Chyby spájkovania BGA: Techniky röntgenovej kontroly dosiek plošných spojov a opravy

Úvod

Neustály pokrok technológie posunul elektroniku smerom k zariadeniam, ktoré sú chytrejšie, rýchlejšie a kompaktnejšie. Dopyt po týchto produktoch podnietil vývoj technológií s vysokou hustotou, ktoré je možné rýchlo montovať a spoľahlivo pripájať k stále sa zvyšujúcej zložitosti moderných obvodov. Zariadenia typu ball grid array (BGA) sa preto stali kľúčovým riešením vďaka svojej schopnosti maximalizovať hustotu obvodu a zlepšiť výkon pri montáži dosiek plošných spojov.

Moderné elektronické výrobníctvo široko využíva súčiastky BGA. Táto technológia sa používa nielen v spotrebnej elektronike vrátane smartfónov a herných zariadení, ale aj v odvetviach vysokej triedy, ako je letecký priemysel a lekársky elektronický priemysel. Výrobné podniky musia ovládať spájkovacie techniky pre súčiastky BGA, disponovať schopnosťami prevádzkovania systémov röntgenovej kontroly a byť zbehnulé v pokročilých technikách opráv súčiastok BGA. Tieto odborné technické zručnosti majú veľký význam počas fázy vývoja prototypov a sú rovnako nevyhnutné pri procesoch sériovej výroby. Komplexné ovládanie tohto technického systému zabezpečuje, že konečné výrobky spĺňajú požadované výkonové normy.

Čo je spájkovanie Ball Grid Array ( BGA )?

Ball Grid Array: Štruktúra a príspevok ku zostavovaniu obvodov

Ball grid array (BGA) je technológia zabudovania integrovaného obvodu, pri ktorej sú olovené guličky usporiadané v mriežkovom vzore pod zariadením BGA. Počas procesu montáže sa tieto guličky roztavia a vytvoria mechanické a elektrické spojenia medzi balíčkom a doskou plošných spojov (PCB). Na rozdiel od tradičných balíčkov sú spájkové spoje BGA skryté – čo ich robí nepristupnými jednoduchej vizuálnej kontrole a zvyšuje tak závislosť na pokročilých technológiách kontroly, ako je röntgenová kontrola.

Ako sa BGA spájkujú na dosku plošných spojov

• Krok 1: Navrhnite plošku na doske plošných spojov tak, aby presne zodpovedala polohe olovených guličiek.
• Krok 2: Naneste spájkovaciu kašu na dosku plošných spojov pomocou šablóny, ktorá dodá správne množstvo spájky na každú plošku.
• Krok 3: Umiestnite komponent BGA tak, aby každá gulička zodpovedala svojej ploške.
• Krok 4: Zostavená doska plošných spojov prechádza reflow pecou, kde sa obvod zohreje tak, že guličky v mriežke dostatočne roztavia a vytvoria spojenia medzi BGA a doskou plošných spojov.
• Krok 5: Po ochladení sa olovené guličky BGA opätovne ztuhli a vytvoria spoľahlivé spojenia.

Štruktúra spájkového spoja mriežky guličiek

Vývoj a vlastnosti BGA súčiastok

Vývoj technológie ball grid array bol poháňaný potrebou zvýšiť hustotu vstupov/výstupov a zlepšiť výkon elektronických zostáv. Keď integrované obvody vo vnútri pouzdra generovali viac tepla a vyžadovali odolnejšie spojenia, BGA sa stalo kľúčovým pokrokom.

Kľúčové vlastnosti BGA:

• Usporiadané do mriežkového vzoru: Spájkové guličky usporiadané do riadkov a stĺpcov na spodnej strane pouzdra umožňujú zvýšenú hustotu vývodov.
• Zvýšený elektrický výkon: Krátke, priame spájkové spojenia minimalizujú odpor a indukčnosť, čo je kritické pre obvody s vysokou rýchlosťou.
• Tepelná manažment: Veľká plocha kontaktov a rozmiestnenie do mriežky umožňujú efektívnejšie odvádzanie tepla generovaného integrovaným obvodom.
• Kompatibilita s doskami s vysokou hustotou: BGA podporuje jemný rozstup guličiek – výhodné pre montáž na dosky s vysokou hustotou.
• Zlepšená spoľahlivosť: Geometria a štruktúra rovnomerne rozdeľujú zaťaženie, čím sa zníži riziko únavy spojov spájkou.

Prečo dominujú BGAs pri návrhu moderných dosiek plošných spojov

Posun smerom k BGA a partnerstvam s DPS vznikol z potreby zariadení, ktoré by dokázali zvládnuť vysokorýchlostný výkon, vyšší výkon a viac pripojení bez zväčšovania dosky plošných spojov. Tento technologický pokrok viedol k tomu, že takmer všetky procesory, FPGA a pamäte s vysokou rýchlosťou sú v najnovších generáciách elektronických produktov zabalené ako BGA integrované obvody.

Techniky spájkovania BGA

Prehľad techník spájkovania BGA

Spájkovanie balíčkov BGA vyžaduje výrazne vyššie technické požiadavky ako bežné olovené balíčky. Proces má za cieľ dosiahnuť úplnú konzistenciu pri umiestňovaní spájkových guliek. Medzi kľúčové ciele patrí dosiahnutie presného ovládania teploty ohrevu. Postup nakoniec vyžaduje vytvorenie čistých a bezdutinových spájkových spojov.

Techniky spájkovania zahŕňajú:

• Reflow proces: Štandardná metóda, pri ktorej sa používa pec na reflow na celkové alebo lokálne zahriatie a roztavenie olovených guliek umiestnených medzi balením a doskovou súpravou.
• Ručné spájkovanie: Používa sa hlavne na opravy BGA alebo montáž prototypov – často zahŕňa lokálne zahrievanie komponentu BGA pomocou horúceho vzduchu.
• Použitie stanice na opravy s horúcim vzduchom: Pri opravách sa riadeným prúdom horúceho vzduchu a/alebo zdrojom IR zahrieva oblasť okolo chybného komponentu BGA, aby bol odstránený, vymenený alebo prelomený.
• Zarovnanie a umiestnenie: Systémy pick-and-place alebo manuálne mikroskopy presne zarovnávajú olovené guličky na zodpovedajúce plošky na doskovke.

Kľúčové premenné spájkovania BGA

Tipy pre dokonalé spájkovanie BGA

• Vždy skontrolujte vložený cín pred umiestnením – chýbajúca skvrna znamená chýbajúce spájkové spojenie.
• Počas ohrevu starostlivo podoprite dosku plošných spojov, aby ste predišli jej vybočeniu, ktoré spôsobuje nerovnomerné vytváranie spájkových spojov.
• Pre prototypy a opravy BGA začnite s nepoužiteľnými doskami plošných spojov, aby ste si precvičili lokálne zohrievanie komponentu BGA, než prejdete k cenným zostavám.

Techniky kontroly spájkových spojov a technológie kontroly

Prečo je kontrola kritická

Keďže spájkové spoje BGA sú skryté pod balíčkom, identifikácia chyby pomocou len vizuálnych prvkov je prakticky nemožná. Preto je röntgenová kontrola spolu s inými metódami kontroly (optická kontrola, elektrické testovanie) nevyhnutnou súčasťou procesu.

Kontrolné techniky pre BGA

1. Vizuálna kontrola:

• Používa sa na umiestnenie, zarovnanie a prehliadanie guliek na periférii balenia.

2. Optická kontrola (AOI):

• Automatizovaná optická kontrola odhaľuje nesprávne umiestnenia, nesprávny odstup a niektoré chyby mostíkov na okraji balenia.

3. Rentgenová kontrola:

• A ručná, aj automatizovaná röntgenová kontrola (AXI) vám umožňuje skontrolovať spoje, ktoré sú skryté pod BGA. Röntgenové zobrazenie sa používa na kontrolu chýb spájkovaných guliek, mostíkov, dutín, prerušení a stavu „hlava-na-vankúši“.

4. Elektrická skúška:

• Skúšky vo vnútri obvodu a lietajúcim hrotom potvrdzujú kontinuitu všetkých spojov medzi BGA a doskou plošných spojov (PCB).

5. Iné metódy kontroly:

• Akustické a IR kontrolné systémy sa tiež používajú na detekciu pokročilých chýb (odlupovanie, dutiny a hromadenie tepla).

