Аналіз дефектів і вдосконалення процесу паяних з'єднань BGA

Перевірити якість спаювання BGA складно через те, що кульки припою знаходяться під мікросхемою. Без контрольного обладнання візуально перевірте, чи зовнішнє паяльне кільце сумісне, і огляньте мікросхему проти світла. Якщо кожен рядок і стовпець можуть пропускати світло, то можна зробити висновок, що суцільного зварювання немає. Іноді також можна побачити припій більшого розміру. Щоб чіткіше судити про якість паяних з'єднань, необхідно також використовувати рентгенівський контрольний прилад.

Традиційне обладнання для двовимірної рентгенівської прямої рентгенографії є ​​відносно дешевим. Однак у нього є недолік. Паяні з'єднання з обох боків друкованої плати проявляються одночасно на одному фото. Коли компоненти присутні з обох сторін в одному місці, їхні тіні спаювання перекриваються. Це ускладнює розрізнення сторони компонента. Якщо є дефект, незрозуміло, в якому шарі проблема. Таким чином, вимога щодо точного визначення дефектів зварювання не може бути виконана.

Наш інспектор рентгенівських плат — це рентгенівське томографічне обладнання для перевірки паяних з’єднань. Звичайно, він може не тільки перевірити BGA, але й перевірити паяні з’єднання всіх пакетів на друкованій платі. Хоча раніше вважалося, що таке обладнання занадто дороге, вартість перевірки паяних з’єднань була занадто високою. Але завдяки все більш широкому застосуванню пристроїв BGA люди змогли прийняти це дороге обладнання.

X-Ray використовує рентгенівську томографію. Через нього кульки припою можуть нашаровуватися, створюючи томографічний ефект. Зображення рентгенівської томографії можна використовувати для автоматичного аналізу паяних з’єднань на основі оригінальних проектних даних CDA та параметрів, встановлених користувачем. Він виконує томографічне сканування в режимі реального часу та може точно порівнювати та аналізувати всі паяні з’єднання всіх компонентів з обох сторін друкованої плати протягом десятків секунд або 2 хвилин (залежно від кількості та складності паяних з’єднань на друкованій платі). Зробіть висновок, кваліфікована зварювання чи ні. Чому рентгенівська томографія може отримати результати дуже високої чіткості? Це визначається принципом його роботи.

Рентгенівське випромінювання рентгенівської системи генерується рентгенівською трубкою, розташованою у верхньому кінці пристрою. При роботі напруга повинна бути підвищена з 220В до 160КВ, а сила струму - 100мА. Електронні пучки, створювані при високій напрузі, опромінюють металевий вольфрам для генерації рентгенівського випромінювання. Цей пучок рентгенівських променів падає вниз і обертається з високою швидкістю 760 обертів на секунду. У той же час платформа сцинтилятора внизу також обертається синхронно з рентгенівським випромінюванням з тією ж швидкістю.

Сцинтиляторна платформа фактично є чутливим до рентгенівського випромінювання приймачем. Взагалі кажучи, метали, важкі метали, такі як олово та свинець, не пропускають рентгенівські промені та утворюють темну сцену. У звичайну матерію рентгенівські промені проникають, і нічого не видно. Рентгенівське випромінювання збирається в певному місці між джерелом світла та платформою сцинтилятора, і з’являється площина збору. Об’єкти або зображення на площині фокусування утворюють чітке зображення на платформі сцинтилятора. Але об’єкти або зображення, які не знаходяться на площині збирання, розмиваються на платформі сцинтилятора, залишаючи лише тінь.

 

Принцип рентгенологічної томографії показаний на малюнку. Тому томографію проводять на паяних з’єднаннях різної висоти на друкованій платі. Якщо ви хочете перевірити стан спаювання певного шару, вам потрібно лише підігнати цей шар до положення площини збирання, і результати сканування будуть чітко відображені. Це чітке зображення буде зроблено рентгенівською камерою під пристроєм.

Незалежно від того, яке контрольне обладнання використовується для перевірки, має бути підстава для оцінки якості паяних з’єднань. IPC-A-610C конкретно визначає критерії прийнятності для паяних з’єднань BGA. Вимоги до переважних паяних з’єднань BGA полягають у тому, щоб паяні з’єднання були гладкими, круглими, з чіткими межами та без пустот. Діаметр, об’єм, шкала сірого та контрастність усіх паяних з’єднань однакові, положення вирівняно, немає зсуву чи скручування, немає кульки припою.

