Frezowanie realną alternatywą w przeróbkach BGA

Komponenty BGA, CSP czy flip-chip są obecnie powszechne we wszystkich układach elektronicznych. Tworzące jednolitą warstwę pomiędzy komponentem a płytką drukowaną wypełnienie underfill wykorzystywane jest często, aby wzmocnić odporność układów na wstrząsy mechaniczne, spowodowane upuszczeniem czy lub uderzeniem urządzenia. Do utworzenia warstwy underfill stosuje się najczęściej materiał polimerowy. Podobnie, underfil wykorzystywany jest do minimalizacji skutków naprężeń termicznych, spowodowanych niedopasowaniem współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) między komponentem a PCB.

Zwykle chemia stosowana do underfillingu ma wysoką elastyczność (tj. na wysoki moduł E), dopasowany do współczynnika rozszerzalności cieplnej lutowia, a także wysoką temperaturę zeszklenia (Tg). Wypełnienie tłumi i równomierniej rozkłada naprężenia na połączeniach lutowniczych, zwiększając w ten sposób ich niezawodność.

W miarę jak zmniejszają się rozmiary stosowanych komponentów, maleje również prześwit pomiędzy spodem pakietu a płytką drukowaną. W efekcie, wyzwania związane z przeróbką komponentów wzmocnionych warstwą underfill obejmują następujące zagadnienia (trzeba podkreślić, że nie jest to ich pełny katalog):

• Wiele wypełnień underfill ‘zmiękczonych’ w podwyższonej temperaturze, przemieszcza połączenia lutownicze i same komponenty, co jest bezpośrednim źródłem defektów.
• Często przeróbki nie są po prostu opłacalne. Pracochłonność i związane z nią koszty, a także duża ilość nieudanych przeróbek, często przekreślają ich ekonomikę.
• Proces przeróbki PCB z wypełnieniem może spowodować mechaniczne uszkodzenie laminatu, zniszczenie maski i podniesienie padów (Rysunek 2).
• Jeśli temperatura zmiękczenia wypełnienia underfill jest wyższa niż punkt likwidusu lutów bezołowiowych, praktycznie wyklucza to przeróbki przy użyciu standardowych procesów termicznych lub termiczno-mechanicznych.
• Producenci OEM często sprzeciwiają się stosowaniu chemicznych środków zmiękczających, obawiając się ich agresywnego wpływu na PCB.
• 
  

Dostępne metody procesu przeróbki wypełnienia underfill

Gorące powietrze lub źródło ciepła IR.

Pierwszym krokiem w przygotowaniu płytki do przeróbki jest jej ogrzanie zgodnie z normą J-STD-033, co zapobiega uszkodzeniom związanym z obecnością wilgoci. Underfill zapewnia znaczną siłę spajającą na spodniej stronie komponentu, która musi zostać ‘przełamana’, aby umożliwić uniesienie komponentu na stanowisku do przeróbek. Oznacza to, że płytka musi być prawidłowo zamocowana i zabezpieczona. Do przytrzymywania płytek na miejscu podczas cyklu usuwania używa się różnego rodzaju elementów mechanicznych, często dostosowanych do topologii konkretnego układu.

Podobnie jak w przypadku wszystkich procesów przeróbki, wymagane jest zastosowanie odpowiedniego profilu temperaturowego, którego ustawienie musi odbyć się na bazie pomiarów z użyciem termopar, osadzonych w kluczowych miejscach PCB (narożniki i środek komponentu, narożne i środkowe kulki lutownicze). Prawidłowy profil usuwania powinien zminimalizować siłę niezbędną do zerwania połączenia między wypełnieniem a komponentem i PCB. Jeśli temperatury są zbyt niskie, wymagana będzie nadmierna siła, a pady BGA będą miały tendencję do unoszenia się podczas procesu usuwania. Profil, który jest zbyt gorący lub zbyt długi, może powodować inne problemy, takie jak odkształcenie komponentu lub płytki, a także wypychanie połączenia lutownicze z padu.

Istnieje kilka metod na przełamanie siły ukształtowanej pomiędzy wypełnieniem underfill a płytką lub komponentem. W niektórych przypadkach stosowane jest ręczne przecinanie wypełnienia podgrzanym nożem. Po zakończeniu pracy technik podważa układ BGA i odrywa od płytki. Często stosuje się też różne rodzaje dysz do przeróbki, które w niektórych przypadkach można przekręcać podczas usuwania, lub alternatywnie dysza chwytająca może jednocześnie chwycić i unieść element.

Po usunięciu elementu pozostają resztki wypełnienia. Aby je zmiękczyć, z pomocą źródła ciepła w postaci lutownicy lub gorącego powietrza nakłada się lepki topnik, aby następnie usunąć całość za pomocą taśmy rozlutowującej. Proces ten jest nie tylko czasochłonny, ale może również prowadzić do uszkodzenia maski, podniesienia padów lub uszkodzenia sąsiednich elementów. W następnym kroku powierzchnia jest czyszczona za pomocą IPA i ściereczki, aby przygotować ją do umieszczenia i przylutowania za pomocą techniki rozpływowej kolejnego komponentu.

Zastosowanie chemikalii

Dostępne w handlu rozpuszczalniki organiczne mogą rozpuścić i usunąć utwardzoną warstwę wypełnienia. W tym przypadku płytka jest umieszczana w środku zmiękczającym, który może (lecz nie musi) mieć podwyższoną temperaturę. Nadrzędnym problemem związanym z tą techniką jest nieznany wpływ substancji chemicznej na komponenty i płytkę drukowaną. Po wystawieniu na działanie środka zmiękczającego komponent jest poddawany działaniu gorącego powietrza lub źródeł podczerwieni w celu usunięcia komponentu.

Ablacja laserowa

Inna technika usuwania komponentu polega na wykorzystaniu selektywnej ablacji laserowej komponentu, materiału wypełnienia i lutu. Proces ten musi być poprzedzony starannym wyborem źródła, ponieważ długość fali lasera musi być dostrojona do wielu różnych widm absorpcji materiału. Ponadto głębokość oddziaływania lasera również musi być starannie kontrolowana, aby uniknąć uszkodzenia sąsiednich komponentów lub płytki drukowanej.

Frezowanie

Jedną z wchodzących na rynek technik usuwania komponentów z wypełnieniem underfill jest frezowania (cold milling). Za pomocą precyzyjnego frezu komponent jest oddzielany z płytki drukowanej, pozostawiając jednak resztki lutu o wielkości kilku tysięcznych cala. Owa pozostałość lut staje się wstępnie cynowanymi padami dla komponentu. Alternatywnie, frezowane miejsce może zostać przygotowane do ponownego obłożenia komponentu za pomocą lutownicy i taśmy rozlutowującej tak jak we wcześniej opisanych metodach. Zaletą procesu frezowania jest brak oddziaływania termicznego.

W ubiegłych latach do frezowania wykorzystywano komercyjnie dostępne urządzenia z pewnymi tylko modyfikacjami. Pomimo stosowania uziemienia frezarek, ładunki statyczne generowane podczas procesu mogły powodować uszkodzenia ESD. Co więcej, fragmenty lutu, komponentu czy inne zanieczyszczenia mogły stanowić potencjalne ryzyko niezawodności, a dodatkowo operacji frezowania nieodmienne towarzyszyły wibracje, tworzące ryzyko późniejszego pękania połączeń lutowniczych. Wszystko to sprawiało, że technika stała była jedynie ostateczną alternatywą usuwania wypełnienia underfill, a do jej implementacji wymagany był najwyższy poziom kompetencji operatora.

Nowa generacja maszyn do frezowania

W odpowiedzi opracowano nową generację precyzyjnych maszyn frezujących, dedykowanych do usuwania komponentów bez uprzedniego podgrzania. Obecnie dostępne na rynku maszyny posiadają następujące udogodnienia:

• Oprogramowanie jest dostosowane dla potrzeb procesu naprawy urządzeń elektronicznych, eliminując potrzebę posiadania wysokich kwalifikacji przez operatora. Wymiary x i y generują wzór frezowania. Fiduciale obecne na PCB odczytywane są przez czujniki maszyny, co umożliwia uzyskanie precyzyjnych wyników pracy. Łatwo jest też uwzględnić wszelkie komponenty o nieregularnych kształtach.
• Uchwyt próżniowy nie pozwala na rozprzestrzenianie się wiórów metalowych, eliminując konieczność bezpiecznego ekranowania miejsca przeróbki.
• Zintegrowane źródło aktywnej jonizacji redukuje potencjalne występowanie ładunków powstających w trakcie frezowania.
• •, Aby zapewnić współpłaszczyznowość powierzchni frezowania względem płytki PCB, stosuje się mocowanie i podparcie płytki za pomocą próżni.
• Automatyczny, wielopunktowy, oparty na laserze system pomiarowy określa rzeczywistą dokładność przesunięć komponentów czy płytki. W niektórych przypadkach umożliwia to cięcie w odległości do 0,001\\” od powierzchni płytki.

Żródło: Cold Underfill Component Removal, autor: Bob Wettermann, Best Inc.