Шарики припоя или паста

Основные характеристики материала / корреляция поверхностных характеристик

Нилеш Бадве, Шунфэн Ченг, Шриниваса Аравамудхан, Мукул Ренавикар.Корпорация Intel; Хиллсборо, Орегон, США

Авторский перевод ЛЕЙТЕСА ИЛЬИ, гл.технолога ООО РТС Инжиниринг.

В современной электронике повсеместно используются микросхемы поверхностного монтажа. На них присутствуют контактные точки в виде небольших шариков из припоя вместо проволочных выводов. Такой тип корпуса называется BGA (Ball Grid Array — массив шариков). Главная трудность при подготовке чипа к пайке – накатка этих самых шаров (боллинг). Посмотрим, как это делается на примере eMMC-памяти смартфона.

АННОТАЦИЯ

Агрессивные форм-факторы, уменьшенный шаг, более тонкие корпуса и большее отношение размера корпуса к кристаллу приводят к более высокой деформации во время оплавления узлов поверхностного монтажа. Становится все труднее устранять дефекты узлов поверхностного монтажа, вызванные короблением, а именно: отсутствие смачивания (NWO), «голова на подушке» (HoP) и перемычки припоя (SB). Мы изучили несколько составов пасты с помощью ударных испытаний узлов поверхностного монтажа. Лабораторные характеристики также использовались для установления корреляции между характеристиками поверхностного монтажа и основными свойствами паяльных паст.

Мы обнаружили, что отсутствие смачивания (NWO) и «голова на подушке» (HoP) конкурируют друг с другом, имея корреляцию с активностью флюса используемого для очистки окислов на поверхности Cu. Риск образования перемычек (SB) коррелировал с высокотемпературной вязкостью, что указывает на дефект, вызванный реологией пасты. Показатели пригодности пасты для печати также показали хорошую корреляцию с тиксотропным индексом. Эти знания будут чрезвычайно полезны для разработки паяльных паст следующего поколения для устранения дефектов, вызванных короблением.

Припаивание микросхемы

Финальный этап – это припаивание микрочипа на место. Этап является не менее ответственным, а поэтому к нему надо подходить в полном вооружении, – обладая всем необходимым оборудованием и материалами.

Список требуемого оборудования, а также принадлежностей:

Идеальным решением будет использование инфракрасной ПС. Это позволит полностью автоматизировать процесс запаивания, а также обеспечит высокое качество соединения. Однако часть мастеров предпочитают термовоздушные фены или пока не могут позволить себе ИК станцию. В таком случае следует обеспечить соответствующее качество выполняемых работ, а также четкий контроль нагрева.

На этом этапе, для предотвращения возникновения температурных деформаций PCB, нужно использовать предварительные нагреватели. О том, как выбрать предподогреватель можно узнать в статьях: «Как выбрать преднагреватель плат: гайд от Суперайс», а также «Почему так важен предварительный нагрев печатных плат».

Последний этап ремонта выполняется в следующей последовательности:

• осуществляется финальная проверка микрочипа, а также печатной платы на чистоту и отсутствие повреждений;
• контактные площадки на PCB покрывают флюсом, а затем размещают на преднагревателе;
• укладывают микрочип на место и выравнивают его по меткам;

В процессе припайки обязательно выполняют контроль нагрева чипа при помощи термопары подключенной к мультиметру, токоизмерительным клещам, при помощи инфракрасного пирометра или тепловизора.

Для финальной припайки нужно обязательно применять безотмывочный флюс. Он в процессе нагрева полностью испарится, а не останется между микрочипом и платой. Это предотвратит вероятность развития коррозии контактов, а также возникновения токов утечки.

Финальный штрих

По окончании под микроскопом припаивания выполняется общая оценка выполненной работы. При отсутствии дефектов, а также повреждений на PCB возвращают выпаянные элементы. Затем выполняют её отмывку и сборку устройства

Далее проводятся проверка и комплексное испытание отремонтированного оборудования.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ

Некоторые паяльные пасты содержали флюсы, с галогенсодержащими соединениями. Некоторые содержали очень небольшое количество галогенов и соответствовали определению Международной электрохимической комиссии (IEC) о безгалогенности, а некоторые не содержали галогенов совсем. Ожидается, что галогены в флюсе паяльной пасты улучшат активность пасты. Уровень содержания галогенов в 8 паяльных пастах, оцененных в этом исследовании, указан в таблице 1.

Все 8 паст были протестированы на риск образования мостиков припоя. Ограниченные ресурсы ограничили возможность исследования ударными тестами NWO и HoP 6 и 5 пастами соответственно.

Ударные испытания NWO.

Условия ударных испытаний NWO были созданы на образцах с уменьшением объема пасты за счет конструкции апертуры трафарета. Это привело к низкому объему флюса для очистки оксида на поверхности контактной площадки печатной платы, что привело к дефектам NWO. Корпуса FCBGA имели размер 42×28 мм с шагом шариков 0,65 мм и размещались на печатной плате толщиной 0,8 мм. Специальный трафарет с апертурой меньше, чем обычно, был разработан для увеличения количества дефектов NWO.

Корпуса были выбраны с одинаковым диапазоном коробления для всех исследований, чтобы уменьшить влияние коробления как переменной на результаты. Оплавление SMT проводили на воздухе с пиковой температурой 245°C. Три этапа с 12 образцами были проведены в одинаковых условиях для обеспечения воспроизводимости. Данные об объеме пасты на выводе отслеживались и нормализовались, чтобы смягчить влияние дисперсии печати. Интенсивность отказов на уровне выводов измерялась с помощью процесса анализа отказов Dye-n-Pry (Dye-n-Pry FA).

HoP ударный тест.

Для ударных испытаний HoP использовались корпуса FCBGA с размером 42×24 мм, шагом шариков 0,65 мм и толщиной платы 0,8 мм. Для создания условий ударных испытаний корпуса нагревались при 125°С в течение 48 часов. Это обеспечивало образование толстого оксида на поверхности шарика припоя. Кроме того, был разработан более тонкий трафарет с меньшей апертурой для нанесения небольшого объема пасты с малой высотой печати. Это было сделано для создания дефицита флюса для очистки поверхности окисла.

Корпуса были выбраны с одинаковым диапазоном коробления для всех исследований, чтобы уменьшить влияние этой переменной. Оплавление проводили на воздухе с пиковой температурой 245°C. Тест был проведен дважды, чтобы обеспечить воспроизводимость с 16-ю корпусами. Данные об объеме пасты на уровне вывода отслеживались, чтобы смягчить влияние изменчивости в процессе печати. Анализ дефектов HoP был выполнен с использованием процесса Dye-n-Pry FA, в котором для каждой пасты измерялась частота отказов на уровне вывода

Ударные испытания перемычек.

Перемычка припоя обычно образуется, когда паяные соединения сжимаются во время оплавления, когда припой все еще находится в расплавленном состоянии. Специальное приспособление использовалось для создания условий ударных испытаний, чтобы увеличить количество перемычек. В этом приспособлении, как показано на рисунке 5 (а), использовались грузы (30 г) для сжатия центра корпуса во время оплавления. Само приспособление весило 5 г, что приводило к силе ~ 35 г воздействующей на верхнюю часть каждого корпуса.

Корпуса представляли собой корпуса BGA размером 20,5×16,5 мм с шагом шариков 0,4 мм на печатной плате толщиной 0,7 мм. Корпуса были выбраны с одинаковым диапазоном коробления для всех исследований, чтобы уменьшить влияние этой переменной. Оплавление SMT проводили в среде N2 с пиковой температурой 245°C. Данные были собраны по нескольким сборкам с 12 корпусами на сборку. Данные об объеме пасты на уровне вывода отслеживались и нормализовались, чтобы смягчить влияние изменчивости в процессе печати. Уровень дефектов типа перемычек определяли с помощью рентгеноструктурного анализа, как показано на рисунке 5 (b).

(a) Крепление испытательной ударной установки Hammer с грузами, которые нужно сжать в середине корпуса, чтобы заставить припой формировать перемычки во время оплавления SMT.

(b) Несколько дефектов шунтирования были выделены на типичном рентгеновском снимке в центре пакет пост SMT.

Распространение припоя на купоне с органической защите меди (CuOSP)

Рисунок 6: Репрезентативное изображение теста на растекание припоя на купоне CuOSP, показывающее измерения растекания припоя и флюса (зеленый контур) с использованием максимальных диаметров растекания перпендикулярно друг другу

Вязкость

Вязкость паяльной пасты измеряли с помощью реометра Stresstech с пластинами диаметром 40 мм при зазоре 0,5 мм. Для измерения вязкости в зависимости от температуры от комнатной температуры до 90°C выполняли сканированием с динамическим линейным изменением температуры со скоростью линейного изменения 3,5°C/мин.

Липкость

Для паяльных паст был проведен анализ скорости сдвига для измерения вязкости при различных скоростях сдвига в диапазоне от 0,1/с до 5/с при 25°C на реометре AR-G2. Тиксотропный индекс рассчитывали, взяв коэффициенты вязкости при скоростях сдвига 0,13/с и 1,3/с.

Паяльник для пайки. Чем отличаются паяльники для электроники, как это влияет на качество пайки?

Для работы с электронными компонентами профессионалы имеют набор паяльников, отличающихся от обычных электропаяльников для пайки проводов. Они меньше по размеру и имеют более тонкие варианты заточек и специальные наконечники. Узкопрофильные паяльники предназначены для нанесения тонкого слоя припоя или точечного нагрева. Также, как и более массивные для более грубых работ, паяльники для электроники бывают нихромовые, керамические, индукционные и импульсные.

Паяльники различного типа нагрева имеют и разные варианты контроля за температурой жала для поддержания температуры в точке пайки. Также для качественной пайки необходим запас по мощности и быстрая реакция блока управления на изменение температуры в зоне пайки. Чем стабильнее температура в области пайки, тем лучше результат.

Реболлинг — это несложно

Процесс реболла только кажется сложным и трудоемким. Однако при должной практике вы быстро «набьёте руку» и повысите свои навыки. Четко соблюдая технологию, а также контролируя температурный режим вы добьётесь высокого качества ремонтных работ.

Однако не стоит забывать и об оснащении своего рабочего места. Имея необходимое оборудование, вы сможете выполнять весь комплекс ремонтных работы на высоком уровне. Чтобы выбрать необходимые приборы и инструменты мы советуем заглянуть в соответствующие статьи: «Выбираем оборудование для ремонтной мастерской. Часть 1.», а также «Выбираем оборудование для ремонтной мастерской. Часть 2.».

