Дефекти паяння BGA: методи рентгенівського контролю плат і переробка

Вступ

Постійний прогрес технологій спричинив появу електронних пристроїв, які є розумнішими, швидшими та компактнішими. Попит на ці продукти стимулював розробку технологій високої щільності, які можна швидко збирати та надійно об'єднувати з ростучою складністю сучасних схем. Пристрої типу ball grid array (BGA) стали ключовим рішенням завдяки своїй здатності максимізувати щільність монтажу та підвищувати продуктивність при збиранні друкованих плат.

Сучасне електронне виробництво широко використовує компоненти BGA. Ця технологія застосовується як у споживчій електроніці, зокрема у смартфонах та ігрових пристроях, так і в галузях високого рівня, таких як аерокосмічна та медична електроніка. Виробничі підприємства мають оволодіти техніками паяння компонентів BGA, мати навички роботи з рентгенівськими системами контролю та вільно володіти сучасними методами ремонту компонентів BGA. Ці професійні технічні навички мають велике значення на етапі розробки прототипів і є однаково необхідними в процесах масового виробництва. Повне оволодіння цією технічною системою забезпечує відповідність кінцевих продуктів встановленим вимогам до продуктивності.

Що таке паяння Ball Grid Array ( BGA )?

Ball Grid Array: структура та внесок у збірку схем

Матриця кульових виводів (BGA) — це технологія корпусування інтегральних схем, при якій припойні кульки розташовані у вигляді сітки під пристроєм BGA. Під час процесу збірки ці кульки плавляться та утворюють механічні й електричні з'єднання між корпусом і друкованою платою. На відміну від традиційних корпусів, припойні з'єднання BGA приховані — що унеможливлює просту візуальну перевірку і збільшує залежність від передових технологій контролю, таких як рентгенівська інспектування.

Як припаюються компоненти BGA до друкованої плати

• Крок 1: Спроектуйте контактний майданчик друкованої плати так, щоб він точно вирівнювався з припойними кульками.
• Крок 2: Нанесіть припойну пасту на друковану плату за допомогою трафарета, що забезпечує потрібну кількість припою на кожен майданчик.
• Крок 3: Встановіть компонент BGA таким чином, щоб кожна кулька вирівнювалася зі своїм майданчиком.
• Крок 4: Збірку друкованої плати пропускають через піч рефлоу, нагріваючи схему так, щоб кульки в сітці достатньо розплавилися й утворили з'єднання між BGA та друкованою платою.
• Крок 5: Після охолодження припойні кульки BGA повторно затверділи, утворюючи надійні з'єднання.

Структура припоювання кулькової матриці

Розробка та особливості пристроїв BGA

Розвиток технології ball grid array був спричинений необхідністю збільшення щільності виводів (I/O) та покращення продуктивності в електронних збірках. Оскільки інтегральні схеми всередині корпусу виділяли більше тепла й потребували міцніших з'єднань, технологія BGA стала ключовим досягненням.

Основні характеристики BGA:

• Розташовані у вигляді сітки: Кулькові припої, розташовані рядами та стовпцями на нижній стороні корпусу, забезпечують підвищену щільність виводів.
• Покращена електрична характеристика: Короткі, безпосередні припояні з'єднання мінімізують опір та індуктивність, що критично важливо для високошвидкісних кіл.
• Тепловий менеджмент: Велика площа контактних майданчиків і розподіл сітки дозволяють ефективніше відведення тепла, що генерується інтегральною схемою.
• Сумісність із високощільними друкованими платами: Корпуси BGA підтримують мале розташування кульок (fine ball pitch), що є перевагою для збирання високощільних друкованих плат.
• Покращена надійність: Геометрія та структура рівномірно розподіляють напруження, зменшуючи ризик втоми припою спайок.

Чому BGA домінує у сучасному проектуванні друкованих плат

Перехід до партнерства BGA та PCB відбувся через необхідність пристроїв, здатних забезпечувати високу швидкість роботи, більшу потужність і більше підключень без збільшення розмірів друкованої плати. Цей технологічний стрибок призвів до того, що майже всі процесори, ПЛІС і швидкісна пам'ять у найновіших поколіннях електронних продуктів упаковуються як BGA ІМС.

Техніки паяння BGA

Огляд технік паяння BGA

Паяння корпусів BGA вимагає значно вищих технічних вимог, ніж у разі традиційних корпусів з виводами. Процес має забезпечити повну узгодженість розташування припоювання кульок. Основні цілі включають досягнення точного контролю температури нагріву. У підсумку процедура потребує формування чистих спайок без порожнин.

Техніки паяння включають:

• Процес рефлоу: Стандартний метод, при якому використовується піч для рефлоу для глобального або локального нагрівання та плавлення припойних кульок, розташованих між корпусом і друкованою платою.
• Ручне паяння: Використовується переважно для ремонту BGA або збірки прототипів — часто передбачає локальний нагрів компонента BGA за допомогою гарячого повітря.
• Використання станції гарячого повітря для ремонту: Для ремонту/відновлення контрольований потік гарячого повітря та/або ІЧ-джерело нагрівають ділянку навколо несправного компонента BGA, щоб видалити, замінити або повторно розплавити його.
• Вирівнювання та розміщення: Системи автоматичного захоплення та розміщення або ручні мікроскопи точно вирівнюють припойні кульки над відповідними контактними площадками на друкованій платі.

Критичні параметри паяння BGA

Поради щодо ідеального паяння BGA

• Завжди перевіряйте нанесення паяльного пастки перед встановленням — відсутність краплі означає відсутність паяного з'єднання.
• Обережно підтримуйте друковану плату під час нагрівання, щоб уникнути прогинання, яке призводить до неоднакового утворення паяних з'єднань.
• Для прототипів та ремонту BGA починайте зі зламаних друкованих плат, щоб відпрацювати локальне нагрівання компонента BGA, перш ніж переходити до цінних збірок.

Методи та технології перевірки паяних з'єднань

Чому контроль є критичним

Оскільки паяні з'єднання BGA приховані під корпусом, виявити дефект лише за візуальними ознаками практично неможливо. Тому рентгенівська інспектування, разом з іншими методами (оптична інспекція, електричне тестування), є обов'язковою частиною процесу.

Методи інспекції для BGA

1. Візуальна перевірка:

• Використовується для розміщення, вирівнювання та перегляду кульок на периферії корпусу.

2. Оптичний огляд (AOI):

• Автоматизований оптичний огляд виявляє неправильне розташування, недостатній зазор і деякі дефекти мостиків на краю корпусу.

3. Рентгенівське інспектування:

• Як ручний, так і автоматизований рентгенівський огляд (AXI) дозволяють перевіряти паяні з'єднання, які приховані під BGA. Рентгенівська візуалізація використовується для виявлення дефектів паяних кульок, мостиків, порожнин, обривів і стану «голова на подушці».

4. Електричне тестування:

• Тестування в ланцюзі та методом літаючого щупа підтверджують цілісність усіх з'єднань між BGA та друкованою платою.

5. Інші методи огляду:

• Акустичні та ІЧ-системи огляду також використовуються для виявлення складних дефектів (розшарування, порожнини та накопичення тепла).

Порівняння систем огляду

Передові технології інспектування

Розвиток технологій інспектування призвів до появи реального часу 3D AXI, рентгенівських систем з високою роздільною здатністю та програмного забезпечення, яке може автоматично позначати, коли температура занадто низька під час перефлюсу або коли ймовірна наявність дефекту, наприклад недостатнього припою.

Поради щодо інспектування якісних паяних з'єднань

• Регулярно калібруйте свої рентгенівські системи інспектування для оптимальної чіткості зображення та точного виявлення містків, порожнин і обривів.
• Використовуйте автоматичне рентгенівське інспектування (AXI) у масовому виробництві. Це прискорює процес складання, зберігаючи ретельність.
• Для прототипів поєднуйте рентгенівське інспектування з ручним оптичним контролем, оскільки людський зір іноді може виявити незначні дефекти, які автоматизовані системи пропускають.
• Поєднайте рентгенівський контроль з електричними методами тестування, щоб переконатися, що кожне коло, кероване пристроєм BGA, працює під навантаженням, а не лише в стані спокою.

Поширені дефекти BGA та способи їх уникнення

Навіть за наявності чудового проектування друкованої плати та BGA, різні дефекти можуть виникнути під час або після процесу паяння. Розуміння причин і профілактики є ключем до надійних кіл.

Типові дефекти паяння BGA

Загальні симптоми

• Переривчасті несправності на друкованій платі (наслідок обривів або холодних паяних з'єднань)
• Коротке замикання після початкової роботи (наслідок утворення містків припаювання)
• Відсутній сигнал або високий опір на вихідних контактах (через порожнини/ефект «голова в подушці»)

Як уникнути типових проблем із BGA

• Уважно проектуйте конфігурацію контактних майданчиків і крок кульок : Переконайтеся, що шаблон контактів для пристрою BGA точно відповідає корпусу.
• Контроль температури паяння : Уникайте перегріву або недостатньої температури паяння під час процесу рефлоу.
• Перевірка якості нанесення паяльного пасты : За можливості використовуйте автоматичні системи перевірки паяльної пасты та негайно виправляйте помилки, якщо на окремих площадках паста відсутня або її надлишок.
• Прожарювання гігроскопічних BGA-мікросхем перед паянням : Це запобігає ефекту "попкорнінгу" та збільшенню кількості пор, коли кульки у решітці плавляться.
• Завжди використовуйте рефлоу-печ із правильно налаштованим температурним профілем: Уніфікуйте температуру піку та тривалість для кожного процесу складання, щоб мінімізувати холодні або перепалені з'єднання.

Процес ремонту BGA: інструменти та методи

Коли під час збирання або перевірки виявляється дефектне паяне з'єднання або несправний компонент BGA, застосовується процес ремонту BGA. Систематичний підхід є вкрай важливим, щоб уникнути подальшої шкоди.

Інструменти та методи ремонту BGA

Станція для ремонту BGA:

Основним інструментом є станція, призначена для роботи з BGA.

Ці станції оснащені точним керуванням температури, візуальними системами для вирівнювання та спеціалізованими соплами гарячого повітря або інфрачервоними нагрівачами для локального нагрівання компонента BGA.

Інструмент гарячого повітря та ІЧ-попередній нагрівач:

Використання інструмента гарячого повітря дозволяє безпечно вилучити несправну деталь, не порушуючи при цьому суміжні паяні з'єднання.

ІЧ-попередній нагрівач обережно підігріває друковану плату, щоб запобігти деформації або тепловим ударам.

Візуальні системи та вирівнювання:

Сучасні станції мають камери або мікроскопи для точного вирівнювання паяних кульок по контактних площадках.

Інструменти для реболінгу:

Для пристроїв BGA, які потрібно повторно використовувати, «реболінг» замінює старі забруднені кульки припою на нові.

Принтер паяльної пасти або міні-трафарет:

Для нанесення потрібної кількості паяльної пасти на новий BGA.

Процес переробки BGA (крок за кроком)

Підготовка

Перевірте та підтвердьте наявність дефекту та ланцюга, який потрібно відремонтувати.

Видаліть вологу з друкованої плати та BGA за допомогою попереднього прогріву.

Вилучення

Використовуйте станцію для переробки, щоб локально нагріти компонент BGA.

Після плавлення кульок припою підніміть BGA за допомогою вакуумного інструменту.

Очищення майданчика та перевірка контактних майданчиків

Очистіть залишковий припій з контактних майданчиків друкованої плати; перевірте на підняття майданчика або пошкодження друкованої плати.

Встановлення нового BGA

Для нового BGA нанесіть паяльну пасту на майданчики, використовуйте орієнтири для точного розташування.

Плавлення припою

Використовуйте інструмент гарячого повітря або станцію переробки для плавлення нових кульок припою та утворення з'єднань між BGA та друкованою платою.

Фінальна перевірка

Виконайте рентгенівський контроль, візуальний огляд і електричне тестування за необхідності.

Найкращі практики для складання друкованих плат, плавлення та забезпечення якості

• Запобігайте дефектам, перевіряючи кожен етап: Від друку паяльної пастки та автоматичного розміщення компонентів до процесу плавлення та контролю.
• Використовуйте автоматичний рентгенівський контроль для друкованих плат із великою кількістю BGA : Ручний відбір дефектів у прихованих паяних кульках неможливий у великих масштабах.
• Контролюйте температуру паяння : Використовуйте термопари для налаштування профілю кожної плати, особливо для складних плат із високою щільністю компонентів.
• Зберігайте BGAs згідно з рекомендаціями виробників : Запобігайте окисленню паяних кульок та вбиранню вологи.

Поширені запитання

Питання: Чи можна використовувати ручне паяння для пристроїв BGA?

Відповідь: Ручне паяння, як правило, не підходить для монтажу BGA через прихований характер паяних з'єднань і дрібний крок. Однак воно відіграє важливу роль при переробці за допомогою спеціальних сопл гарячого повітря та точного візуального контролю.

Питання: Чи завжди потрібен рентген для перевірки BGA?

Відповідь: Так, для виробництва — оскільки паяні з'єднання розташовані під корпусом і не можуть бути повністю оцінені візуально або оптичними методами.

Питання: Які ознаки того, що процес паяння BGA вийшов з ладу?

A: Переривчасті сигнали, відсутність виводу або несправність пристрою; підтверджено за допомогою рентгенівського контролю або невдалих електричних випробувань.

Питання: Як уникнути поширених дефектів BGA під час процесу зварювання?

A: Правильне налаштування профілю пічі, ретельне проектування трафарету та регулярні методи перевірки мінімізують як очевидні, так і приховані дефекти.

Висновок

Розвиток корпусів типу ball grid array (BGA) став вирішальним для задоволення постійного попиту на менші за розміром, потужніші та надійніші електронні пристрої. Однак, паюнкові з'єднання пристроїв BGA — розташовані у вигляді сітки та приховані знизу корпусу — вимагають складних методів монтажу, ремонту та контролю. Від використання паяльних печей і сучасних станцій для ремонту BGA до необхідності застосування передових методів рентгенівського контролю — весь процес вимагає уваги до кожного деталю.

Уникнення поширених дефектів BGA вимагає надійного контролю процесу та зобов'язання використовувати правильні інструменти та методи перевірки. Поєднання якісного проектування, досвідченої техніки паяння, точного контролю та ретельного виправлення помилок забезпечує те, що кожна плата з високою щільністю монтажу — і кожна інтегральна схема всередині корпусу — виправдовує очікування щодо міцності та продуктивності.

Будьте на крок попереду в світі, що постійно розвивається, у виробництві друкованих плат — оволодійте паянням BGA, слідкуйте за сучасними технологіями контролю та інвестуйте в навички своєї команди.