Після завершення дотримується кращий стандарт, але трохи пом’якшений для кваліфікованих паяних з’єднань. Для вирівняних положень паяне з’єднання BGA може мати зсув не більше ніж на 25% відносно майданчика. Куля припою не повинна перевищувати 25% відстані між найближчими кульками припою.

Типові дефекти BGA включають: паяні з’єднання, розриви ланцюгів, відсутні кульки припою, великі пустоти, великі кульки припою та нечіткі краї паяних з’єднань. Нижче наведено список рентгенівських фотографій, які зустрічаються під час фактичної роботи, включаючи більшість вищезгаданих дефектів.

Одна проблема, яка все ще є предметом суперечок, це критерії прийнятності пустот у BGA. Проблема пустоти не є унікальною для BGA. Паяні з’єднання для наскрізних отворів і компонентів для поверхневого монтажу та наскрізних отворів зазвичай можна перевірити візуально на наявність пустот, а не рентгенівськими променями. У BGA, оскільки всі паяні з’єднання приховані під упаковкою, їх можна перевірити лише за допомогою рентгенівського випромінювання. Звичайно, рентгенівські промені можна використовувати для перевірки не тільки паяних з’єднань BGA, але й усіх видів паяних з’єднань. За допомогою рентгена можна легко виявити порожнечі.

Отже, порожнеча повинна мати негативний вплив на надійність BGA? невизначений. Деякі навіть кажуть, що спорожнення корисне для надійності. Стандарт IPC-7095 під назвою «Процес проектування та складання для реалізації BGA» містить детальні вказівки щодо технології проектування та складання BGA. Комітет IPC-7095 визнає, що невеликі неминучі порожнечі можуть бути корисними для надійності. Однак для визначення прийнятного розміру порожнеч повинен існувати певний стандарт.

Де можна знайти порожнечі під час перевірки паяного з’єднання BGA? Кульки для припою BGA можна розділити на три шари: один — шар компонента (підкладка, розташована поруч із компонентом BGA), один — шар контактної поверхні (підкладка, розташована поблизу друкованої плати), а інший — середній шар кульки для припою. Залежно від обставин сечовипускання може статися в будь-якому з цих трьох шарів.

Коли з'явилася порожнеча? Кульки для припою BGA самі по собі можуть мати порожнечі перед пайкою, таким чином утворюючи порожнечі після завершення процесу пайки оплавленням. Це може бути пов’язано з утворенням пустот у процесі виготовлення кульок припою або проблемою з матеріалом паяльної пасти, нанесеним на поверхню друкованої плати. Крім того, конструкція друкованої плати також є основною причиною утворення пустот.

Наприклад, якщо прохідний отвір розроблено під прохідною площадкою, під час процесу паяння зовнішнє повітря надходить у розплавлену кульку припою через прохідний отвір, і після завершення пайки та охолодження в кульці припою залишиться порожнина.

Порожнечі в шарі прокладки можуть виникати через випаровування флюсу в паяльній пасті, надрукованій на прокладці під час процесу паяння оплавленням, газ виходить із припою під час глибокого проварювання, а пустоти утворюються після охолодження. Погане покриття прокладки або забруднення поверхні прокладки можуть бути причиною пустот у шарі прокладки.

Шар компонентів часто є областю з найвищою ймовірністю пустот, розташованою між центром кульки припою та підкладкою BGA. Це може бути пов’язано з бульбашками повітря та випаровуванням флюсового газу на панелі BGA під час пайки оплавленням на друкованій платі. При об’єднанні утворюється порожнеча. Якщо крива температури оплавлення недостатньо довга в зоні оплавлення, бульбашки повітря та випарений газ у флюсі не встигають вийти, і розплавлена ​​пластина припою потрапляє в зону охолодження та стає твердою, утворюючи порожнину.

Тому профіль температури оплавлення є причиною утворення пустот. BGA евтектичного припою 63n/37Pb, швидше за все, має порожнечі, а BGA, що складається з недозволених евтектичних високоплавких кульок припою 10Sn/90Pb, має температуру плавлення 302°C і зазвичай не має порожнеч. Кульки припою на BGA не плавляться під час процесу проточної пайки.

Наявність газу в порожнині може спричинити напругу усадки та розширення під час термічного циклу. Розташування порожнини стане точкою концентрації напруги і може стати основною причиною тріщин під напругою.
Однак наявність порожнеч зменшує механічне навантаження на кульки припою, зменшуючи надлишковий простір, що створюється кульками припою. Конкретне зменшення залежить від розміру, розташування, форми та інших факторів порожнини.

Критерії прийняття/відхилення пустот, зазначені в IPC-7095, в основному розглядають два моменти: положення та розмір пустот. Незалежно від того, де існує порожнеча, чи є вона в середині кульки припою, у шарі прокладки чи шарі компонента, залежно від розміру та кількості порожнечі, це вплине на якість і надійність. Невеликі кульки припою допускаються всередині кульок припою. Відношення простору, зайнятого порожнечею, до простору кульки припою можна розрахувати таким чином: наприклад, діаметр порожнечі становить 50% діаметра кульки припою, тоді площа, зайнята порожнечею, дорівнює 25 % площі кульки припою.

Стандарт IPC визначає, що порожнечі в шарі прокладки не повинні перевищувати 10% площі кульки припою. Пустоти, що перевищують 25%, вважаються дефектами, що становлять ризик для механічної та електричної надійності. Для порожнеч від 10% до 25% рекомендується покращити процес, щоб усунути або зменшити їх.

Коли BGA евтектичного припою утворює паяні з’єднання під час процесу пайки, паяльну пасту, нанесену на друковану плату, і кульки припою, що містяться в компонентах, необхідно сплавити разом. Цей процес ділиться на дві стадії колапсу. Перший етап руйнування полягає в тому, що паяльна паста на друкованій платі спочатку плавиться, і компоненти руйнуються. На другому етапі кульки припою самих компонентів також плавляться і зливаються з розплавленою пастою на друкованій платі, і кульки припою знову згортаються, утворюючи сплюснуте паяне з’єднання.

У процесі зварювання необхідно стежити за природним переходом кривої зварювання, щоб апарат рівномірно нагрівався, особливо в

зоні зварювання, необхідно переконатися, що всі паяні з'єднання повністю розплавлені. Якщо температура недостатня, можуть утворитися холодні паяні з’єднання, що спричинить шорсткість поверхонь паяних з’єднань або неповне розплавлення під час другої стадії осадки. Це може призвести до тріщин між паяльною пастою на поверхні друкованої плати та припоєм компонента, що призведе до віртуальної або відкритої пайки.

В’язкість паяльної пасти допомагає тимчасово захистити пристрій і запобігти утворенню перемичок припою під час плавлення. Для шаблонів BGA отвір паяного з’єднання зазвичай становить 70-80% розміру контактної площадки, а товщина шаблону зазвичай становить 0.15 мм (6 mil).

Якщо деякі процеси повинні бути розроблені під колодками, ви також повинні знайти відповідного виробника друкованої плати. Положення колодки має бути просвердлено, і слід уникати несанкціонованого збільшення колодки. Це пояснюється тим, що наскрізний отвір не можна просвердлити занадто маленьким. У результаті кількість олова та висота будуть відрізнятися після спаювання між великою та малою площадками. Зварити або відкрити ланцюг.

Перед паянням BGA переконайтеся, що паяльна маска навколо майданчика кваліфікована, а отвори покриті бар’єрною плівкою. Додавання резистної плівки для припою з іншого боку друкованої плати під час виробництва неефективно. Призначення плівки для припою – запобігти утворенню повітря та пустот під час пайки, а також запобігти протіканню припою через наскрізні отвори.

Друк паяльної пасти без доопрацювання дозволяє уникнути надлишку припою та покращити якість пайки. Прохідні отвори покриті покриттям, тому надлишок припою або проблеми з паянням можуть спричинити фактичні короткі дефекти та короткі замикання. Переробка BGA є крайнім засобом, оскільки вона займає багато часу.

Для успішного паяння BGA нам потрібні відповідні кульки для припою та інструменти для переробки. Посадка кульок має низький рівень успіху та витрачає ресурси. Відремонтовані мікросхеми витримують принаймні 4 цикли оплавлення, що впливає на надійність. Добре підготуйтеся перед паянням BGA, щоб мінімізувати дефекти та досягти високої швидкості проходження. Наша мета - усунути дефекти без ремонту.