Prawidłowy profil temperaturowy podczas przeróbek BGA

Selektywne nagrzewanie obszaru PCB może spowodować awarię płytki, nawet jeśli wszystkie parametry wydają się być prawidłowe. W artykule omówiono czynniki wpływające na proces przeróbek BGA i jego potencjalne pułapki.

Łukasz Jaeszke

2023-04-25

© pdr-rework.com

Rozważając prawidłowy profil lutowania rozpływowego dla celów produkcji, zazwyczaj zależy nam na uzyskaniu równej wartości delta T na wszystkich lutowanych złączach. Osiąga się to przez równomierne ogrzewanie zarówno górnej, jak i dolnej strony płytki, zwykle za pomocą wielostrefowego pieca konwekcyjno-rozpływowego. Wydajność pieca musi być odpowiednia do wielkości lub masy termicznej płytki drukowanej oraz do wymagań dotyczących przepustowości produkcji.

Kiedy jednak rozważamy przeróbkę komponentów zawierających wyprowadzenia ułożone w macierz, takich jak BGA lub CSP trzeba podkreślić, że ogromne znaczenie dla osiągnięcia pozytywnego wyniku ma kontrola procesu. Normalnym sposobem podejścia do przeróbki jest próba naśladowania profilu ponownego rozpływowego stosowanego w produkcji dla pojedynczego, naprawianego komponentu. Charakter operacji sprawia, że chcemy jedynie doprowadzić do stanu ciekłego wyprowadzenia przerabianego elementu i dlatego ogrzewamy jedynie określony obszar płytki drukowanej. Selektywne nagrzewanie obszaru płytki może jednak spowodować awarię płytki, nawet jeśli wszystkie parametry wydają się być prawidłowe. W artykule omówiono czynniki wpływające na proces przeróbek i potencjalne pułapki.

Problemy z wydajnością procesu

W niektórych przypadkach (np. większe zespoły PCB), defekt może nadal występować, skutkując niską wydajnością procesu, nawet gdy wszystkie warunki przeróbki są pozornie prawidłowe. Wymagania dotyczące profilu lutowniczego są ogólnie dobrze znane. Zwykle zależą one od użytych materiałów (pasta lutownicza lub topnik) i zwykle są następujące.

Żródło: Profiling for successful BGA/CSP Rework © Metcal

W każdym systemie lutowania rozpływowego, który ogrzewa obie strony zespołu płytki drukowanej, wymagana temperatura połączenia lutowniczego jest funkcją tego, ile ciepła jest doprowadzane zarówno do górnej, jak i dolnej strony. W efekcie, możliwe jest osiągnięcie tej samej temperatury połączenia lutowniczego przy kilku ustawieniach ogrzewania. Ilustrują to 2 poniższe przykłady.

Żródło: Profiling for successful BGA/CSP Rework © Metcal

Praktyczne studium przypadku

Poniższy wykres przedstawia ślad profilu zmierzony pod 492 PBGA na płycie głównej PC, gdzie odczyt termopary wydaje się być normalny - osiąga pożądane temperatury wstępnego nagrzewania, wygrzewania i rozpływu. Jednak w tym przypadku osiągnięto bardzo niski współczynnik akceptowalności. Drugi wykres to profil końcowy: mimo tego, iż oba wykresy są bardzo podobne, to jednak etap ogrzewania został przeprowadzony w zupełnie inny sposób. W tym przypadku zwiększono liczbę stref do 4, znacznie obniżono temperaturę górnego nagrzewania, jednocześnie zwiększając ogrzewanie całej PCB przy wykorzystaniu scentralizowanej strefy grzewczej.

Żródło: Profiling for successful BGA/CSP Rework © Metcal

Problem w pierwszym przypadku był spowodowany wypaczaniem się wykonanego z plastiku BGA podczas lutowania rozpływowego. Spowodowała to nadmierna temperatura źródła ciepła na górnej stronie PCB. Poniżej znajduje się wyjaśnienie rodzaju błędów, które mogą wystąpić, nawet gdy wszystko wydaje się być ustawione poprawnie (tj. doskonały nadruk, brak uszkodzeń płyty i dokładne umieszczenie komponentu).

Wypaczenie

Główną przyczyną defektów jest odkształcenie płytki drukowanej lub komponentu podczas lutowania rozpływowego. Nawet niewielkie odkształcenie może prowadzić do defektów, takich jak otwarte połączenia lutownicze i lub zwarcia. Normalnie, PBGA odstaje od PCB o około 0,020 cala, a podniesienie komponentu nawet o 0,005 wystarczy, aby spowodować przerwę w obwodzie. Trzeba też pamiętać, iż im większy jest komponent, tym bardziej będzie on podatny na te problemy. Nawet jeśli płytka/komponent przetrwa proces bez widocznej wady, gdy po ochłodzeniu płytka wróci do swojego normalnego kształtu, połączenie będzie stale poddawane naprężeniom, powodując długotrwałe problemy z niezawodnością

Poniższy rysunek (strona lewa) przedstawia niepolutowane połączenia, spowodowane wypaczeniem się PCB (może to być również spowodowane wypaczeniem komponentu). Połączenia w środku komponentu uniosły się ponad PCB, uniemożliwiając wykonanie połączenia lutowanego. Zjawisko to występuje częściej przy stosowaniu topnikowania zanurzeniowego. Inną cechą charakterystyczną jest to, że otwarte luty będą najczęściej skierowane w stronę środka komponentu.

Prawa strona rysunku pokazuje mechanizm powstawania zwarć. W tym przypadku odkształcenie spowodowało, że pasta i kulki lutownicze połączyły się w zwarcia lutownicze. Najczęściej przyczyną jest rozlanie się pasty lutowniczej a zwarcia zwykle tworzą się na obwodzie urządzenia, zwłaszcza w jego rogach.

Żródło: Profiling for successful BGA/CSP Rework © Metcal

Rozwiązanie problemu

Rozwiązanie problemu wypaczania się PCB jest generalnie związane z ustawieniami profilu, w szczególności z niedostateczną temperaturą wstępnego nagrzewania spodniej strony w połączeniu ze zbyt wysoką temperaturą strony górnej. Niektóre płytki generalnie są źle wyważone pod względem termicznym, co również może być przyczyną problemów. W przypadku dużych płytek PCB, czynnikiem powodującym uginanie się płytki PCB może być również wsparcie pod płytką, która wygina się pod własnym ciężarem. Nie należy też wywierać na PCB ciśnienia skierowanego w dół, zaostrzającego opisywane problemy, a którego źródłem może być np. montaż w otoczeniu podciśnienia.

Rozwarstwienie elementu

Inną przyczyną zwarć lutowniczych może być rozwarstwienie komponentu podczas lutowania rozpływowego. Obudowy z tworzyw sztucznych są na ogół hydroskopijne, co oznacza, że pochłaniają wilgoć podczas ekspozycji na działanie atmosfery. Jeśli komponent zostanie następnie szybko rozgrzany, wilgoć rozszerzy się, tworząc wnękę wewnątrz urządzenia: defekt ten jest znany jako ‘pop-corning’. Wada ta charakteryzuje się powstawaniem pęcherzy na spodniej stronie komponentu w wyniku wewnętrznego rozszerzania się wilgoci. Podczas kontroli rentgenowskiej zwykle widać zwarcia lutownicze w kierunku środka urządzenia. Rysunek poniżej przedstawia efekt ‘pop-corningu’.

Rozwiązanie problemu

Rozwiązaniem tego problemu jest powolne wstępne wygrzewanie komponentów i płytek przed ich przeróbką, co pozwala na powolne odprowadzanie wilgoci. Niektóre firmy z góry narzucają taką procedurę jako warunek wstępny przed przeprowadzeniem jakichkolwiek przeróbek. Użytkownicy powinni również upewnić się, że zarówno do montażu, jak i do przeróbek używane są wyłącznie odpowiednio przechowywane komponenty, które są zazwyczaj dostarczane w suchym opakowaniu, które należy ponownie zamknąć po otwarciu.

Defekty spowodowane niejednoczesnym rozpływem lutu

Powodem, dla którego producenci dążą do osiągnięcia jednoczesnego lutowania przepływowego jest to, że duża wartość delta T na komponencie może prowadzić do defektów. Na niektóre przypadki bezpośredni wpływ mogą mieć ustawienia profilu, podczas gdy inne są określane przez fizyczny skład zespołu PCB. Pierwszym czynnikiem, który będzie miał wpływ na to, jak ‘jednoczesny’ będzie rozpływ lutowia, będzie temperatura profilu w punkcie rozpływu (dokładniej mówiąc, jak szybko lut przechodzi ze stanu stałego do ciekłego).

Lut rozpływa się najpierw tylko po jednej stronie komponentu, powodując zwarcia lutownicze. Rozwiązanie wymagałoby zmiany temperatur wejściowych profilu w celu uzyskania większej szybkości narastania. To z kolei spowodowałoby bardziej równoczesny rozpływ, jak pokazano na poniższym wykresie.

Przykład : zbyt niska temperatura lutowania rozpływowego

Poniższy wykres przedstawia przechodzenie połączeń lutowniczych ze stanu stałego do ciekłego przy temperaturze topnienia 217°C. Zakładamy, że osiągnięta delta T w całym komponencie wynosi 10C. Szybkość wzrostu temperatury (szybkość narastania) definiuje czas trwania rozpływu. Jest to wprost proporcjonalne do temperatury wejściowej, ustawionej w profilu. W tym przypadku szybkość narastania wynosi 0,5C na sekundę.

Wykres poniżej: Szybkości narastania 0,5C/sek i całkowity czas trwania rozpływu 20 sekund (lewa strona) oraz szybkość narastania 2.5C/sek i całkowity czas trwania rozpływu 4 sekundy (prawa strona).