Bga монтаж печатных плат

Монтаж компонентов в корпусах BGA

Авторы: Илья Лейтес , главный технолог ООО «РТС Инжиниринг»

Компоненты в корпусах BGA (Ball Grid Array — матрица шариковых выводов) представляют собой самый сложный элемент в классической технике поверхностного монтажа и вызывают максимальное число вопросов у технологов в связи с большим количеством дефектов, возникающих при пайке и проявляющихся на заключительных стадиях изготовления электронного узла, включая испытания. В статье приводится ряд технологических приемов, примеры оборудования и оснастки, что позволяет минимизировать подобные дефекты, появляющиеся в процессе монтажа.

Рис. 1. Микросхема в корпусе BGA (768 выводов с шагом 1 мм)

MSL	Срок годности	Условия
1	Не ограничено	≤+30 °С / 85% RH
2	1 год	≤ +30 °С / 60% RH
2а	4 недели
3	168 ч
4	72 ч
5	48 ч
5а	24 ч
6	Время на этикетке

Учитывая сравнительно высокую стоимость микросхем в корпусах BGA (особенно микро процессорных) (рис. 1) и техническую сложность их замены, становится очевидным стремление к минимизации в первую очередь дефектов монтажа и пайки компонентов этого типа. Рекомендации по обеспечению этой задачи можно представить в виде нескольких этапов, реализация которых является необходимым и достаточным условием достижения поставленной цели.

Подготовка и хранение компонентов Корпуса BGA, особенно в пластмассовых корпусах,крайне чувствительны к накоплению влаги из окружающего воздуха. Стандарт IPC (IPC/JEDEC JSTD020C «Классификация по уровню чувствительностик влажности негерметичных твердотельных компонентов поверхностного монтажа при пайке оплавлением») [1] специфицирует 8 уровней чувствительности компонентов к влаге (MSL — Moisture SensitiveLevel) (таблица).

Период с момента вскрытия защищенной от влажности вакуумной упаковки (Floor Life) до начала пайки определяет срок годности компонента. Наивысший уровень (MSL1) означает, что компонент не требует ни специальной вакуумной упаковки, ни температурной обработки перед процессом его монтажа, а также имеет неограниченный срок годности. При традиционной технологии («oловосвинец»)и температурах пайки, не превышающих 220–230 °C,защищенная вакуумная упаковка необходима лишь для интегральных схем крупных размеров, например BGA и PQFP с большим числом выводов.

При переходе на бессвинцовую технологию и температуры,на 30–40 °C превышающие температуру обычной пайки, целесообразно ориентироваться на пониженный (более жесткий) как минимум на одну ступень уровень MSL для компонентов в пластмассовой конструкции средних, а иногда и малых размеров.

По истечении срока годности (хранения в некондиционированных условиях), предусмотренного классификацией, безопасная для компонента пайка возможна только после процесса сушки, который требует тепловой обработки в печи в течение от 24 до 48 ч при температурах от +90 до +125 °C (применение вакуумной сушки увеличивает эффективность процедуры).

Как уже было сказано, компоненты в корпусах BGA и PQFP поставляются в вакуумной упаковке,однако по логистическим или производственным соображениям ее часто вскрывают потребители. Для того чтобы не тратить время на длительную сушку перед пайкой и избавиться от необходимости вести учет времени хранения компонентов после вскрытия данной упаковки до пайки, но при этом выполнить все требования обращения с компонентами, чувствительными к влаге, целесообразно оснаститьсборочно-монтажное производство шкафами сухого хранения (рис. 2).

Рис. 2. Шкафы сухого хранения серии X2M

Представленные в качестве примера шкафы предназначены для хранения материалов,чувствительных к влажности, поддерживают уровень влажности менее 5%, эффективно предупреждают окисление. Вот почему в этих шкафах следует осуществлять и межоперационное хранение всех элементов электронного модуля, подвергаемых мощному термическому воздействию групповой пайки поверхностного монтажа, чтобы избежать негативного проявления эффекта накопленной влаги.

