ПРАВИЛЬНИЙ ТЕМПЕРАТУРНИЙ ПРОФІЛЬ ПІД ЧАС РЕМОНТУ BGA

31.05.2023 |

Вибірковий нагрів області друкованої плати може призвести до виходу плати з ладу, навіть якщо всі параметри здаються правильними. У статті обговорюються фактори, що впливають на процес ремонту BGA, і його потенційні підводні камені.

Розглядаючи правильний профіль оплавлення для виробничих цілей, ми зазвичай хочемо мати однакову дельта Т для всіх з’єднань, що паяються. Це досягається рівномірним нагріванням як верхньої, так і нижньої сторони плати, як правило, за допомогою багатозонної конвекційної печі оплавлення. Потужність печі повинна відповідати розміру або термічній масі друкованої плати та вимогам до продуктивності.

Однак, розглядаючи ремонт компонентів з виводами, розташованими в матриці, наприклад BGA або CSP, слід підкреслити, що контроль процесу має велике значення для досягнення позитивного результату. Нормальним підходом до перепайки є спроба імітувати профіль оплавлення, який використовується у виробництві для окремого компонента, який видаляється або замінюється. Характер операції означає, що ми хочемо оплавити лише компонент, який переробляється, і тому нагріваємо лише певну ділянку друкованої плати. Однак вибіркове нагрівання ділянки плати може призвести до виходу плати з ладу, навіть якщо всі параметри здаються правильними. У цій статті обговорюються фактори, що впливають на процес ремонту, і потенційні підводні камені.

Проблеми продуктивності процесу

У деяких випадках, особливо на великих вузлах друкованої плати, все одно може статися збій, що дасть низьку продуктивність, коли всі умови для перепайки, очевидно, правильні. Вимоги до профілю припою загалом добре відомі. Зазвичай вони залежать від матеріалів, що використовуються (паяльна паста або флюс) і, як правило, виглядають наступним чином:

Зона Тривалість часу, с Цільова температура, °C
Попереднє нагрівання 60…90 100…120
Витримка 60…90 155…175
Витримка 2 60…90 210…220
Оплавлення 30…60 230…240

У будь-якій системі паяння оплавленням, яка нагріває обидві сторони друкованої плати, необхідна температура паяного з’єднання залежить від того, скільки тепла прикладається до верхньої та нижньої сторін. В результаті можна досягти однакової температури паяного з’єднання при декількох налаштуваннях нагріву. Це проілюстровано наступними 2 прикладами.

Приклад з практики

На графіку нижче показано лінію профілю, виміряну на 492 PBGA на материнській платі ПК, де показання термопари здаються нормальними – досягаються бажані температури попереднього нагріву, витримки та оплавлення. Однак у цьому випадку з паяльною пастою або флюсом була досягнута дуже низька швидкість проходження.

Другий графік – це остаточний профіль: хоча обидва графіки дуже схожі, етап нагрівання проводився зовсім по-різному. У цьому випадку кількість зон було збільшено до 4, температура верхнього нагріву значно знижена, а нагрівання всієї друкованої плати збільшено за допомогою централізованої зони нагріву.

Проблема в першому випадку була викликана деформацією пластику BGA під час пайки оплавленням. Це було викликано перегрівом джерела тепла на верхній стороні друкованої плати. Нижче наведено пояснення типів помилок, які можуть виникнути, навіть якщо все налаштовано правильно (тобто ідеальний трафаретний друк, відсутність пошкоджень на платі та точне розміщення компонентів).

Викривлення

Основною причиною дефектів є деформація друкованої плати або компонента під час пайки оплавленням. Навіть незначна деформація може призвести до таких дефектів, як відкриті паяні з’єднання та/або коротке замикання. Зазвичай PBGA виступає з друкованої плати приблизно на 0,02 дюйма (0.508 мм), і підняття компонента на 0,005 дюйма (0.127 mm) достатньо, щоб викликати розрив ланцюга. Слід також пам’ятати, що чим більший компонент, тим більше він вразливий до цих проблем. Навіть якщо плата/компонент витримає процес без будь-яких видимих ​​​​дефектів, як тільки плата повернеться до своєї нормальної форми після охолодження, з’єднання буде постійно перебувати під напругою, що спричинить довгострокові проблеми з надійністю.

На малюнку 1 ліворуч показано неспаяні з’єднання, спричинені викривленням друкованої плати (це також може бути спричинено деформацією компонентів). З’єднання в центрі компонента височіли над друкованою платою, запобігаючи паяному з’єднанню. Це більш типово, коли використовується лише занурення флюсу, оскільки немає паяльної пасти для заповнення пустот. Інша характеристика полягає в тому, що отвори, як правило, будуть спрямовані до центру пристрою.

