Napake pri lotu BGA: tehnike rentgenske preiskave tiskanih vezij in popravilo

Uvod

Nenehni napredek tehnologije je elektroniko pripeljal do naprav, ki so pametnejše, hitrejše in bolj kompaktno zgrajene. Povpraševanje po teh izdelkih je spodbudilo razvoj visoko gostih tehnologij, ki omogočajo hitro sestavljanje in zanesljivo povezovanje vedno večje zapletenosti sodobnih vezij. Naprave z mrežnim razporedom kroglic (BGA) so se uveljavile kot temeljna rešitev zaradi svoje sposobnosti povečanja gostote vezij in izboljšanja zmogljivosti pri sestavljanju tiskanih vezij.

Sodobna elektronska proizvodnja je v široki meri prevzela komponente BGA. Tehnologijo uporabljajo tako potrošniške elektronike, kot so pametni telefoni in igralne naprave, kot tudi visoko razviti sektorji, kot sta letalski in medicinski sektor. Proizvajalci morajo obvladati tehnike lotkanja komponent BGA, imeti operativne sposobnosti za sisteme rentgenske kontrole ter biti izkušeni v naprednih tehnikah popravila komponent BGA. Te strokovne tehnične veščine imajo veliko vrednost v fazi razvoja prototipa in so enako nujne pri procesih serijske proizvodnje. Celovito obvladanje tega tehničnega sistema zagotavlja, da končni izdelki izpolnjujejo zahteve po zmogljivosti.

Kaj je lotkanje mreže kroglic ( BGA )?

Mreža kroglic: struktura in prispevek k sestavi vezij

Mrežno razporejenje krogel (BGA) je tehnologija ohišja integriranih vezij, pri kateri so lotne kroglice razporejene v mrežnem vzorcu pod napravo BGA. Med postopkom sestavljanja se te kroglice stopijo in oblikujejo mehanske ter električne povezave med ohišjem in tiskanim vezjem (PCB). Za razliko od tradicionalnih ohišij so BGA lotni spoji skriti – kar jih naredi nedostopne preprosti vizualni kontroli in poveča odvisnost od naprednih kontrolnih tehnologij, kot je rentgenska kontrola.

Kako se BGA komponente zalije na tiskano vezje

• Korak 1: Zasnujte ploščico na tiskanem vezju tako, da se natančno poravnava s kroglicami lota.
• Korak 2: Nanesite pasto lota na tiskano vezje s predlogo, ki dostavi pravo količino lota na vsako ploščico.
• Korak 3: Postavite BGA komponento tako, da se vsaka kroglica poravnava s svojo ploščico.
• Korak 4: Sestavljeno tiskano vezje se prevleče skozi peč za ponovno taljenje, kjer se vezje segreva, da se kroglice v mreži dovolj stopijo in ustvarijo povezave med BGA in tiskanim vezjem.
• Korak 5: Po ohlajevanju so se BGA lotne kroglice znova strdile in ustvarile zanesljive spoje.

Struktura lotnih spojev mrežne kroglice

Razvoj in značilnosti naprav BGA

Razvoj tehnologije ball grid array je bil pogonjen s potrebo po povečanju gostote I/O in izboljšanju zmogljivosti v elektronskih sestavih. Ko so integrirana vezja znotraj ohišja ustvarjala več toplote in zahtevala bolj trdne povezave, je postala BGA pomemben napredek.

Ključne značilnosti BGA:

• Razporejeno v mrežnem vzorcu: Lutke iz solda, razporejene v vrsticah in stolpcih na dnu ohišja, omogočajo povečano gostoto priključkov.
• Izboljšane električne lastnosti: Kratke, neposredne zavarovane povezave zmanjšujejo upornost in induktivnost, kar je ključno za visokofrekvenčna vezja.
• Upravljanje toploto: Veliko površino ploščice in porazdelitev mreže omogočata učinkovitejše odvajanje toplote, ki jo ustvarja integrirano vezje.
• Kompatibilnost z visokogostotnimi tiskanimi vezji (PCB): BGA-ji podpirajo majhne razmike med lutkami – prednost pri sestavljanju visokogostotnih tiskanih vezij.
• Poboljšana zanesljivost: Geometrija in struktura enakomerno porazdelita napetost, kar zmanjša tveganje utrujenosti lotnih spojev.

Zakaj dominirajo BGA pri zasnovi sodobnih tiskanih vezij

Premik proti uporabi BGA in sodelovanju s tiskanimi vezji je izhajal iz potrebe po napravah, ki omogočajo visoko hitrost delovanja, večjo moč in več povezav brez povečanja velikosti tiskanega vezja. Ta tehnološki napredek je povzročil, da so skoraj vsi procesorji, FPGA in pomnilniki za visoke hitrosti v najnovejših generacijah elektronskih izdelkov pakirani kot BGA integrirana vezja.

Tehnike lotenja BGA

Pregled tehnik lotenja BGA

Lotenje BGA paketov zahteva bistveno višje tehnične zahteve kot običajni lepljeni paketi. Postopek zahteva popolno doslednost pri postavljanju lotnih kroglic. Glavni cilji vključujejo doseganje natančnega nadzora temperature segrevanja. Postopek končno zahteva nastanek čistih in brezprazninskih lotnih spojev.

Tehnike lotenja vključujejo:

• Postopek reflow: Standardna metoda, pri kateri se uporablja peč za preliv, da se splošno ali lokalno segrejejo in stopijo kalupi lota, postavljeni med ohišje in tiskano vezno ploščo.
• Ročno lotenje: Uporablja se predvsem za popravilo BGA ali sestavljanje prototipov – pogosto vključuje lokalno segrevanje BGA komponente z orodjem za vroč zrak.
• Uporaba postaje za popravilo z vročim zrakom: Pri popravilu se nadzorovan vir vročega zraka in/ali infrardečega sevanja uporablja za segrevanje območja okoli nepravilne BGA komponente, da jo odstranimo, zamenjamo ali ponovno stopimo.
• Poravnava in postavitev: Sistemi za dvig in postavitev ali ročni mikroskopi natančno poravnajo kalupe lota na ustreznih ploskvah na tiskani vezni plošči.

Ključne spremenljivke pri BGA lotenju

Namigi za popolno spajkanje BGA

• Vedno preverite odložitve leme pred namestitvijo – manjkajoča pika pomeni manjkajoče spojno mesto.
• Med segrevanjem skrbno podprite tiskano vezno ploščo, da se izognete upogibanju, ki povzroča neenakomerno oblikovanje spajkovnih spojev.
• Za prototipe in popravilo BGA začnite s stari tiskanimi veznimi ploščami, da popolnoma obvladate lokalno segrevanje BGA komponente, preden preidete na vredne sestave.

Tehnike pregleda spajkovnih spojev in tehnologija pregleda

Zakaj je pregled pomemben

Ker so BGA spajkovni spoji skriti pod ohišjem, je identifikacija napake z zgolj vizualnimi kazalci praktično nemogoča. Zato je rentgenski pregled skupaj z drugimi tehnikami pregleda (optični pregled, električni test) nujen del postopka.

Tehnike pregleda za BGA

1. Očna pregledovanja:

• Uporablja se za postavitev, poravnavo in ogled kroglic na obrobju paketa.

2. Optični pregled (AOI):

• Avtomatizirani optični pregled zazna napačne postavitve, neustrezne odmike in nekatere napake zaradi mostu na robu paketa.

3. Rentgenski pregled:

• Kako ročni kot avtomatizirani rentgenski pregled (AXI) omogočata pregled solderne spoje, ki so skriti pod BGA-jem. Rentgensko slikanje se uporablja za odkrivanje napak soldernih kroglic, mostov, votlin, prekinjenih povezav in pojava »glava-v-podlago«.

4. Električni test:

• Testi v vezju in leteči sondo potrdijo neprekinjenost vseh povezav med BGA-jem in tiskanim vezjem.

5. Druge metode pregleda:

• Akustični in IR sistemi za pregled se uporabljajo tudi za napredno zaznavanje napak (razplastitev, votline in nabiranje toplote).