Porovnanie kontrolných systémov

Pokročilá kontrolná technológia

Vývoj kontrolnej technológie priniesol 3D AXI v reálnom čase, rentgenové systémy s vysokým rozlíšením a softvér, ktorý dokáže automaticky upozorniť, keď je teplota počas reflow príliš nízka alebo keď hrozí defekt, ako napríklad nedostatočný olovený spoj.

Tipy na kvalitnú kontrolu olovených spojov

• Pravidelne kalibrujte svoje rentgenové kontrolné systémy, aby ste dosiahli optimálnu jasnosť obrazu a presnú detekciu mostíkov, dutín a prerušení.
• Používajte automatizovanú rentgenovú kontrolu (AXI) pri sériovej výrobe. Tým sa urýchli montážny proces a zároveň sa zachová dôkladnosť kontroly.
• U prototypov kombinujte röntgenovú kontrolu s ručnou optickou kontrolou, pretože ľudské oko niekedy dokáže zaznamenať jemné chyby, ktoré automatické systémy vynechajú.
• Spájajte röntgenovú kontrolu s elektrickými skúšobnými metódami, aby ste zabezpečili, že každý obvod riadený BGA súčiastkou bude fungovať pod zaťažením, nie len v pokoji.

Bežné chyby BGA a ako sa im vyhnúť

Aj napriek vynikajúcemu návrhu dosky plošných spojov a BGA môžu počas alebo po procese spájkovania vzniknúť rôzne chyby. Pochopenie príčin a prevencie je kľúčom k odolným obvodom.

Typické chyby spájkovania BGA

Bežné príznaky

• Občasné poruchy na doske plošných spojov (výsledok prerušených alebo studených spojov)
• Kratšie spojenie po prvotnej prevádzke (výsledok mostíkovania spájkou)
• Žiadny signál alebo vysoký odpor na výstupných vývodoch (spôsobené dutinami / hlava-na-vankúši)

Ako sa vyhnúť bežným problémom s BGA

• Dizajn pájkových plôšiek a rozostup guličiek opatrne navrhnite : Uistite sa, že vzor plošiek pre BGA súčiastku presne zodpovedá balíku.
• Kontrolujte teplotu pájkovania : Vyhnite sa prehriatiu alebo nedostatočnej teplote pri pájke počas procesu reflow.
• Skontrolujte kvalitu nanášania pasty : Používajte stroje na kontrolu pájkovej pasty, ak je to možné, a okamžite opravte chýbajúce alebo nadmerné množstvo pasty na plôškach.
• Pred pájkovaním vypekte citlivé na vlhkosť BGA integrované obvody : Tým sa zabráni „praskaniu“ a zväčšovaniu dutín, keď sa gulôčky v mriežke roztavia.
• Vždy používajte správne kalibrovanú reflow pec: Štandardizujte maximálnu teplotu a dobu trvania pre každý proces montáže, aby ste minimalizovali studené alebo spálené spoje.

Proces opravy BGA: Nástroje a techniky

Keď montáž alebo kontrola odhalí chybný spáj alebo chybnú BGA súčiastku, prichádza do hry proces opravy BGA. Metodický prístup je kľúčový, aby sa predišlo ďalšiemu poškodeniu.

Nástroje a techniky pre opravu BGA

Stanica na opravu BGA:

Základným nástrojom je rework stanica určená pre BGA.

Tieto rework stanice sú vybavené presnou reguláciou teploty, optickými systémami na zarovnanie a špeciálnymi tryskami horúceho vzduchu alebo infračervenými ohrievačmi na lokálne zohrievanie BGA súčiastky.

Horúci vzduchový nástroj a IR predohrievač:

Použitie horúceho vzduchového nástroja umožňuje bezpečné odstránenie chybnej súčasti bez narušenia susedných spájkových spojov.

IR predhrievač jemne zohreje dosku plošných spojov, aby sa predišlo skresleniu alebo tepelným šokom.

Optické systémy a zarovnanie:

Moderné stanice obsahujú kamery alebo mikroskopy na presné zarovnanie olovených guliek s príslušnými ploškami.

Náradie na opätovné nanášanie guliek:

Pri BGA komponentoch, ktoré majú byť znovu použité, proces „opätovného nanášania guliek“ nahrádza staré, znečistené olovené guličky novými.

Tlačiareň pre pájkovaciu pastu alebo malá šablóna:

Na nanášanie presného množstva pájky pre nové BGA.

