Монтаж и демонтаж BGA, CSP, FlipChip на ремонтных центрах: инфракрасное излучение гарантирует контроль процесса и снижение издержек


PDF версия

В настоящее время при производстве радиоэлектронной аппаратуры все чаще используются микросхемы в корпусах BGA, μBGA, CSP, FlipChip. С одной стороны, благодаря выводам в форме шариков, расположенных под корпусом, можно добиться большей плотности монтажа на печатной плате. С другой — при работе с такими компонентами постоянно возникают проблемы, одной из которых является обеспечение качественного монтажа/демонтажа компонентов.

Вопрос ремонта печатных узлов (ПУ) всегда был актуальным как для мелкосерийного (единичного), так и для крупносерийного производства. При этом номенклатура устанавливаемых на печатную плату компонентов и плотность монтажа на ПУ могут быть очень высокими (см. рис. 1).

Рис. 1. Ремонт печатного узла с широкой номенклатурой установленных компонентов и высокой плотностью монтажа

Бессвинцовые и комбинированные (с применением на плате материалов со свинцом и без свинца) технологии, в свою очередь, требуют при монтаже и демонтаже компонентов соблюдения условий по температурным режимам, которые являются гораздо жестче, нежели при работе со свинецсодержащими материалами.

Новые требования к процессу пайки при бессвинцовых технологиях

При применении бессвинцовой технологии процесс пайки идет при температурах на 30…40°С выше, чем при традиционной технологии со свинецсодержащими припоями. Принимая во внимание данный факт и то, что максимально допустимая температура нагрева для большинства компонентов поверхностного монтажа (SMD) находится в пределах от 245 до 260°С, печи конвекционной пайки и ремонтные центры должны обеспечивать соблюдение температурных профилей в узком рабочем диапазоне в опасной близости от предельных значений для компонентов и печатных плат. Это обуславливает значительное повышение требований к системе нагрева оборудования при ремонте ПУ. Для качественного выполнения ремонтных операций должно быть обеспечено равномерное распределение тепла по поверхности корпуса компонента.
При бессвинцовой технологии в процессе ремонта следует учитывать следующие факторы:
– максимальная допустимая температура компонента не должна превышать 260°С при скорости нагрева 1…4°С/c и скорости охлаждения 2…8°С/с;
– необходимо обеспечить поддержание рабочего диапазона температур и возможность работы внутри этого диапазона (см. рис. 2).

Рис. 2. Различия температурных профилей допусков температур при свинцовой и бессвинцовой технологиях
Сравнение конвекционного и ИК-нагрева

Сегодня для ремонта ПУ фирмы — поставщики оборудования применяют, как правило, два способа нагрева: принудительная конвекция и инфракрасный (ИК) нагрев.
Конвекционный нагрев выглядит для большинства производителей радиоэлектроники более предпочтительным, нежели ИК-нагрев. Причем одной из главных причин его популярности является успешный опыт использования принудительной конвекции в конвейерных печах оплавления. В них, двигаясь по зонам, компоненты на ПУ равномерно прогреваются по всей поверхности корпуса, что, как было сказано выше, просто необходимо при работе с корпусами микросхем всех типов. Однако нагрев в печах оплавления значительно отличается от нагрева при ремонте, т.к. происходит нагрев не всего ПУ, а только отдельного участка при помощи насадки. Другими словами, монтируемый (демонтируемый) компонент накрывается специальной насадкой, соответствующей его корпусу, и происходит нагрев горячим воздухом (см. рис. 3). Из приведенного рисунка видно, что визуальный контроль монтажа/демонтажа крайне затруднен. Согласно испытаниям, проведенным специалистами компании ERSA на примере корпуса BGA, в отличие от оплавления в печи при нагреве насадкой неизбежно будут возникать «теневые» зоны на поверхности компонента, которые не позволят достичь его равномерного прогрева (см. рис. 4). Частично избавиться от «теневых» участков можно, используя насадку с соплом большего диаметра. Но это может повлечь за собой другую проблему: потоки горячего воздуха могут нагреть и, как следствие, привести к демонтажу рядом стоящие компоненты. Более того, последние примеры показывают, что зачастую специалисты-разработчики ПУ при проектировании изделий не соблюдают необходимые допуски на минимальные расстояния между корпусами компонентов на плате. В подобных случаях использование насадок для ремонта или невозможно физически или связано с необходимостью использования дополнительных материалов и специальных приспособлений для защиты.

Рис. 3. Принцип работы насадки конвекционного ремонтного центра

Как было сказано ранее, под каждый тип корпуса монтируемого/демонтируемого компонента необходима своя индивидуальная насадка. Клиенту, в случае выбора конвекционного ремонтного центра, необходимо дополнительно приобретать такие насадки под каждый тип используемых корпусов. А в случае внедрения компонента в новом корпусе необходимо приобретать новую насадку конкретно под данный тип корпуса. Это влечет за собой дополнительные временные и экономические затраты. Если же на ПУ находятся компоненты нестандартной формы (экраны, разъемы и пр.), то насадки под такие корпуса должны быть выполнены индивидуально по чертежам разработчиков, и изготавливаются такие насадки дольше стандартных (пересылка чертежей, разработка КД фирмой-поставщиком, изготовление и т.д.). Надо ли говорить о том, что стоимость этих насадок будет ощутимо выше стоимости насадок под стандартные корпуса?
Для большинства небольших компаний свойственна не только малая серийность выпускаемых изделий, но и очень обширная номенклатура типономиналов и компонентов. Безусловно, какое-либо предприятие может попробовать изготовить насадку под нестандартный корпус своими силами, но нужно четко понимать следующее:
– для производства конвекционных насадок необходимо приобретение дорогостоящих оборудования;
– материалы для производства насадок, как правило, также являются весьма дорогими;
– нет гарантии качественной работы и/или безопасности всего печатного узла при работе с «самодельными» насадками.
Инфракрасный нагрев, с момента внедрения микросхем с высокой степенью интеграции, является не столь популярным, как принудительная конвекция. Дело в том, что ИК-нагрев ввиду своего происхождения является избирательным по отношению к компонентам на плате и зависит от цвета корпуса каждого из них. Также из-за особенности ИК-нагрева тяжело отслеживать реальную температуру оплавления (даже при условии применения термосенсоров).
Однако при осуществлении ремонта ПУ происходит локальный нагрев конкретного участка (компонента) на плате (сверху), а не всего ПУ. Следовательно, никакой избирательности нагрева в данном случае физически быть не может. При использовании ИК-нагрева компонент нагревается излучением, имеющим высокую направленность. Благодаря этому происходит равномерное прогревание корпуса компонента (важнейшее условие для всех микросхем) и нет никакой опасности повреждения рядом стоящих компонентов. Даже в случае очень плотного монтажа достаточно замаскировать соседние элементы фольгой, чтобы избежать каких-либо дефектов.
Также благодаря локальному нагреву есть возможность легко отследить реальную температуру нагрева. В частности, специалисты компании ERSA при разработке своего ремонтного центра оснастили его специальным ИК-датчиком, который вместе с термопарами на плате образует обратную связь. Благодаря такой связи можно легко контролировать нагрев и не допускать перегрева компонента.
При ИК-нагреве нет необходимости в приобретении большого количества разнообразных насадок-сопел под конкретный тип корпуса, а регулировка нагрева осуществляется с помощью специальных шторок и количества задействованных нагревателей. Такое решение является гораздо более универсальным с точки зрения затрат на техническую оснастку. Как показали испытания инженеров компании ERSA, для успешной работы на таких ремонтных центрах необходимо лишь несколько присосок (желательно силиконовых), которые подбираются исходя из массы того или иного компонента и не зависят от его формы. На рисунке 5 проиллюстрирован прогрев такого же корпуса BGA, что и на рисунке 4 на станции с ИК-нагревом. Хорошо видно, что при работе с ИК-нагревом происходит прогрев корпуса по всей его площади при заданном диапазоне температур. Из рисунков также видно, что при использовании ИК-нагрева можно легко добиться равномерного прогревания с постоянным максимумом, что, в свою очередь, гарантирует качественный монтаж/демонтаж компонента без дополнительных затрат на специальные насадки.

Рис. 4. Неравномерность нагрева компонента насадкой конвекционного ремонтного центра
Рис. 5. Равномерный нагрев компонента на ИК-станции

Как видно из анализа двух типов нагрева для ремонта ПУ ИК-нагрев позволяет обеспечить качественное равномерное прогревание компонентов, исключает теневые участки на корпусе и является наименее опасным для других компонентов на плате. Также при использовании ремонтного центра с таким типом нагрева нет необходимости в постоянном приобретении специальных дорогостоящих насадок — особенно это касается компонентов нестандартной формы.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *