Các lỗi hàn BGA: Kỹ thuật kiểm tra bằng tia X trên bảng mạch PCB và sửa chữa

Giới thiệu

Sự tiến bộ không ngừng của công nghệ đã thúc đẩy lĩnh vực điện tử hướng tới các thiết bị thông minh hơn, nhanh hơn và nhỏ gọn hơn. Nhu cầu về các sản phẩm này đã thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ mật độ cao, có thể được lắp ráp nhanh chóng và kết nối một cách đáng tin cậy với độ phức tạp ngày càng tăng của các mạch hiện đại. Các linh kiện mảng hình cầu (BGA) đã nổi lên như một giải pháp then chốt, nhờ khả năng tối đa hóa mật độ mạch và cải thiện hiệu suất trong quá trình lắp ráp PCB.

Ngành sản xuất điện tử hiện đại đã áp dụng rộng rãi các linh kiện BGA. Công nghệ này được sử dụng cả trong thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại thông minh và thiết bị chơi game, cũng như trong các lĩnh vực cao cấp như hàng không vũ trụ và điện tử y tế. Các doanh nghiệp sản xuất phải nắm vững kỹ thuật hàn linh kiện BGA, có khả năng vận hành hệ thống kiểm tra tia X, và thành thạo các kỹ thuật sửa chữa nâng cao đối với linh kiện BGA. Những kỹ năng kỹ thuật chuyên nghiệp này có giá trị lớn trong giai đoạn phát triển nguyên mẫu và cũng không thể thiếu trong các quy trình sản xuất hàng loạt. Việc làm chủ toàn diện hệ thống kỹ thuật này đảm bảo sản phẩm cuối cùng đáp ứng các tiêu chuẩn về hiệu năng.

Hàn Ball Grid Array ( Bga ) là gì?

Ball Grid Array: Cấu trúc và Đóng góp trong lắp ráp mạch

Mảng bóng dẫn (BGA) là công nghệ đóng gói vi mạch, trong đó các quả cầu hàn được sắp xếp theo dạng lưới bên dưới thiết bị BGA. Trong quá trình lắp ráp, các quả cầu này nóng chảy và tạo thành kết nối cơ học và điện giữa vỏ bọc và bo mạch in (PCB). Khác với các loại vỏ truyền thống, các mối hàn BGA bị che khuất — khiến chúng không thể kiểm tra bằng mắt thường đơn giản, làm tăng sự phụ thuộc vào các công nghệ kiểm tra tiên tiến như kiểm tra bằng tia X.

Cách hàn BGA lên bo mạch in (PCB)

• Bước 1: Thiết kế diện tích tiếp xúc trên PCB sao cho khớp chính xác với các quả cầu hàn.
• Bước 2: Áp dụng kem hàn lên PCB bằng khuôn in, nhằm cung cấp lượng hàn chính xác cho từng điểm tiếp xúc.
• Bước 3: Đặt linh kiện BGA sao cho mỗi quả cầu khớp với điểm tiếp xúc tương ứng.
• Bước 4: Khối lắp ráp PCB được đưa qua lò hàn hồi lưu, làm nóng mạch để các quả cầu trong mảng nóng chảy đầy đủ và tạo thành kết nối giữa BGA và PCB.
• Bước 5: Sau khi làm nguội, các quả cầu hàn BGA đã đông đặc lại, tạo thành các mối nối đáng tin cậy.

Cấu trúc mối hàn Ball Grid Array

Phát triển và Tính năng của Thiết bị BGA

Sự phát triển của công nghệ mảng chân hình cầu được thúc đẩy bởi nhu cầu tăng mật độ I/O và cải thiện hiệu suất trong các cụm điện tử. Khi mạch tích hợp bên trong vỏ tạo ra nhiều nhiệt hơn và đòi hỏi các kết nối chắc chắn hơn, BGA đã trở thành một bước tiến then chốt.

Tính năng chính của BGA:

• Sắp xếp theo Mẫu Lưới: Các viên hàn được bố trí theo hàng và cột ở mặt dưới của vỏ cho phép tăng mật độ chân.
• Hiệu suất điện được cải thiện: Các kết nối hàn ngắn và trực tiếp làm giảm thiểu điện trở và cảm kháng, điều này rất quan trọng đối với các mạch tốc độ cao.
• Quản lý nhiệt: Diện tích đệm lớn và phân bố theo lưới cho phép nhiệt sinh ra bởi mạch tích hợp tản ra hiệu quả hơn.
• Tương thích với PCB Mật độ Cao: BGA hỗ trợ khoảng cách nhỏ giữa các viên hàn—có lợi cho việc lắp ráp PCB mật độ cao.
• Cải thiện độ tin cậy: Hình học và cấu trúc phân bố ứng suất đều, giảm nguy cơ mỏi mối hàn.

Tại Sao BGA Chiếm Ưu Thế Trong Thiết Kế Mạch In Hiện Đại

Sự chuyển dịch sang BGA và các liên kết PCB xuất phát từ nhu cầu về các thiết bị có thể xử lý hiệu suất tốc độ cao, công suất lớn hơn và nhiều kết nối hơn mà không làm tăng kích thước mạch in. Bước tiến công nghệ này dẫn đến việc gần như tất cả các bộ xử lý, FPGA và bộ nhớ tốc độ cao đều được đóng gói dưới dạng IC BGA trong các thế hệ sản phẩm điện tử mới nhất.

Các Kỹ Thuật Hàn BGA

Tổng Quan Về Các Kỹ Thuật Hàn BGA

Việc hàn gói BGA đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn đáng kể so với các gói có chì thông thường. Quy trình này nhằm đảm bảo sự nhất quán hoàn toàn trong việc đặt các viên hàn. Các mục tiêu chính bao gồm đạt được kiểm soát chính xác nhiệt độ gia nhiệt. Quy trình cuối cùng yêu cầu tạo ra các mối hàn sạch và không có khoảng rỗng (void).

Các Kỹ Thuật Hàn Bao Gồm:

• Quy Trình Hàn Lại: Phương pháp tiêu chuẩn, sử dụng lò hàn lại để làm nóng và làm chảy toàn cục hoặc cục bộ các viên hàn được đặt giữa gói linh kiện và mạch in (PCB).
• Hàn Thủ Công: Được sử dụng chủ yếu để sửa chữa lại bga hoặc lắp ráp nguyên mẫu—thường liên quan đến việc làm nóng cục bộ thành phần BGA bằng công cụ khí nóng.
• Sử dụng Trạm Sửa chữa bằng Khí Nóng: Đối với sửa chữa/lắp ráp lại, nguồn khí nóng được kiểm soát và/hoặc nguồn hồng ngoại sẽ làm nóng khu vực xung quanh thành phần BGA bị lỗi để tháo ra, thay thế hoặc hàn lại.
• Căn chỉnh và Đặt vị trí: Các hệ thống gắp và đặt hoặc kính hiển vi thủ công căn chỉnh chính xác các quả cầu hàn lên các miếng hàn tương ứng trên bảng mạch in (PCB).

Các Biến số Hàn BGA Quan trọng

Mẹo để Hàn BGA Hoàn Hảo

• Luôn kiểm tra lớp kem hàn trước khi đặt linh kiện—một điểm bị thiếu đồng nghĩa với một mối hàn bị thiếu.
• Cẩn thận nâng đỡ mạch in (PCB) trong quá trình gia nhiệt để tránh cong vênh, vì điều này gây ra hiện tượng hình thành mối hàn không đều.
• Đối với mẫu thử nghiệm và sửa chữa BGA, hãy bắt đầu với các mạch in phế liệu để hoàn thiện kỹ thuật gia nhiệt cục bộ linh kiện BGA trước khi chuyển sang các cụm linh kiện giá trị cao.

Các Kỹ thuật Kiểm tra Mối hàn và Công nghệ Kiểm tra

Tại sao Kiểm tra lại Quan trọng

Vì các mối hàn BGA được che khuất bên dưới vỏ bọc, việc xác định lỗi chỉ bằng các dấu hiệu trực quan là gần như không thể. Điều này khiến việc kiểm tra bằng tia X, cùng với các kỹ thuật kiểm tra khác (kiểm tra quang học, kiểm tra điện), trở thành phần thiết yếu của quy trình.

Các Kỹ thuật Kiểm tra cho BGA

1. Kiểm tra bằng mắt:

• Được dùng để định vị, căn chỉnh và quan sát các chấm hàn ở vùng rìa của vỏ bọc.

2. Kiểm tra Quang học (AOI):

• Kiểm tra quang học tự động phát hiện các lỗi đặt sai vị trí, khoảng cách không đúng và một số lỗi nối tắt tại cạnh gói linh kiện.

3. Kiểm tra bằng Tia X

• Cả kiểm tra tia X thủ công và tự động (AXI) đều cho phép bạn kiểm tra các mối hàn ẩn bên dưới BGA. Hình ảnh tia X được sử dụng để kiểm tra các lỗi bi hàn, nối tắt, khoảng rỗng, hở mạch và hiện tượng 'đầu trên gối'.

4. Kiểm Tra Điện:

• Kiểm tra mạch nội và kiểm tra đầu dò bay xác nhận sự liền mạch của tất cả các kết nối giữa BGA và PCB.

5. Các Phương Pháp Kiểm Tra Khác:

• Các hệ thống kiểm tra âm học và hồng ngoại (IR) cũng được sử dụng để phát hiện lỗi nâng cao (bong lớp, khoảng rỗng và tích tụ nhiệt).

So sánh các Hệ thống Kiểm tra

Công nghệ kiểm tra tiên tiến

Sự phát triển của công nghệ kiểm tra đã mang lại hệ thống AXI 3D thời gian thực, hệ thống tia X độ phân giải cao và phần mềm có thể tự động cảnh báo khi nhiệt độ quá thấp trong quá trình hàn hoặc khi xuất hiện lỗi như lượng thiếc hàn không đủ.

Mẹo kiểm tra mối hàn chất lượng cao

• Hiệu chuẩn định kỳ hệ thống kiểm tra tia X để đạt được hình ảnh rõ nét nhất và phát hiện chính xác các hiện tượng nối cầu, rỗ khí và hở mạch.
• Sử dụng kiểm tra tia X tự động (AXI) trong sản xuất hàng loạt. Phương pháp này giúp tăng tốc quá trình lắp ráp mà vẫn đảm bảo độ kỹ lưỡng.
• Đối với mẫu thử nghiệm, kết hợp kiểm tra tia X với kiểm tra quang học thủ công, vì mắt người đôi khi có thể phát hiện những lỗi tinh vi mà hệ thống tự động bỏ sót.
• Kết hợp kiểm tra tia X với các phương pháp kiểm tra điện để đảm bảo mỗi mạch điều khiển bởi thiết bị BGA hoạt động đúng dưới tải, chứ không chỉ ở trạng thái nghỉ.

Các lỗi thường gặp ở BGA và cách phòng tránh

Ngay cả với thiết kế PCB và BGA tốt, các lỗi khác nhau vẫn có thể xảy ra trong hoặc sau quá trình hàn. Việc hiểu rõ nguyên nhân và cách phòng ngừa là yếu tố then chốt để tạo ra các mạch bền vững.

Các lỗi hàn BGA điển hình

Các triệu chứng phổ biến

• Lỗi ngắt quãng trên bảng mạch (kết quả của các mối nối hở hoặc mối hàn lạnh)
• Ngắn mạch sau khi vận hành ban đầu (kết quả của cầu hàn)
• Không có tín hiệu hoặc điện trở cao ở các chân ra (do các vết rỗng/đầu nằm trên gối)

Cách tránh các sự cố BGA thường gặp

• Thiết kế mẫu pad và bước bóng cẩn thận : Đảm bảo mẫu footprint của thiết bị BGA khớp chính xác với gói linh kiện.
• Kiểm soát nhiệt độ hàn : Tránh quá nhiệt hoặc nhiệt độ hàn không đủ trong quá trình hàn hồi lưu.
• Kiểm tra chất lượng in kem hàn : Sử dụng máy kiểm tra kem hàn nếu có thể và điều chỉnh ngay lập tức nếu bất kỳ pad nào bị thiếu hoặc quá nhiều kem hàn.
• Sấy khô IC BGA nhạy cảm với độ ẩm trước khi hàn : Điều này tránh hiện tượng "nổ bỏng ngô" và mở rộng các khoảng rỗng khi các chấm hàn trong lưới nóng chảy.
• Luôn sử dụng lò hàn hồi lưu được thiết lập chế độ phù hợp: Chuẩn hóa nhiệt độ đỉnh và thời gian duy trì cho từng quy trình lắp ráp để giảm thiểu các mối hàn lạnh hoặc cháy.

Quy trình sửa chữa BGA: Công cụ và Kỹ thuật

Khi lắp ráp hoặc kiểm tra phát hiện mối hàn lỗi hoặc thành phần BGA hỏng, quy trình sửa chữa BGA sẽ được thực hiện. Một phương pháp hệ thống là rất quan trọng để tránh gây thêm hư hại.

Công cụ và Kỹ thuật cho Sửa chữa BGA

BGA Rework Station:

Công cụ cốt lõi là một trạm tái chế được thiết kế cho BGA.

Các trạm sửa chữa này đi kèm với các bộ điều khiển nhiệt độ chính xác, hệ thống thị giác để sắp xếp và vòi khí nóng chuyên dụng hoặc máy sưởi hồng ngoại để làm nóng cục bộ thành phần BGA.

Công cụ không khí nóng và máy làm nóng trước IR:

Sử dụng công cụ không khí nóng cho phép loại bỏ an toàn bộ phận bị lỗi mà không làm phiền các khớp hàn liền kề.

Máy làm nóng trước IR làm nóng nhẹ bảng mạch để ngăn chặn biến dạng hoặc sốc nhiệt.

Hệ thống và sự liên kết thị giác:

Các trạm hiện đại bao gồm máy ảnh hoặc kính hiển vi để sắp xếp các quả bóng hàn vào các miếng đệm với các quả bóng hàn chính xác.

Công cụ tái tạo:

Đối với các thiết bị BGA cần được sử dụng lại, reballing thay thế các quả bóng hàn cũ, bị ô nhiễm bằng những quả bóng mới.

Máy in dán hàn hoặc Mini Stencil:

Để đặt đúng lượng hàn cho BGA mới.

Quá trình sửa đổi BGA (Bước từng bước)

Chuẩn bị

Kiểm tra và xác nhận khiếm khuyết và mạch được sửa chữa.

Loại bỏ độ ẩm từ PCB và BGA bằng cách nướng trước.

Loại bỏ

Sử dụng trạm sửa chữa để làm nóng cục bộ các thành phần BGA.

Khi các quả cầu hàn đã tan chảy, nâng BGA bằng công cụ hút bụi.

Làm sạch và kiểm tra sàn

Làm sạch mỡ hàn dư thừa từ các tấm PCB; kiểm tra nâng tấm hoặc thiệt hại PCB.

Đặt BGA mới

Đối với BGA mới, áp dụng mài hàn vào miếng đệm, sử dụng hướng dẫn sắp xếp vị trí.

Lắp đặt lại dây hàn

Sử dụng công cụ không khí nóng hoặc điều khiển trạm sửa chữa để tái chảy các quả bóng hàn mới và tạo ra các kết nối giữa BGA và PCB.

Kiểm tra cuối cùng

Thực hiện kiểm tra tia X, kiểm tra trực quan và kiểm tra điện nếu cần thiết.

Thực hành tốt nhất cho PCB lắp ráp, dòng chảy lại và chất lượng

• Ngăn ngừa lỗi bằng cách xác nhận từng bước: Từ in dán và chọn và đặt qua để reflow và kiểm tra.
• Sử dụng kiểm tra tia X tự động cho PCB có số lượng BGA cao : Chọn lỗi bằng tay trong các quả bóng hàn ẩn không thể thực hiện được ở quy mô lớn.
• Kiểm tra nhiệt độ hàn : Xác định từng tấm bằng cách sử dụng nhiệt cặp, đặc biệt là cho các tấm phức tạp, mật độ cao.
• Lưu trữ BGA theo khuyến nghị của nhà sản xuất : Ngăn ngừa oxy hóa và hấp thụ độ ẩm của quả bóng hàn.

Các câu hỏi thường gặp

Q: Có thể dùng hàn bằng tay cho các thiết bị BGA không?

A: Xả bằng tay thường không phù hợp với lắp ráp BGA do bản chất ẩn và mỏng của các khớp xả. Tuy nhiên, nó đóng một vai trò quan trọng trong việc chế biến lại bằng cách sử dụng vòi khí nóng đặc biệt và kiểm tra trực quan chính xác.

Q: X-quang luôn cần thiết cho kiểm tra BGA?

Đáp: Có, cho sản xuất vì các khớp hàn được ẩn bên dưới gói và không thể đánh giá đầy đủ bằng kỹ thuật thị giác hoặc quang học.

Q: Những dấu hiệu nào cho thấy quy trình hàn BGA đã thất bại?

A: Các tín hiệu gián đoạn, không có đầu ra hoặc lỗi thiết bị; được xác nhận bằng kiểm tra tia X hoặc thử nghiệm điện không thành công.

Hỏi: Làm thế nào để tránh các khiếm khuyết BGA phổ biến trong quá trình tái lưu?

Đáp: Việc thiết kế nồi đúng, thiết kế mẫu mực cẩn thận và kỹ thuật kiểm tra thường xuyên sẽ giảm thiểu cả những khiếm khuyết rõ ràng và tinh tế.

Kết Luận

Sự phát triển của bao bì lưới bóng lưới đã là trọng tâm trong việc đáp ứng nhu cầu không ngừng đối với các thiết bị điện tử nhỏ hơn, mạnh hơn và đáng tin cậy hơn. Tuy nhiên, các khớp hàn của các thiết bị BGA sắp xếp theo mô hình lưới và ẩn ở dưới cùng của gói đòi hỏi các kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa và kiểm tra phức tạp. Từ việc sử dụng lò sưởi và trạm sửa bga hiện đại đến sự cần thiết của kiểm tra tia X tiên tiến, toàn bộ quá trình đòi hỏi sự chú ý đến từng chi tiết.

Tránh các khiếm khuyết phổ biến của BGA đòi hỏi kiểm soát quy trình mạnh mẽ và cam kết sử dụng các công cụ và phương pháp kiểm tra phù hợp. Sự giao thoa của thiết kế tốt, kỹ thuật hàn chuyên nghiệp, kiểm tra chính xác và làm lại cẩn thận đảm bảo rằng mỗi bảng mạch mật độ cao và mỗi mạch tích hợp bên trong gói sẽ cung cấp lời hứa về độ bền và hiệu suất.

Hãy đi trước trong thế giới PCB liên tục phát triển của lắp ráp bơm BGA chủ, giữ công nghệ kiểm tra hiện tại, và đầu tư vào kỹ năng của nhóm của bạn.