Proces opravy BGA (krok za krokom)

Príprava

Skontrolujte a potvrďte chybu a obvod, ktorý má byť opravený.

Odstráňte vlhkosť z dosky plošných spojov a BGA predhriatím.

Odstránenie

Použite stanicu na opravy na lokálne zahriatie komponentu BGA.

Keď sa olovené guličky roztavia, zdvihnite BGA pomocou vysávača.

Vyčistenie miesta a kontrola plôšok

Odstráňte zvyškové olovo z plôšok dosky PCB; skontrolujte prípadné odtrhnutie plôšok alebo poškodenie dosky PCB.

Umiestnenie novej BGA

Pre novú BGA aplikujte cievkovú pájku na plôšky, použite vodidlá na zarovnanie pre presné umiestnenie.

Roztavenie pájky

Použite horúci vzduch alebo ovládanie stanice na opravy na roztavenie nových olovených guličiek a vytvorenie spojov medzi BGA a doskou PCB.

Finálna kontrola

Vykonajte röntgenovú kontrolu, vizuálnu kontrolu a elektrické testy podľa potreby.

Odporúčané postupy pre montáž dosiek PCB, reflow a kvalitu

• Zabráňte chybám overovaním každého kroku: Od tlače pasty a umiestňovania cez spájkovanie a kontrolu.
• Použite automatickú röntgenovú kontrolu pre dosky s vysokým počtom BGA : Ručné odstraňovanie chýb vo skrytých spájkach nie je pri veľkých objemoch realizovateľné.
• Sledujte teplotu spájkovania : Vytvorte teplotný profil každej dosky pomocou termočlánkov, najmä pre komplexné, vysoko husté dosky.
• Uchovávajte BGAs podľa odporúčaní výrobcu : Zabráňte oxidácii spájkovacích guliek a absorpcii vlhkosti.

Často kladené otázky

Q: Možno použiť ručné spájkovanie pre BGA súčiastky?

A: Ručné spájkovanie sa pre montáž BGA zvyčajne nehodí kvôli skrytým a jemnoprstorovým spojom. Avšak má kľúčovú úlohu pri opravách, pri ktorých sa používajú špeciálne trysky horúceho vzduchu a presná vizuálna kontrola.

Otázka: Je pri inšpekcií BGA vždy potrebné röntgenové žiarenie?

Odpoveď: Áno, pri výrobe – pretože spoje spájkovania sú skryté pod obalom a nemôžu byť úplne posúdené pomocou vizuálnych alebo optických metód.

Otázka: Aké sú príznaky zlyhania procesu spájkovania BGA?

Odpoveď: Prerušované signály, žiadny výstup alebo porucha zariadenia; potvrdené röntgenovou inšpekciou alebo neúspešnými elektrickými testami.

Otázka: Ako sa vyhnúť bežným chybám BGA počas reflow spájkovania?

Odpoveď: Správne nastavenie profilu pecnice, starostlivý návrh šablóny a pravidelné inšpekčné techniky minimalizujú ako zrejmé, tak aj jemnejšie chyby.

Záver

Vývoj balenia typu ball grid array bol kľúčový pre spĺňanie neustáleho požiadavku na menšie, výkonnejšie a spoľahlivejšie elektronické zariadenia. Avšak spájkové spoje zariadení BGA – usporiadané v mriežkovom vzore a skryté na spodnej strane puzdra – vyžadujú sofistikované metódy montáže, opravy a kontroly. Celý proces, od použitia pecí na reflow a najmodernejších stanic na opravu BGA až po nevyhnutnosť pokročilých röntgenových kontrol, si vyžaduje dôslednú pozornosť každému detailu.

Vyhnúť sa bežným chybám BGA vyžaduje robustné riadenie procesov a záväzok používať správne nástroje a metódy kontroly. Kombinácia kvalitného dizajnu, odbornej techniky spájkovania, presnej kontroly a starostlivého opravného postupu zabezpečuje, že každá vysokohustotná doska plošných spojov – i každý integrovaný obvod vo vnútri puzdra – splní svoj sľub trvanlivosti a výkonu.

Zostaňte vpredu v stále sa meniacom svete montáže dosiek plošných spojov – ovládnite pájenie BGA, udržiavajte aktuálnu technológiu inšpekcie a investujte do zručností svojho tímu.