Реболлинг (замена шариковых выводов)

Неоднократно обращался к проблеме реболлигнга, поэтому в данной статье не буду растекаться по древу, а интересующихся подробностями отошлю к [2, 3]. Тем не менее коротко повторю. Наиболее надежным для компонентов BGA является паяное соединение, все элементы которого состоят из свинцовооловянной эвтектики (ПОС61, Sn62, Sn63). Шарики иного состава (в том числе Sn100, SAC,Pb90Sn10 и пр. ) для компонентов, используемых в электронных модулях для спецтехники,следует заменить с помощью операции реболлинга.

Причем шарики надо устанавливать на припойную пасту (а не флюс-клей, который не может обеспечить достаточное количество припоя для формирования качественного паяного соединения). Предвижу традиционное возражение: «Но при этом мы потеряем гарантию». Да, потеряете, зато получите надежное паяное соединение. Можно не менять шарики и сохранить гарантию, и в результате получить малонадежное соединение.

Рис. 3. Ремонтный центр PDR

Рис. 4. Фидер для шариков, которым могут оснащаться установщики Europlacer

Выберите сами, что для вас важнее. Реболлинг является востребованной в мировой практике операцией, а потому на рынке имеется большое количество материалов (шарики широкой номенклатуры, припойные пасты), оборудования (ремонтные центры, фидера для подачи шариков в установщиках) (рис. 3, 4) и оснастки (трафареты и ракели для локального нанесения припойной пасты и шариков) (рис. 5), обеспечивающие еt реализацию. В частности, представленный в качестве примера на рис. 4 ремонтный центр оснащен бесконтактным контролем температуры компонента/ПП, инновационной системой ИК-нагрева, возможностью оптического совмещения компонента с посадочным местом.

Пайка компонентов в корпусах BGA

Компоненты BGA, как и многие другие аналогичные компоненты, при всей сложности их монтажа обладают замечательным свойством самоцентрирования в момент расплавления припоя и формирования паяного соединения. Это свойство обусловлено силами поверхностного натяжения при смачивании расплавленным припоем соединяемых элементов. Оно нивелирует дефекты совмещения, сдвиг компонентов относительно друг друга и реализуется при соблюдении двух основных условий: припой должен смочить соединяемые поверхности,корпус должен иметь возможность смещаться,то есть не быть заневоленым.

Рис. 6. Припойная паста на ламелях посадочного места BGA

При пайке компонентов BGA следует иметь в виду, что при монтаже многовыводных корпусов BGA (со стороной 30 мм и более) предъявляются жесткие требования по копланарности как корпуса, таки печатной платы в месте монтажа компонента. Эти условия должны обеспечиваться в том числе и в момент нагрева обеих деталей до температуры пайки. Частично некопланарность может быть компенсирована толщиной слоя припойной пасты, нанесенной на ламели печатной платы.

Обычно это 0,15 мм и определяется толщиной трафарета (рис. 6). Поведение печатной платы в части коробления при температурных воздействиях труднопрогнозируемо и минимизируется конструктивными приемами. Основными из них — симметрия поперечного сечения многослойных печатных плат, структура многослойных печатных плат с фольгой на наружных слоях, баланс меди.

Аналогичные процессы могут происходить в динамическом режиме при механических воздействиях (вибрации, ударах, ускорении)и могут быть, как правило, решены оптимизацией конструкционных решений по механической фиксации печатной платы в корпусе. Основные виды дефектов, возникающих при пайке BGA, причины их появления и способы борьбы с ними достаточно подробно рассмотрены в международном стандарте IPC7095B «Проектирование и реализация процессов монтажа с применением BGA» [4].

Контроль качества паяных соединений

Контроль качества паяных соединений корпусов с матрицей шариковых выводов обладает особенностями, в первую очередь связанными с ограниченными возможностями их визуализации. Приборы визуального контроля позволяют контролировать не более двух наружных рядов выводов (рис. 7).

Рис. 7. Оптическая система VPI-1000 для контроля качества паяных соединений шариковых выводов

Оптоволоконная система визуализации контролирует перекосы корпуса в вертикальном направлении, отсутствие или наличие «коллапса» шариков. «Коллапс» шариков — деформация шариков в вертикальном направлении в процессе пайки оплавлением. В сочетании с отсутствием перекоса корпуса эффект «коллапса» позволяет судить о формировании качественного паяного соединения.