Primerjava sistemov za pregled

Napredna tehnologija pregledovanja

Razvoj tehnologije pregledovanja je prinesel 3D AXI v realnem času, rentgenske sisteme z visoko ločljivostjo in programske opreme, ki samodejno opozori, kadar je temperatura med prelivanjem prenizka ali kadar obstaja verjetnost napake, kot je premalo lota.

Namigi za pregledovanje kakovosti lotnih spojev

• Redno umerjajte svoje rentgenske sisteme za pregledovanje, da zagotovite najboljšo jasnost slike in natančno zaznavanje mostičenj, praznin in odprtin.
• Uporabite avtomatizirano rentgensko preverjanje (AXI) pri serijski proizvodnji. To pospeši sestavni proces in hkrati ohranja temeljito pregledovanje.
• Pri prototipih kombinirajte rentgensko preverjanje z ročnim optičnim pregledom, saj človeško oko včasih zazna subtilne napake, ki jih avtomatizirani sistemi spregledajo.
• Združite rentgensko preverjanje z električnimi testnimi metodami, da zagotovite delovanje vsakega vezja, kateremu upravlja BGA komponenta, pod obremenitvijo, ne le v mirovanju.

Pogoste napake pri BGA in kako se jim izogniti

Tudi ob odličnem načrtovanju tiskane plošče in BGA lahko med ali po postopku lotenja nastanejo različne napake. Razumevanje vzrokov in preprečevanja je ključ za zanesljiva vezja.

Tipične napake lotenja pri BGA

Pogoste simptomi

• Občasne napake na tiskani plošči (posledica odprtih vezij ali hladnih spojev)
• Kratki stiki po začetnem delovanju (posledica mostu pri lotu)
• Brez signala ali visoka upornost na izhodnih pinih (zaradi praznin/napačnega stika tipa glava-v-preso)

Kako se izogniti pogostim težavam z BGA

• Previdno oblikujte vzorce ploščic in razmik krogel : Zagotovite, da vzorec ploščic naprave BGA natančno ustreza ohišju.
• Kontrolirajte temperaturo lemljenja : Izogibajte se preveliki temperaturi ali premajhni temperaturi lemljenja med procesom reflow.
• Preverite kakovost tiska paste : Kjer je mogoče, uporabite stroje za pregled kakovosti lotne paste ter takoj odpravite napake, če kakšna ploščica manjka ali ima preveč lote.
• Pred lemljenjem pečite BGA integrirane vezje, občutljive na vlago : To prepreči »popekanje« in povečevanje praznin, ko se kroglice v mreži stopijo.
• Vedno uporabljajte ustrezno profilirano peč za reflow: Standardizirajte najvišjo temperaturo in trajanje za vsak sestavni proces, da zmanjšate mrzle ali pregorele spoje.

Postopek popravila BGA: Orodja in tehnike

Ko sestava ali pregled odkrije defekten lotni spoj ali nepravilno BGA komponento, se zažene postopek popravila BGA. Sistematičen pristop je ključnega pomena, da se izognemo nadaljnjim poškodbam.

Orodja in tehnike za popravilo BGA

Postaja za popravilo BGA:

Osnovno orodje je postaja za popravilo, zasnovana za BGA.

Te postaje so opremljene s točnimi temperaturnimi regulatorji, vizualnimi sistemi za poravnavo ter specializiranimi šobami za vroče zrak ali infrardečimi grelci za lokalno segrevanje BGA komponente.

Orodje za vroč zrak in IR predgrevalec:

Uporaba orodja za vroč zrak omogoča varno odstranitev okvarjenega dela, ne da bi motili sosednje zareze.

IR predogrevalec previdno segreva tiskano vezje, da prepreči upognitve ali termične šoke.

Vizualni sistemi in poravnava:

Sodobne postaje vključujejo kamere ali mikroskope za natančno poravnavo kovinskih kroglic z ožičenjem.

Orodja za ponovno nanos kroglic:

Pri napravah BGA, ki jih je treba ponovno uporabiti, »ponovni nanos kroglic« zamenja stare, onesnažene kovinske kroglice z novimi.

Tiskalnik lemeža ali mini šablona:

Za nanos prave količine lemeža na nov BGA.