На малюнку 1 праворуч показаний механізм утворення короткого замикання. У цьому випадку деформація спричинила злиття кульок пасти та припою. Найпоширенішою причиною є розлиття паяльної пасти, а короткі замикання зазвичай утворюються по периметру пристрою, особливо в його кутах.

Малюнок 1. Неспаяні з’єднання (ліворуч) і коротке замикання (праворуч)

Вирішення проблеми

Рішення проблеми викривлення друкованої плати зазвичай пов’язане з налаштуваннями профілю, зокрема, недостатньою температурою попереднього нагріву нижньої сторони в поєднанні з занадто високою температурою верхньої сторони. Деякі плати взагалі термічно незбалансовані, що також може спричинити проблеми.

У випадку великих друкованих плат фактором згинання друкованої плати також може бути опора під платою, на якій друкована плата провисає під власною вагою. Крім того, не тисніть вниз на друковану плату, оскільки це посилює описані проблеми, джерелом яких може бути, наприклад, збірка в середовищі з негативним тиском.

Розшаровування компонентів

Іншою причиною виникнення короткого замикання може бути розшарування компонентів під час пайки оплавленням. Пластикові корпуси, як правило, гігроскопічні, тобто вони вбирають вологу під впливом атмосфери. Якщо потім компонент швидко нагріти, волога розшириться, утворюючи порожнину всередині пристрою: цей дефект відомий як «попкорн» («pop-corning»). Цей дефект характеризується утворенням пухирів на нижній стороні компонента внаслідок внутрішнього розширення вологи. Під час рентгенівського огляду зазвичай видно короткі замикання в центрі пристрою. На малюнку 2 показано дефект «попкорну».

Малюнок 2. Дефект «попкорн» («pop-corning»).

Вирішення проблеми

Рішення цієї проблеми полягає в повільному попередньому нагріванні компонентів і плат перед ремонтом, що забезпечує повільне відведення вологи. Деякі компанії заздалегідь встановлюють таку процедуру як попередню умову перед проведенням будь-яких модифікацій. Користувачі також повинні переконатися, що для збирання та ремонту використовуються лише ті компоненти, котрі зберігалися належним чином, які зазвичай постачаються в сухому пакеті, який потрібно повторно закрити після відкриття.

Дефекти, що виникають внаслідок неодночасного оплавлення припою

Причина, чому виробники прагнуть досягти одночасного паяння оплавленням, полягає в тому, що велика дельта Т на компоненті може призвести до дефектів. На деякі фактори можуть безпосередньо впливати налаштування профілю, а на інші – фізичний склад друкованої плати. Першим фактором, який впливатиме на «одночасність» оплавлення припою, буде температура профілю в точці оплавлення (точніше, як швидко припій переходить із твердого стану в рідкий).

Спочатку припій плавиться лише з одного боку компонента, викликаючи замикання. Рішення потребує зміни вхідних температур профілю для досягнення більшої швидкості наростання. Це, у свою чергу, призведе до більш одночасного потоку припою.

Приклад: занадто низька температура оплавлення

На малюнку 3 показано перехід паяних з’єднань із твердого стану в рідкий при температурі плавлення 217 °C. Ми припускаємо, що досягнута дельта Т у цілому компоненті становить 10 °C. Швидкість підвищення температури (швидкість наростання) визначає тривалість оплавлення від початку до кінця. Вона прямо пропорційна вхідній температурі, встановленій у профілі. У цьому випадку швидкість наростання становить 0,5 °С за секунду.

Малюнок 3. Ліворуч: швидкість зростання 0,5°C/с і загальна тривалість відтавання 20 секунд (ліворуч) і швидкість наростання 2,5°C/сек і загальний час затримки 4 секунди (права сторона).

Малюнок 3. Ліворуч: швидкість зростання 0,5°C/с, загальний час для досягнення оплавлення 20 секунд. Праворуч: швидкість наростання 2,5°C/с, загальний час для досягнення оплавлення 4 секунди.

Фактори, що впливають на

Існують інші фактори, які впливатимуть на DТ будь-якої збірки друкованої плати, і вони часто знаходяться поза контролем виробника машин для ремонту. Розташування компонента на друкованій платі має значний вплив, якщо компонент розміщено на краю плати, температура двох зовнішніх сторін, як правило, буде вищою, ніж температура внутрішніх сторін. Це пов’язано з більшим розсіюванням тепла до центру друкованої плати. Іншим фактором є область, до якої приєднані деякі кульки припою. У BGA досить часто центральний масив кульок припою підключається до заземленої поверхні спеціально для розсіювання тепла від кристала компонента. Цим кулькам може знадобитися додатковий час для оплавлення.

Висновки

Профілювання для перепайки не завжди таке просте, як може здатися на перший погляд, і для створення успішного профілю важливо забезпечити правильну кількість тепла. Знання та розуміння потенційних дефектів дозволить досягти стабільно високих результатів.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl