

Как избежать типичных проблем с BGA

• Тщательно проектируйте шаблоны контактных площадок и шаг шариков : Убедитесь, что конфигурация посадочного места для устройства BGA точно соответствует корпусу.
• Контролируйте температуру пайки : Избегайте перегрева или недостаточной температуры пайки в процессе оплавления.
• Проверьте качество нанесения паяльной пасты : По возможности используйте машины для инспекции паяльной пасты и немедленно устраняйте проблемы, если на некоторых контактных площадках паста отсутствует или нанесена избыточно.
• Прожигайте гигроскопичные BGA-микросхемы перед пайкой : Это предотвращает эффект «попкорна» и увеличение количества пустот при плавлении шариков в решётке.
• Всегда используйте правильно настроенный профиль оплавления: Унифицируйте пиковую температуру и продолжительность для каждого процесса сборки, чтобы свести к минимуму холодные или перегретые соединения.

Процесс ремонта BGA: инструменты и методы

Когда на этапе сборки или инспекции выявляется дефектное паяное соединение или неисправный компонент BGA, применяется процесс ремонта BGA. Методичный подход имеет решающее значение, чтобы избежать дополнительных повреждений.

Инструменты и методы для ремонта BGA

Станция для ремонта BGA:

Основным инструментом является станция для ремонта, предназначенная для компонентов BGA.

Эти станции оснащены точными системами регулировки температуры, визионными системами для выравнивания и специализированными соплами для подачи горячего воздуха или инфракрасными нагревателями для локального нагрева компонента BGA.

Инструмент с подачей горячего воздуха и ИК-подогреватель:

Использование инструмента с подачей горячего воздуха позволяет безопасно удалить неисправную деталь, не повредив соседние паяные соединения.

ИК-подогреватель аккуратно подогревает печатную плату, предотвращая коробление или тепловые удары.

Визионные системы и выравнивание:

Современные станции оснащены камерами или микроскопами для точного выравнивания шариков припоя по контактным площадкам.

Инструменты для перепайки шариков:

Для устройств BGA, которые необходимо повторно использовать, операция «перепайка шариков» заменяет старые, загрязнённые шарики припоя на новые.

Принтер паяльной пасты или мини-трафарет:

Для нанесения нужного количества припоя на новую BGA.

Процесс восстановления BGA (пошагово)

Подготовка

Проверьте и подтвердите дефект и цепь, подлежащие ремонту.

Удалите влагу с печатной платы и BGA с помощью предварительного нагрева.

Удаление

Используйте станцию восстановления для локального нагрева компонента BGA.

После плавления шариков припоя поднимите BGA с помощью вакуумного инструмента.

Очистка места и проверка контактных площадок

Удалите остатки припоя с контактных площадок печатной платы; проверьте наличие отслоения площадок или повреждений платы.

Установка новой BGA

Для новой BGA нанесите паяльную пасту на контактные площадки, используйте направляющие для точного позиционирования.

Расплавление припоя

Используйте инструмент горячего воздуха или станцию повторной пайки для расплавления новых шариков припоя и формирования соединений между BGA и печатной платой.

Финальный контроль качества

Проведите рентгеновскую проверку, визуальный осмотр и электрические испытания по мере необходимости.

Лучшие практики сборки печатных плат, оплавления и обеспечения качества

• Предотвращайте дефекты, проверяя каждый этап: От нанесения пасты и установки компонентов до оплавления и инспекции.
• Используйте автоматическую рентгеновскую инспекцию для печатных плат с большим количеством BGA : Выявление вручную дефектов в скрытых паяльных шариках невозможно в промышленных масштабах.
• Контролируйте температуру пайки : Профилируйте каждую плату с помощью термопар, особенно сложные платы с высокой плотностью компоновки.
• Храните BGAs в соответствии с рекомендациями производителей : Предотвращайте окисление оловянных шариков и поглощение влаги.

Часто задаваемые вопросы

В: Можно ли использовать ручную пайку для устройств BGA?

О: Ручная пайка, как правило, не подходит для монтажа BGA из-за скрытого расположения и малого шага контактных площадок. Однако она играет важную роль при ремонте с использованием специальных сопел горячего воздуха и точного визуального контроля.

В: Всегда ли необходим рентгеновский контроль для проверки BGA?

О: Да, при серийном производстве — поскольку паяные соединения находятся под корпусом и не могут быть полностью оценены с помощью визуальных или оптических методов.

В: Каковы признаки неудачного процесса пайки BGA?

О: Прерывистые сигналы, отсутствие выходного сигнала или отказ устройства; подтверждается рентгеновским контролем или неудачными электрическими испытаниями.

В: Как избежать типичных дефектов BGA во время процесса оплавления?

A: Правильная профилировка печи, тщательный дизайн трафарета и регулярные методы осмотра минимизируют как очевидные, так и скрытые дефекты.

Заключение

Разработка корпусов с шаровой решёткой сыграла ключевую роль в удовлетворении постоянного спроса на более компактные, мощные и надёжные электронные устройства. Однако паяные соединения устройств BGA — расположенные в виде сетки и скрытые снизу корпуса — требуют сложных методов сборки, ремонта и контроля. Начиная от использования оплавляющих печей и современных станций для ремонта BGA и заканчивая необходимостью передовых рентгеновских методов инспекции, весь процесс требует внимания к каждой детали.

Избежание распространенных дефектов BGA требует надежного контроля процесса и приверженности использованию правильных инструментов и методов проверки. Сочетание качественного проектирования, экспертной техники пайки, точной инспекции и аккуратного ремонта обеспечивает выполнение каждым печатным узлом высокой плотности — и каждой интегральной схемой в корпусе — обещаний долговечности и производительности.

Оставайтесь впереди в постоянно меняющемся мире сборки печатных плат — освойте пайку BGA, поддерживайте актуальность технологий инспекции и инвестируйте в развитие навыков вашей команды.