Данный эффект наблюдается только в случае шариковых выводов из материала с температурой плавления ниже температуры пайки. Рентгеновский контроль обладает большими потенциальными возможностями проверки паяных соединений шариковых выводов, но, к сожалению, требует комментариев.

Необходима интерпретация рентгенограмм, что может быть реализовано только высокопрофессиональными специалистами с хорошим уровнем инженерного образования, поскольку здесь необходимо понимание конструкции конкретного паяного соединения и процесса пайки.

Обычно рентгеновское контрольное оборудование оснащено программным обеспечением, позволяющим оценить определенные характеристики паяных соединений в автоматическом режиме, минимизируя влияние субъективного фактора. На рисунках, приведенных ниже, показан пример рентгеновского оборудования (рис. 8), которое выполняет контроль BGA-микросхем, пайки активных и пассивных компонентов, пустот,плохих соединений, проводных соединений, а также идентификацию шариков припоя и варианты программной обработки рентгенограмм(рис. 9–11).

Поскольку процесс формирования паяного соединения физически сводится к смачиванию элементов расплавленным припоем, контроль качества таких соединений заключается в наличии или отсутствии, анализе формы и величины галтелей. Для автоматизации данного контроля необходимы индикаторы смачивания на ламелях под пайку. Эти индикаторы могут быть сформированы доработкой посадочного места BGA (на рис. 12 L ≈ D/4).

Наличие подобных индикаторов существенно упрощает процедуру рентгеновского контроля, позволяет использовать более простое, а следовательно, и более дешевое оборудование (рис. 13). Рентгеновские томографы позволяют проводить более прецизионный анализ соединений, однако требуют существенно большего временного и вычислительного ресурса, имеют ограничения по размеру анализируемых образцов, да и стоят в разы дороже.

Источник

Как паять микросхемы BGA поверхностного монтажа?

Главная страница » Как паять микросхемы BGA поверхностного монтажа?

Практически вся современная электроника, включая планшеты, ноутбуки, смартфоны и т.п., содержат на материнских платах микросхемы поверхностного монтажа. Конструкция таких микросхем отличается тем, что вместо классических — проволочных выводов, содержит шариковый массив. То есть некое количество металлических контактных точек, представляющих по факту кусочки припоя в виде небольших шариков. Такие шарики, соответственно, невозможно вставить в традиционные отверстия на плате, но можно паять чипы BGA к монтажным площадкам. Это и есть поверхностный монтаж. Рассмотрим, как паять микросхемы BGA, а также необходимое оборудование для работы.

Замена чипов поверхностного монтажа

Казалось бы, технология интегральных микросхем поверхностного монтажа требует уникального механического подхода. Глядя на такой чип, установленный на материнской плате ноутбука или иной техники, трудно представить, как можно, к примеру, заменить микросхему в домашних условиях, если та вышла из строя. Тем не менее, как показывает практика, домашний ремонт с заменой BGA (Ball Grid Array) вполне возможен.

Как паять микросхему, конструктивно сделанную по технологии BGA, — чип, который попросту накладывается на поверхность печатной платы? Оказывается, совсем несложно

Конечно же, необходимо иметь некоторые навыки ремонта электронной аппаратуры и навыки пайки микросхем, в частности. Также потребуется определённая инструментальная и материальная база:

• электрический паяльный фен,
• вспомогательный инфракрасный подогреватель,
• миниатюрный вакуумный насос с присоской,
• специальный флюс,
• паяльник электрический,
• другой вспомогательный инструмент.

Помимо всей обозначенной материальной базы, важным компонентом в деле пайки микросхем поверхностного монтажа типа BGA выступает специальный флюс – пастообразное вещество.

Что такое флюс под пайку микросхем типа BGA?

По сути, паяльный флюс для микросхем поверхностного монтажа представляет собой химическое (кислотное) соединение, благодаря которому достигается качественная «зачистка» мест пайки. Существуют два вида пастообразных (геле-образных) флюсов:

1. Флюсы, требующие последующей отмывки.
2. Флюсы, не требующие отмывки.