Postopek popravila BGA (korak za korakom)

Priprava

Preglejte in potrdite napako ter vezje, ki ga je treba popraviti.

Odstranite vlago s tiskane vezne plošče in BGA z predhodnim pečenjem.

Odstranjevanja

Uporabite postajo za popravilo, da lokalno segrejete BGA komponento.

Ko se kovinski žogički stopijo, dvignite BGA s sesalnim orodjem.

Čiščenje mesta in pregled ploščic

Očistite ostanki kalja s ploščic na tiskani vezni plošči; preverite morebitno odtrganost ploščic ali poškodbe tiskane vezne plošče.

Postavitev novega BGA

Za nov BGA nanesite leteči kalj na ploščice, uporabite vodila za poravnavo pri postavljanju.

Ponovno taljenje kalja

Uporabite orodje za vroč zrak ali nadzorne nastavitve postaje za popravilo, da ponovno stopite nove kovinske žogičke in ustvarite povezave med BGA in tiskano vezno ploščo.

Končna preverjanja

Izvedite rentgenski pregled, vizualni pregled in električni test, kot je potrebno.

Najboljše prakse za sestavljanje tiskanih vezij, pretočno lemljenje in kakovost

• Preprečite napake tako, da potrdite vsak korak: Od tiska lepila in postopka postavitve do pretočnega lemljenja in pregleda.
• Uporabite avtomatizirano rentgensko kontrolo za tiskana vezja z velikim številom BGA-jev : Ročno odkrivanje napak na skritih lotnih kroglicah ni izvedljivo v večjem merilu.
• Spremljajte temperaturo lemljenja : Ustvarite temperaturni profil vsakega vezja z termoparimi, še posebej za zapletena vezja z visoko gostoto.
• Shranjujte BGA-je v skladu z priporočili proizvajalca : Preprečite oksidacijo lotnih kroglic in vpijanje vlage.

Pogosta vprašanja

V: Ali se lahko za naprave BGA uporablja ročno lemljenje?

A: Ročno lotenje praviloma ni primerno za sestavljanje BGA zaradi skrite in drobne narave lotnih spojev. Vendar igra ključno vlogo pri popravku z uporabo posebnih šob za vroč zrak in natančnega vizualnega pregleda.

V: Ali je za preverjanje BGA vedno potreben rentgen?

A: Da, za proizvodnjo – saj so lotni spoji skriti pod ohišjem in jih ni mogoče v celoti oceniti z vizualnimi ali optičnimi metodami.

V: Kakšni so znaki, da je proces lotenja BGA spodletel?

A: Prekinjena ali nestabilna signalizacija, odsotnost izhoda ali okvara naprave; potrjeno z rentgenskim pregledom ali neuspešnimi električnimi testi.

V: Kako se izogniti pogostim napakam pri BGA med taljenjem?

A: Pravilno profiliranje peči, previdno oblikovanje sita in redni postopki pregleda zmanjšajo tako očitne kot subtilne napake.

Zaključek

Razvoj ohišja z mrežnim razporedom krogel je bil ključen za izpolnjevanje nenehnih zahtev po manjših, zmogljivejših in zanesljivejših elektronskih napravah. Vendar sponke BGA naprav – razporejene v mrežnem vzorcu in skrite na dnu ohišja – zahtevajo sofisticirane tehnike sestavljanja, popravila in pregleda. Od uporabe peči za prelivno lemljenje in najnovejših delovnih mest za popravilo BGA do potrebe po naprednem rentgenskem pregledu celoten proces zahteva pozornost do vsake podrobnosti.

Izogibanje pogostim napakam pri BGA zahteva trdne nadzorne postopke in odločitev za uporabo pravih orodij ter metod pregleda. Spretno oblikovanje, strokovna tehnika lemljenja, natančen pregled in previdno popravilo zagotavljajo, da vsaka visoko integrirana tiskana vezja in vsak integrirani vez na ohišju izpolnjuje svojo obljubo trajnosti in zmogljivosti.

Ostanite na vrhu vedno spreminjajočega se sveta sestave PCB-jev – obvladajte BGA lot, poskrbite za najnovejšo tehnologijo pregleda in vlagajte v veščine svojega ekipe.