Zastosowania technologii RHSD (Cz.2) - reballing

Reballing komponentów BGA

Aby spełnić wymagania różnych zastosowań militarnych lub innych aplikacji, wymagających wysokiej niezawodności, niektóre komponenty BGA wymagają konwersji z wykonania bezołowiowego, opartego na SAC305 (Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5) na wykończenie cynowo-ołowiowe (Sn63Pb37). Pierwszym krokiem w procesie konwersji jest usuwanie oryginalnych kulek bezołowiowych, odsłaniając pady komponentu (przykładem systemu, opracowanego do cynowania komponentów BGA, jest Hentec/RPS Odyssey). Po procesie usuwania kulek następuje ręczne lub automatyczne ponowne umieszczenie kulek, składające się z etapów topnikowania, wyrównywania i mocowania nowych kulek lutowniczych z zastępczego stopu, ich rozpływu, kontroli, mycia i ponownego pakowania.

Usuwanie kulek BGA najlepiej przeprowadzić za pomocą zrobotyzowanej maszyny do lutowania na gorąco (RHSD) wyposażonej w dynamiczną falę lutowniczą i lut Sn63Pb37. Zrobotyzowane maszyny do lutowania na gorąco są dostępne z pojedynczą lub podwójną falą lutowniczą. Proces usuwania kulek z pojedynczą falą jest wystarczający pod warunkiem, że fala lutownicza oddziałuje dostatecznie mocno, aby całkowicie usunąć oryginalne kulki lutownicze SAC. Zwykle nie zaleca się stosowania podwójnej fali lutowniczej do usuwania kulek BGA, ponieważ dodatkowy cykl termiczny może mieć negatywny wpływ na sam komponent BGA, a wszelkie pozostałości srebra lub miedzi, pochodzące z oryginalnych kulek SAC305, występują w śladowych ilościach. Mimo faktu, że przeważający SAC305 składa się głownie z cyny, należy przeprowadzać rutynową analizę tygla, aby upewnić się, że poziom zanieczyszczenia srebrem pozostaje poniżej dopuszczalnego maksimum, wyznaczanego przez  J-STD-001 i wynoszącego 0,10%, a miedź pozostaje poniżej 0,02%.

Rysunek 1: Komponent BGA przed i w trakcie procesu usuwania kulek lutowniczych. Żródło: The Critical Role of Robotic Hot Solder Dip Processing of Components for High-Reliability and Mission-Critical Applications, autor: Reid Henry, Hentec Industries/RPS Automation

Istnieją różne metody mocowania kulki lutowniczej podczas reballingu układów BGA i innych komponentów area array, takich jak LGA  i QFN, w tym osadzanie pasty lutowniczej lub stosowanie lepkiego topnika i kulek lutowniczych. Usługi laserowego reballingu komponentów BGA są dostępne dla urządzeń BGA o skoku nawet 0,4 mm. Liczba kulek, podziałka urządzenia, średnica kuli, stop lutowniczy i rozmiar obudowy to czynniki, które wpływają na to, która metoda jest odpowiednia dla konkretnego zastosowania. Stosowanie lepkiego topnika jest najpowszechniejszym podejściem, ponieważ zmienność objętości pasty lutowniczej będzie przyczyniać się do zmienności końcowej objętości kulek, co może stać się przyczyną powstawania pustek w efekcie wprowadzenia lotnych substancji topnika do kulek.

Po etapach usuwania kulek i ponownego reballingu należy przeprowadzić kontrolę, obejmującą pomiar wysokości Z kulek lutowniczych w stosunku do dolnej powierzchni komponentu, weryfikując współpłaszczyznowość urządzenia, ewentualny brak niektórych kulek, ich objętość, potencjalne zwarcia między sąsiednimi kulkami lutowniczymi oraz wszelkie pozostałości ciał obcych.

Cynowanie wyprowadzeń

Główną przyczyną cynowania wyprowadzeń  jest:

1) ułatwienie usuwania złota w celu wyeliminowania ryzyka kruchości lutu

2) redukcja wzrostu wąsów cynowych

3) przeróbka komponentów do zastosowań zgodnych z RoHS.

W procesie cynowania wyprowadzeń wytwarza się jednorodną warstwę międzymetaliczną z metalem podstawowym wyprowadzeń, zwiększając w ten sposób lutowność i poprawiając niezawodność układu. Wszystkie typy komponentów THT – axial, radial, DIP czy SIP - można z powodzeniem cynować przy użyciu systemu cynowania komponentów ołowiowych Hentec/RPS Odyssey. Komponenty do montażu powierzchniowego, które mają końcówki lub pady bez wyprowadzeń, takie jak komponenty w obudowie chip, SOT, SOIC, LCC lub PLCC, można cynować za pomocą techniki solder drag. W wielu przypadkach, podczas automatycznego cynowania komponentów do montażu powierzchniowego może być wymagane zastosowanie fixtur, zapewniających zachowanie równoległej pracy. Komponenty wielostronne, takie jak urządzenia typu flat pack (FP) i quad flat pack (QFP), mają bardzo delikatne wyprowadzenia, które można łatwo uszkodzić. Zazwyczaj są one ponownie cynowane przy użyciu fali bocznej, przy czym komponenty są utrzymywane na miejscu za pomocą wieloosiowego mechanizmu np. robota przegubowego, wyposażonego w obrotową głowicę podciśnieniową.

Rysunek 2. Komponent QFP podczas retinningu (po lewej) i QFP przytrzymywane za pomocą dyszy próżniowej (po prawej). Żródło: The Critical Role of Robotic Hot Solder Dip Processing of Components for High-Reliability and Mission-Critical Applications, autor: Reid Henry, Hentec Industries/RPS Automation

Kluczowy problem podczas cynowania komponentów do montażu powierzchniowego o drobnej podziałce, takich jak QFP i QFN polega na utrzymaniu współpłaszczyznowości wszystkich wyprowadzeń przy jednoczesnym uniknięciu mostkowania. Elementy QFP o wymiarach w przedziale od 6 mm x 6 mm nawet do 50 mm x 50 mm z rozstawem wyprowadzeń 0,012” można cynować, uzyskując rezultaty bez mostków. Współpłaszczyznowość komponentu, a także grubość lutowia utworzonego w  procesie cynowania, można zweryfikować za pomocą testów fluorescencji rentgenowskiej (XRF). Po zrobotyzowanym procesie lutowania na gorąco wszystkie cynowane / kulowane komponenty należy umyć w systemie czyszczącym przy użyciu odpowiedniego rozpuszczalnika lub wodnego środka czyszczącego, w celu usunięcia wszelkich pozostałości topnika, a także wygrzać w celu uzyskania odpowiedniej wilgotności komponentów MSL. Następnie należy przeprowadzić test lutowności zgodnie z J-STD-002.

Czyszczenie ultradźwiękowe należy stosować ostrożnie, ponieważ półprzewodniki mogą zostać uszkodzone w wyniku kawitacji, wynikającej ze specyficznej częstotliwości, stosowanej w niektórych myjkach ultradźwiękowych, które nie są przeznaczone do czyszczenia elementów elektronicznych (są np. dedykowane do czyszczenia małych części mechanicznych). Jeśli używana jest myjka ultradźwiękowa, powinna to być maszyna o stałej częstotliwości (CVF), zaprojektowana specjalnie do czyszczenia elektroniki.

Żródło: The Critical Role of Robotic Hot Solder Dip Processing of Components for High-Reliability and Mission-Critical Applications, autor: Reid Henry, Hentec Industries/RPS Automation

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!