Между тем, в любом варианте следует всё-таки прибегать к функциям очистки платы от остатков флюса после завершения всех работ, тем самым предотвращая возможные разрушения структуры текстолита в будущем. Следует отметить: практически все флюсы, предназначенные для пайки микросхем поверхностного монтажа (BGA), отмываются достаточно легко.

Примерно такой консистенцией выглядит флюс – вещество, используемое при пайке чипов поверхностного монтажа. Обычно расфасовывается в пластиковые шприцы для удобства применения

Коммерческим рынком предлагается обширный выбор материалов подобного рода для работы с микросхемами поверхностного монтажа. В частности, представлен богатый ассортимент на широко известном китайском портале Aliexpress. Причём цены китайских товаров существенно ниже фирменных европейских, а качество вполне соответствует.

При желании допустимо самостоятельно изготовить флюс, используя определённый набор веществ:

• глицерин (смесь глицерина и аспирина),
• уксусная кислота (нашатырь),
• спиртовой раствор канифоли,
• воск.

Однако предпочтительнее применять всё-таки готовый коммерческий продукт.

Инфракрасный нагреватель материнской платы

Дополнительные нагреватели, например, инфракрасный настольный прибор с автоматической установкой температуры, используется под прогрев материнской платы с нижней стороны относительно установки микросхемы BGA.

Таким способом достигается равномерный прогрев в процессе пайки (замены) микросхемы поверхностного монтажа типа BGA, исключается деформация структуры текстолита материнской платы.

Китайский портал Aliexpress насыщен вот такими вот керамическими панелями инфракрасного излучения, которые предлагается применять под инструмент нижнего нагрева электронных плат

Однако цифровые инфракрасные нагреватели достаточно дороги (от 5000 руб.), поэтому для домашних условий (индивидуальный не масштабный ремонт) логичнее применять простые керамические инфракрасные плиты под пайку BGA микросхем.

Совместно с нижним подогревом используется инструмент верхнего подогрева. В частности, традиционным инструментом здесь выступает паяльный фен – электрический паяльник современного образца, «заточенный» под пайку (отпайку) миниатюрных элементов электронных плат.

Электрический паяльный фен для микросхем поверхностного монтажа

Этот вид паяльного инструмента отличается от традиционного паяльника с металлическим жалом тем, что в данном случае рабочее жало не используется. Вместо рабочего жала нужный температурный фон в местах пайки обеспечивает поток нагретого воздуха. Соответственно, конструкцию паяльного фена следует рассматривать своего рода воздушным насосом, оснащённым системой подогрева и контроля.

Один из многочисленных конструктивных вариантов паяльной станции, поддерживающей использование обычного паяльника с жалом и работу паяльного фена

Существуют паяльные фены разнообразных конструкций и рабочих мощностей. Конструкции заводского изготовления обычно имеют функции управления силой воздушного потока, температурой исходящего воздуха, позволяют визуально отслеживать параметры. Вместе с тем, допустимо из обычного электропаяльника сделать вполне сносный паяльный фен, выполнив некоторую модернизацию конструкции.

Вакуумный насос с присоской для BGA чипов

Этот достаточно оригинальный инструмент является желательным к применению, когда дело касается пайки (отпайки) микросхем поверхностного монтажа типа BGA. Собственно, для работы с другими электронными компонентами современной техники вакуумная присоска также может потребоваться довольно часто.

Обычно таким функционалом уже оснащаются паяльные станции промышленного (коммерческого) производства. Инструмент хорош тем, что позволяет аккуратно демонтировать прогретую до степени демонтажа микросхему BGA, не затрагивая рядом расположенных компонентов. Однако, перейдём ближе к делу – как отпаять и поменять неисправный чип BGA на материнской плате.

Замена чипа BGA своими руками в домашних условиях

Итак, в распоряжении домашнего мастера имеется материнская плата ноутбука, где в процессе диагностики обнаружена неисправная микросхема BGA поверхностного монтажа, в частности, чип одного из мостов компьютерной платы. Требуется демонтировать BGA микросхему поверхностного монтажа, а вместо демонтированного чипа необходимо установить другой – исправный компонент.

Процесс замены неисправного чипа поверхностного монтажа на материнской плате ноутбука. Потребуется информация по извлечению платы из корпуса аппарата

Предварительно материнская плата вынимается из корпуса ноутбука, для чего следует обратиться к сервисной инструкции конкретного производителя планшетных компьютеров. В каждом отдельном случае процедура демонтажа материнской платы может кардинально отличаться.

Подготовка материнской платы к ремонту

Извлечённая печатная плата ноутбука устанавливается над инфракрасным кварцевым подогревателем с таким расчётом, чтобы максимальный поток тепла приходился на область месторасположения отпаиваемого чипа.

Следующий шаг – обработка микросхемы поверхностного монтажа специальным флюсом. Демонтируемый чип, как правило, прямоугольной (квадратной) формы, обрабатывается способом равномерного нанесения по периметру небольшого количества геле-образного флюса.

Обработка демонтируемого чипа BGA специальным флюсом – обмазка геле-образным веществом четырёх сторон корпуса микросхемы, используя пластиковый шприц

Далее согласно технологической процедуре:

• включить инфракрасный нижний подогреватель,
• дождаться расплавления нанесённого флюса,
• при температуре 250-300ºC удалить угловые пластиковые фиксаторы чипа,
• после достижения температуры 300-325ºC задействовать паяльный фен.

Верхний прогрев микросхемы паяльным феном

Паяльным феном прогрев чипа поверхностного монтажа типа BGA выполняется по верхней стороне микросхемы. Если используется паяльная станция с регулятором температуры, параметры обычно выставляются на диапазон 350-400ºC. Равномерно направляя воздушный поток фена на область микросхемы, дожидаются полного расплава олова.

Момент полного расплава можно определить периодической проверкой состояния чипа. Как только чип начинает «покачиваться» на месте крепежа, пришло время применить инструмент вакуумной присоски.

Инструментом-присоской цепляются по центру корпуса микросхемы и попросту снимают чип с места установки. При полном расплаве олова эта операция не вызывает никаких трудностей.

Подготовка посадочной области микросхемы на плате

После удаления неисправной микросхемы поверхностного монтажа (BGA) следует подготовить место установки. Подготовка заключается в проведении «зачистки» контактных площадок под оловянные «шары», прежде чем начинать паять микросхемы BGA. Для этой процедуры достаточно применить обычный паяльник с жалом – хорошо заточенным, имеющим ровные рабочие грани.

Процедура зачистки посадочного места микросхемы поверхностного монтажа (BGA) с помощью обычного паяльника. Процесс занимает по времени не более одной-двух минут

Предварительно место «зачистки» обрабатывают небольшим количеством флюса под пайку BGA и далее аккуратно счищают жалом паяльника остатки олова.

Радиолюбители применяют разные способы для очистки, в том числе, вариант, когда используется кабельная оплётка. Но практика состоявшегося радиолюбителя показывает, вполне достаточно одного паяльника, терпения и аккуратности.

Установка и пайка нового исправного компонента

На следующем этапе подготовленный для замены чип BGA следует поместить на место демонтированной микросхемы. При этом необходимо соответствовать маркерам (линиям) на электронной плате, включая маркер «ключа», который указывает правильную позицию чипа согласно рабочим контактам.

Далее включается инфракрасный кварцевый подогреватель нижнего нагрева, плата прогревается до момента расплава флюса. Включают паяльный фен и выполняют прогрев верхней области микросхемы поверхностного монтажа до температуры 350-400ºC.

Вот, собственно и всё. Новая микросхема типа BGA установлена взамен неисправной. Материнская плата ноутбука готова к работе. Более подробно на видео ниже.

Видео мастер-класс как паять микросхемы BGA

Демонстрация видеороликом процесса демонтажа неисправного чипа с последующей установкой на замену исправной микросхемы BGA. Ремонт материнской платы ноутбука в домашних условиях со всеми подробностями:

Заключительный штрих по пайке чипов BGA

Как показывает текст выше, процедура замены (перепайки) микросхем поверхностного монтажа на различных электронных платах – задача вполне решаемая. Причём сделать эту работу можно в домашних условиях при условии наличия соответствующего инструмента. Владение навыками замены микросхем BGA открывает широкие просторы для организации собственного бизнеса по ремонту бытовой электронной техники.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Z-Сила — публикации материалов интересных полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мульти-тематическая информация — СМИ .

Источник