Если же у вас остались какие-либо вопросы, то их можно направить нашим консультантам. Они всегда готовы помочь.

Как непрофессионалу понять, что нужна эта операция?

Дефекты пайки приводят к дребезгу, пропадающему контакту, перепаду напряжения, изменению тока нагрузки. Старт холодного и теплого блока отличаются, а техника ведет себя нестандартно. Самое опасное в дефектах пайки (микротрещинах) — это искрение и воздушный пробой в работающей электронике. Всё это может сопровождаться сильным нагревом из- за малого сечения проводника. При этом плата начинает чернеть и обугливаться, появляется нагар, который проводит электрический ток.

Подготовка к боллингу

Прежде чем накатать шары на чип, подготовим поверхность. Наносим флюс на микросхему.

Пролуживаем пятаки чипа свинцовосодержащим припоем.

Отмываем чип с помощью ватной палочки, смоченной в спирте или специальном средстве для удаления флюса.

Совмещаем трафарет с контактами на чипе. Фиксируем микросхему термостойким скотчем, чтобы исключить смещение во время боллинга.

Трафарет готов. Теперь можно приступать к самой процедуре накатки, без которой невозможна пайка чипов BGA.

Демонтажные работы

Прежде всего, необходимо извлечь печатную плату с микрочипом, которая находится в устройстве. Корпус надо вскрывать аккуратно, чтобы ни в коем случае не повредить его. Так как в ремонте нуждаются самые разные устройства: телефон, ноутбук, планшет, телевизор, то для их разборки требуется специальный инструмент. Неудобно и ненадежно каждый раз выискивать что-то подходящее из подручных средств для этого. Поэтому хорошим выбором станет универсальный набор инструментов, который поможет аккуратно вскрыть корпус любого современного устройства.

Универсальный набор инструментов ремонтника

Убираем компаунд

Часто, особенно в мобильных устройствах, можно встретить чипы залитые специальным веществом. Это вещество – специальный компаунд. Он позволяет надежно герметизировать элементы. Под них не попадает случайно пролитая вода, а также не сконденсируется влага. Дополнительно компаунд обеспечивает надёжную фиксацию микрочипа, защищая его контактные соединения от разрыва при вибрации, а также ударах. Однако за всеми этими преимуществами стоит сложность снятия зафиксированных компаундом электронных компонентов.

Удалите компаунд по периметру чипа, а также с прилежащих к нему областей. После этого можно приступать к процедуре нагрева микрочипа и его снятию.

Извлекаем микросхему

Ремонт начинается с демонтажа электронного компонента с печатной платы. Для удобства ремонтируемую PCB нужно зафиксировать. Для этого можно воспользоваться специальным держателем. Такое приспособление будет удобно даже при обычных ремонтных работах с электроникой. Определится с держателем вы можете, прочитав нашу специальную статью: «Обзор держателей для печатных плат «третья рука»».

Платодержатели: BEST BST-001C (слева) и BANGSTOOL LFJH400 (справа)

Для снятия микросхемы необходимо прогреть припой соединяющий её с PCB до температуры плавления. Для решения этой задачи можно воспользоваться термовоздушной паяльной станцией (ТВ ПС), либо инфракрасной паяльной станции (ИК ПС).

Термовоздушные станции удобны для выполнения большинства операций по BGA и SMD пайке. Эти устройства компактны, просты в эксплуатации и обслуживании. Подробнее о выборе термовоздушных ПС можно прочитать в статье: «Как выбрать термовоздушную паяльную станцию?».

Термовоздушная ПС Quick 857DW+ (слева) и YIHUA-852D+ (справа)

Инфракрасные ПС имеют больший функционал и предназначены для выполнения серьёзных ремонтных работ. Таких, как: пайка процессоров, видеочипов, реболл графического процессора, микрочипов памяти, а также других.

Их ключевые особенности:

• наличие верхнего и нижнего нагревателей;
• точный контроль температуры нагрева за счет применения термоконтроллера или ПЛК (программируемого логического контроллера);
• дополнительное оборудование в виде вакуумного пинцета, системы позиционирования.

Более подробно о преимуществах, а также критериях выбора ИК ПС можно прочесть в наших статьях: «Как выбрать ИК станцию» , «Обзор паяльных станций или как выбрать паяльную станцию», «ТОП ИК станций».

Инфракрасные ПС для BGA корпусов: ACHI IR 6500 (слева) и Dinghua DH-A2E (справа)

Если микросхема вышла из строя, то при демонтаже можно не сильно беспокоиться о ее перегреве. В такой ситуации важно не повредить саму плату, соседние электронные компоненты, а также пластиковые элементы. Для обеспечения этого надо:

• при работе с термовоздушными нагревателями использовать насадки концентрирующие воздушный поток;
• при использовании ИК станций – оснащать их концентратором, насадкой или диафрагмой фокусирующей, или ограничивающей поток инфракрасного излучения;
• для защиты термочувствительных деталей и электронных компонентов от высокой температуры наклеивать на них алюминиевую клейкую ленту, медный самоклеящийся скотч или полиимидный термоскотч.

Ленты медная, лента алюминиевая, полиимидный скотч

Если предполагается, что компонент не поврежден, то контроль температуры при ее демонтаже очень важен. При использовании термовоздушных фенов выставляют температуру воздушного потока в 300-350 градусов, а на ИК ПС выбирается соответствующий профиль нагрева. В процессе нагрева обязательно выполняют контроль температуры термопарой, пирометром или тепловизором.

Для снятия еще горячего микрочипа, чтобы не обжечься, а также не повредить его при снятии, нужно воспользоваться вакуумным пинцетом.

Как перепаять BGA микросхему? Какие этапы работы существуют для этой процедуры?

Перепайка микросхемы требует не только опыта работы с высокотемпературным оборудованием и знания технологии, но и максимальной осторожности инженера, так как часто приходится спасать исправную микросхему. Поэтому половина успеха приходится на аккуратный демонтаж. И только опытный мастер может демонтировать чип, не повредив посадочные пятачки чипа и не испортив контактную дорожку. Этапы перепайки включают такие шаги:

• Демонтаж с использованием инфракрасной паяльной станции.
• Удаление припоя специальной впитывающей оплеткой с применением флюса.
• Формирование новых выводов микросхемы из пасты BGA или шариками через трафарет.
• Подготовка площадки.
• Нанесение флюса.
• Позиционирование и монтаж новой микросхемы.

В чем сложность операции, и почему ее не может сделать слесарь на заводе?

Самостоятельно припаять микросхему таким способом можно, только имея полный набор инвентаря, что крайне редко встречается в мастерской штатного технического персонала на производстве. Однако наличие расходников и инструментария не гарантирует высокое качество работы. Теоретические знания можно получить у опытного мастера, но сам процесс требует огромного опыта подобных работ. На результат может влиять даже недостаточные смачиваемость флюсом, удаление припоя и подготовка рабочей области при формально правильном соблюдении технологии.

Какие понадобятся инструменты для пайки?

Профессионалы в ремонтных мастерских имеют целый набор трафаретов для разных микросхем, изготовленных с помощью лазерных технологий. Для подогрева микросхемы необходима инфракрасная паяльная станция, прогревающая одинаково всю площадь печатной платы и сохраняющая выверенную температуру в течение всего заданного времени. Также инженер использует обычную паяльную станцию с паяльником и термофеном, стереомикроскоп для работы с мельчайшими компонентами, лезвия, вакуумный электрический пинцет и обычный пинцет с загнутыми губками для снятия чипа после распаивания и точной установки на плату. Для проведения процедуры применяются различные расходники: флюс, термоскотч, медная оплетка, растворитель флюса и загрязнений.

Паяльные пасты для поверхностного монтажа печатных плат

Технология поверхностного монтажа (SMD- или SMT-технология) – это процедура, получившая всемирную известность среди способов конструирования и производства электронно-вычислительных блоков на печатных платах. Она предполагает установку чипов на поверхность платы посредством пайки SMD-компонентов к контактной площадке. От осуществления эффективного процесса пайки микросхем зависит качество сборки электронного модуля, поэтому так важно подобрать качественные технологические материалы, а в частности паяльную пасту.

Паяльная паста представляет собой не что иное, как смесь из порошкообразного припоя с флюсом-связкой. Она характеризуется высокой клейкостью, умеренно густой консистенцией и гарантирует надежную фиксацию компонентов. Флюсовая часть в составе пастообразного припоя, играющая роль обезжиривателя, определяет его активность и необходимость обязательного удаления его остатков. Флюсы, с низкой концентрацией канифоли или синтетических смол, называются безотмывочными и не нуждается в обязательной отмывке.

В зависимости от типа используемого металлического сплава промышленность изготавливает пасты для пайки в двух вариациях

• свинцовые – со сплавами, которые включают свинец (преимущественно оловянно-свинцовый припой ПОС-63 Sn63/Pb37 и с добавлением серебра Sn62/Pb36/Ag2)
• бессвинцовые (на основе сплава олова, серебра и меди) в отличие от традиционных свинцовосодержащих припоев имеют большую температуру плавления и высокую прочность.

Паста для пайки SMD-компонентов нагревается при помощи фена или паяльника, оплавляется и после охлаждения превращается в твердый припой.

Припой в пасте содержится в форме шариков, размер которых составляет всего несколько десятков микрометров. Для нанесения пасты в промышленных масштабах применяется трафаретная печать, обеспечивающая высокую производительность и повторяемость процесса. Путем продавливания ракелем, шарики легко проходят через апертуры металлического трафарета, оставляя качественные отпечатки. Однако создание трафарета экономически нецелесообразно при малых объемах партии продукции. Трафаретная печать может выполняться на автоматах, полуавтоматах и вручную.

При единичном и мелкосерийном ремонте прибегают к методу дозирования. Поточечное нанесение пасты из шприца посредством дозатора обеспечивает нанесение определенного объема пасты и позволяет быстро перейти с одного чипа на другой. Дозирование может выполняться вручную, либо с использованием автоматического оборудования, в результате чего процесс легко механизируется и автоматизируется.

Миниатюризация в приборостроении привела к повышению плотности монтажа, и появились микросхемы, выполненные в корпусах BGA. При проведении операции реболлинга такого чипа, BGA пасту наносят на плотно прилегающий к поверхности корпуса трафарет подходящим по размеру шпателем. Оплавление происходит с применением термовоздушного комплекса с подачей горячего воздуха или инфракрасной паяльной станцией. BGA пасты широко применяются при ремонте мобильных устройств, материнских плат и видеокарт компьютеров.

У нас вы сможете купить качественные пастообразные припои MECHANIC XG 50 и XG-Z40, а также другие расходные материалы. Доставка заказов осуществляется не только в крупные города: Москву, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Краснодар, Нижний Новгород, но и по всей территории России.

Микроскоп бинокулярный. Для чего он, в какой момент используется?

Микроскоп бинокулярный или стереомикроскоп необходим инженеру для рассматривания миниатюрных электронных компонентов во время диагностики и оценки качества ремонта. Также он используется для поиска трещин, коррозии проводников печатной платы, позиционирования элементов поверхностного монтажа, чтения маркировки. Этот инструмент имеет 2 окуляра и один объектив, что позволяет ему демонстрировать объемное стереоизображение. Благодаря этому мастер видит все повреждения не на плоскости, а в трехмерном измерении. Стереоскоп значительно улучшает глубину диагностики и ускоряет ремонт.

Подбор материалов для пайки

После успешного прохождения проверки можно приступать к реболлингу. Операция состоит из двух основных этапов: «накатки» (наплавления) припоя и собственно припайки микрочипа на PCB. Каждый из этих этапов может быть выполнен с применением различного оборудования, а также по различной технологии.

Для реболла могут использоваться либо специальная паяльная паста, либо оловянно-свинцовый или бессвинцовый припой в виде шариков.

При наплавке часто пользуются трафаретными пластинами, однако даже при их отсутствии также возможно выполнить наплавку.

Трафаретодержатель (слева), набор из 18 универсальных трафаретов (справа)

Чтобы выполнить реболлинг чипа, потребуются дополнительные принадлежности:

Набор из 11 банок BGA паста для пайки Daikin Handa DK-309Bi и флюс MECHANIC MCN-UV10

Подбираем трафаретную пластину

Существует два типа трафаретных пластин для «холодной» и «горячей» накатки. Те, что предназначены для «горячей» накатки, не деформируются от температуры, по этому их используют как с пастой для пайки, так и с BGA шариками. Пластины для «холодной» накатки используют только для раскладки шариков по местам. При нагреве они сильно деформируются, что ведет к появлению серьёзных дефектов: непропай, слипание контактов, а также смещению припоя.

Различить их достаточно просто. Трафаретные пластины, применяемые для «горячей накатки» изготавливают в размер чипа или немного больше его. Это позволяет значительно уменьшить термическую деформацию. Все пластины, используемые для «холодной накатки» изготавливаются стандартного типоразмера на 80 мм
или 90 мм. Дополнительно они оснащаются отверстиями для фиксации в трафаретодержателе.

Всегда очищайте трафаретные пластины после использования. Это облегчит отделение его от чипа при будущих применениях.

Трафареты для «горячей» (слева) и «холодной» (справа) наплавки.

Также трафаретные пластины могут быть специальными или универсальными. Специальные изготавливаются под конкретный чип или его серию. На них выполняется надпись, указывающая для какого микрочипа он предназначен. Например, надпись «PS4 CXD90028G 0.5ММ» говорит нам, что трафарет предназначен для наплавления шариков размером 0,5 мм на чипы серии CXD90028G игровой консоли PlayStation 4.

На универсальных указывают два параметра: диаметр используемых шариков, а также шаг, с которым выполнены отверстия. Однако иногда вместо шага может указываться число отверстий по вертикали и горизонтали. Пример маркировки с указанием шага: «P=1.0 0.6MM». Пример маркировки с указанием числа отверстий: «0.76MM 34*34».

Если вы собираетесь серьёзно заниматься реболлингом, то нужно сразу приобрести крупный набор на 545 предметов. Это позволит вам быстро найти необходимую трафаретную пластину для конкретной микросхемы.

Трафаретные пластины: универсальная (слева) и специальная (справа)

Не пренебрегайте рекомендациями производителя по выбору размера шаров. Используя слишком большой диаметр, вы рискуете получить слипание контактов. При использовании слишком маленьких – получите высокое переходное сопротивление контактов. Это может привести к нестабильному функционированию микрочипа.

Выбор пасты или шариков

Что использовать, паяльную пасту или шары? Здесь всё индивидуально. Каждый мастер выбирает самостоятельно, то с чем ему работать. С чем ему удобнее или к чему уже привык. Давайте обсудим нюансы использования каждого материала.

Особенности применения пасты для пайки:

• занимает мало места;
• есть срок годности;
• требуется соблюдение условий хранения;
• возможна только «горячая» BGA накатка;
• при избытке флюса припой может «выпрыгнуть» из ячейки;
• при неплотном прилегании трафаретной пластины или при её температурной деформации возможно слипание контактов.
• Особенности применения шаров для процесса напайки:
• надо иметь запас разных диаметров;
• можно использовать технологию как «холодной», так и «горячей» напайки;
• четко дозированный объем припоя;
• можно напаивать контакты при отсутствии трафарета.

Емкости с шариками-припоем

Подготовка деталей к пайке

Перед монтажом микросхемы необходимо подготовить «пятаки» (контактные площадки) находящиеся на PCB. Надо убрать остатки припоя и компаунда. Для начала выставив 150 градусов, прогревают PCB термофеном или на столе преднагревателе. После размягчения компаунда его остатки соскребают деревянным шпателем или зубочисткой. По окончании операции посадочное место очищают изопропиловым спиртом и мягкой щеткой.

После очистки от компаунда приступают к удалению остатков припоя с контактных выводов. Эту операцию называют деболлинг. Для очистки используют паяльник с контролем температуры, например, это может быть паяльная станция YIHUA-852D+.

Передняя панель ПС YIHUA-852D+ отражающая текущую температуру нагрева

Как только площадка будет очищена можно приступать к удалению остатки флюса и других загрязнений.

Для облегчения снятия остатков припоя можно пролудить контакты низкотемпературным сплавом Розе.

При запайке старого или донорского чипа его контактные площадки также требуют очистки. Удаление припоя, а также остатков компаунда выполняется по той же технологии, что используется для PCB платы.

Для смывки различных загрязнений можно использовать: деионизованную (без ионов) воду, изопропиловый спирт или ацетон, а также обычную зубную щетку.

Проверяем состояния элементов

После очистки контактов выполняется оценка их состояния. Выявляются дефекты PCB, повреждения её контактных площадок и маски. Для этого необходимо воспользоваться микроскопом (МС).

Наиболее подходящими, для этого, считаются стереоскопические микроскопы. Однако некоторые мастера предпочитают промышленные микроскопы.

К преимуществам стереомикроскопов можно отнести:

• получение объемного изображения, что удобно для оценки компонентов, их состояния, отсутствия повреждений;
• большое рабочее расстояние позволяет работать различным инструментом (паяльник, фен и др.);
• защитное стекло, для протекции оптики от испарений, брызг припоя, а также высокой температуры.

Ряд моделей стереомикроскопов выполняются тринокулярными. Это позволяет установить на них камеру и выводить изображение на монитор или записывать видео рабочего процесса.

Стереоскопический микроскоп Crystallite ST-7045 (слева) и промышленный микроскоп Saike Digital SK2700HDMI-T2H (справа)

К достоинствам промышленных микроскопов можно отнести:

• компактность;
• большое рабочее расстояние;
• наличие цифровой видеокамеры.

Для выбора подходящего именно вам микроскопа ознакомьтесь со следующими статьями: «Как выбрать бинокулярный и тринокулярный стереомикроскоп», «Выбираем промышленный микроскоп» и «Обзор цифровых микроскопов Saike Digital».

При оценке контактов проверяют их состояния, а также необходимость выполнения восстановительных работ, качества пролуженности контактов, а также общее состояние электронного компонента и PCB.

Необходимые инструменты

Для проведения боллинга понадобятся следующие инструменты:

• паяльник;
• паяльный фен;
• флюс;
• свинцовосодержащий припой;
• паяльная паста;
• трафарет, который подходит под подошву чипа;
• термостойкий скотч;
• стекло (желательно от айфона);
• пинцет;
• ватные палочки, зубочистки и другие вспомогательные инструменты.

После подготовки рабочего места приступаем к реболлу чипа.

Технологии реболлинга

Технология наплавления контактных соединений едина для всех компонентов. Она не зависит от того выполняете вы реболлинг процессора, чипа памяти или же это реболлинг видеочипа. Для эффективного выполнения наплавки требуется только практика. Совершенствовать свои навыки можно на неисправных компонентах. Но для начала разберемся с основами технологии реболлинга.

Реболлинг пастой

Пасту для пайки можно использовать при отсутствии шаров подходящего диаметра. При использовании этой технологии нужно контролировать прилегание трафаретной пластины, а также наполненность его ячеек. Не должно быть избытка флюса, а также остатки паяльной пасты не должны находиться на его поверхности.

Ошибки в технологии могут привести к образованию перемычек между контактами, непропаю контактов или выпрыгиванию расплава из ячеек трафарета.

Последовательность операций следующая:

• нанесите флюс, а затем распределите его по контактным площадкам;
• разместите поверх чипа трафаретную пластину, выровняйте её, а затем зафиксируйте всю конструкцию в держателе;
• убедитесь в плотном прилегании пластины, а также отсутствии её изгибания;
• нанесите пастушпателем или лопаткой распределите ее по поверхности заполняя все свободные отверстия, излишки удалите;
• равномерно прогрейте конструкцию термофеном или ИК нагревателем до полного оплавления пасты;
• по окончании оплавления, дайте конструкции немного остыть, а затем аккуратно удалите трафарет;
• под микроскопом убедитесь в качестве наплавления; при необходимости еще раз прогрейте полученные соединения термофеном или допаяйте пропущенные участки;
• после полного остывания смойте с микрочипа остатки флюса.

Накатываем шарики при помощи трафарета

Преимущество шариков – это их строго выверенный диаметр. При их использовании формируются контакты единого размера. Также у них нет срока годности, а это значит, что им не требуется определенных условий хранения, как пастам для пайки. При всем при этом использование шаров значительно ускоряет процесс реболлинга.

В зависимости от используемого трафарета возможны два варианта накатки. Разберем оба.

«Горячая» накатка

При горячей накатке шарики BGA наплавляются без снятия трафаретной пластины.

• нанесите флюс и ровным тонким слоем размажьте его по поверхности микрочипа;
• разместите трафарет, а затем зафиксируйте всю конструкцию в держателе;
• разместите держатель в емкости для сбора излишков шаров;
• насыпьте немного шаров и распределите их по отверстиям кистью;
• выньте трафаретодержатель из емкости и разместите перед собой;
• равномерно прогрейте поверхность термофеном до полного оплавления припоя;
• дав конструкции немного остыть, аккуратно уберите трафарет;
• удостоверьтесь в качестве накатки, а при необходимости дополнительно прогрейте контактные соединения термофеном;
• после полного остывания чипа смойте остатки флюса.

Если трафаретодержатель не имеет площадки для сбора шариков, то разместите его в любой неглубокой емкости. Это позволит вам собрать просыпавшиеся шары и оставив рабочее место в чистоте.

«Холодная» накатка шаров BGA

Для выполнения «холодного» наката используют специальные трафаретожердатели со съемной верхней частью, а также трафаретные пластины с единым размером на 80 мм
или 90 мм.

• нанесите на микрочип флюс тонким слоем распределив его по поверхности;
• разместите чип в трафаретодержателе отцентрировав его;
• разместите трафарет в специальном держателе;
• соедините две части трафаретодержателя;
• выровняйте отверстия с контактными «пятаками» чипа, а затем зафиксируйте всю конструкцию винтами;
• насыпьте шары и распределите их по отверстиям;
• высыпьте излишки шариков, а затем аккуратно удалите трафарет;
• убедитесь, что все шары находятся на своих местах, а при необходимости скорректируйте их положение и доложите недостающие;
• извлеките микрочип из держателя и разместите на термостойкой поверхности;
• выставим минимальную скорость воздушного потока на термофене и равномерно прогрейте шары до их оплавления;
• удостоверьтесь в качестве напайки, в также отсутствии дефектов;
• после полного остывания промойте микросхему.

«Запекания» шаров можно выполнить на инфракрасных паяльных станциях. В таких установках отсутствует риск их сдувания потоком воздуха.

Накатываем шары на микросхему без использования трафаретов

Такой способ реболлинга достаточно трудоемкий. Его выполняют только шариками. Связано это с тем, что вручную нанести одинаковый объем пасты, даже используя шприц-дозатор, невозможно.

Оптимальный способ «накатки», в отсутствие трафарета, – это ручная раскладка шаров по контактным площадкам. Поверхность микрочипа предварительно покрывают флюсом, а затем используя пинцет, медицинский зонд или зубочистку для размещения по контактным площадкам.

По окончанию раскладки выполняется процедура запаивания. Она аналогична той, что применяется при «холодной» технологии.

Для снятия трафарета можно воспользоваться скальпелем либо тонким пинцетом. Помните, что для этого есть всего несколько секунд (не более 15 секунд с момента прекращения нагрева), пока флюс не застыл. Если же опоздать, то придется вновь прогревать микросхему, чтобы добиться размягчения флюса.

Что приводит оборудование к такой поломке до и после ремонта?

Разные микросхемы в сложной промышленной электронике отвечают за разные функции: питание, управление процессами, системами охлаждения и пр. Правильная работа микросхемы в таком корпусе возможна только при однородности и одинаковой форме шариков BGA и полноценном контакте спаиваемых поверхностей. В процессе эксплуатации удары, вибрация, перегрев, перепады напряжения, а также засорение системы охлаждения и отсутствие своевременной очистки приводят к деградации компонентов системы. В некоторых случаях невнимание к первым признакам оборачивается потерей микросхем без возможности восстановления. Для устаревшего или произведенного в единственном экземпляре на заказ это критично. Отслеживание нехарактерных проявлений и регулярное обслуживание уберегут технику от серьезной аварии и масштабного ремонта.

Где ключ у BGA микросхемы?

Как правило, ключ на микросхеме выполнен либо медной металлизацией в виде треугольника или уголка на микросхемах с открытым кристаллом, либо в виде медной полосы на микросхемах, где кристалл залит пластиком. Все контакты на чипах и платах содержат буквенно-цифровой адрес, то есть матрица имеет буквенное обозначение по горизонтали и цифровое по вертикали. Буквы I, O, Q, S, X и Z не используются в обозначениях, так как их можно перепутать с цифрами 1,0, 5, 2. Х не фигурирует, потому что часто используется в наименовании серии электронного компонента у разных производителей. Ключи на плате и микросхеме должны совпадать в процессе установки перед пайкой, как и распиновка.

Необходимость ремонта плат с BGA

Замена BGA чипов в первую очередь обусловлена выходом их из строя, во вторую — обрывом паяного контакта. Повреждение контактного соединения приводит к тому, что микросхема перестает полностью или частично осуществлять свои функции. Это отрицательно влияет на функционирование самого устройства и может привести к его полному выходу из строя.

Признаки повреждения BGA компонентов:

• после включения устройства дисплей остается черным, хотя индикаторы включения горят;
• устройство самостоятельно отключается через несколько минут или секунд после включения;
• устройство самопроизвольно многократно перезагружается;
• нет изображения;
• устройство включается не с первого раза.

Причины выхода микросхем из строя:

• перегрев, вызванный нарушением охлаждения;
• подача высокого напряжения, вызванное коротким замыканием, пробоем изоляции и т.п.;
• физическое разрушение микрочипа, вызванное ударом или деформацией.

Причины повреждения шариковых выводов:

• нарушение технологии запайки (загрязнение, не верная температура, время нагрева или охлаждения);
• не верный подбор материалов (флюса, размера BGA шаров, припоя);
• разрушение из-за попадания влаги;
• механические воздействия (удары, деформация).

Термовоздушная паяльная станция. Для чего она?

Термовоздушная паяльная станция представляет собой мощный фен, где для нагрева используется не жало, как в электропаяльниках, а струя горячего воздуха высокой температуры (до 500 градусов). Стабильная температура поддерживается регуляторами мощности, а температура отображается на индикаторе станции. Воздух поступает по гибкому шлангу на сопло и передается на поверхность через насадки разного размера, что предохраняет от нагревания соседние элементы. Этот инструмент незаменим для щадящего демонтажа и максимальной плотности соединений при монтаже микросхем. Такая паяльная станция применяется при вспомогательных работах для оплавления шариков на микросхеме. Также в такой конструкции специалисты паяют микросхемы BGA с малым количеством выводов для сокращения времени замены таких микросхем.

Техника безопасности

Все работы нужно проводить в хорошо вентилируемом помещении, так как при пайке образуются испарения, которые могут причинить вред вашему здоровью.

На некоторых этапах используются химикаты (например, при отмывке платы и компонентов). От них также выделяются испарения. Поэтому необходимо использовать средства личной защиты: очки, респиратор, перчатки.

Безопасность компонентов

Особую опасность для компонентов представляет статический заряд. Он способен вывести из строя электронные компоненты. Для защиты от статики необходимо использовать антиэлектростатические инструменты и принадлежности. А подробнее о статическом электричестве вы можете узнать в нашей статье: «Что такое электростатический разряд».

Следует помнить, что компонентам может нанести вред высокий уровень влажности, резкий перепад температур, а также любые непредвиденные механические воздействия. Поэтому в помещениях для их хранения и в самой мастерской должны быть приемлемые климатические условия. Рабочее же место мастера должно быть удобным, а также оборудовано всем необходимым оборудованием и принадлежностями.

Нижний подогрев для пайки BGA. Для чего применяется, что дает? Какая температура необходима? Какие альтернативы такого метода?

Если для демонтажа микросхемы от платы нагревать только микросхему, ее температура может быть выше, чем температура шариков припоя и платы. Это грозит перегревом и выходом из строя микросхемы, которая может быть вполне рабочей и не нуждаться в замене. Кроме того, верхний прогрев не создает одинаковую температуру по всей поверхности микросхемы, что не подходит для больших чипов.

Нижний подогрев обеспечивает равномерный прогрев плат большой площади (от 100 до 600 мм), при этом практически исключаются геометрические изменения плоскости плат. Без этого невозможно, не повредив плату, снять большой чип и совершенно невозможно установить обратно. Плата встанет “пузырем”. Температура нижнего подогрева выставляется алгоритмами программного обеспечения паяльной станции и составляет, в зависимости от профиля, примерно 200 градусов.

При одновременном прогреве сверху и снизу шарики плавятся равномерно по всей площади, что позволяет быстро демонтировать микросхему и предотвращает разрушение проводников на печатной плате.

Фиксируем трафарет пинцетом и наносим паяльную пасту через трафарет.

Излишки пасты убираем ватной палочкой без нажима.

Накладываем сверху на трафарет стекло. Придавливаем его пинцетом и начинаем нагревать паяльным феном. Температура должна составлять около 295 градусов. Греем до появления шариков из припоя.

После затвердевания шариков убираем скотч и снимаем чип с трафарета. Наносим на микросхему флюс.

Дуем на чип паяльным феном, чтобы выровнять шарики на контактах. Зачищаем поверхность с помощью щётки.

Готово! Теперь можно выполнять пайку микросхемы BGA. Наша eMMC-память готова к соединению с материнской платой.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Частота дефектов NWO на уровне выводов была рассчитана на основе процесса Dye-n-Pry с использованием уравнения (1).

Значительная разница наблюдалась в частоте дефектов NWO между различными пастами. Коэффициент NWO варьировался от 0,2% до 33% для разных паст. Корреляции между содержанием галогенов в пасте и процентом дефектов NWO не наблюдалось. Однако между растеканием припоя по купонам CuOSP и скоростью NWO наблюдалась сильная корреляция, как показано на рисунке 7. Если флюс из пасты может легко очистить OSP на поверхности образца, это приведет к растеканию припоя большого диаметра. Чтобы избежать дефектов NWO, флюс должен выполнять свое флюсующее действие, растворяя OSP и удаляя оксиды меди с поверхности контактной площадки печатной платы до того, как паяльная паста отделится от контактной площадки, чтобы обеспечить большее сцепление пасты с контактной площадкой печатной платы чем с шариком припоя BGA.

Рисунок 7: График скорости NWO на уровне выводов (в логарифмической шкале) и распределения припоя на купоне CuOSP. Наблюдается логарифмическая корреляция. Красный, синий и зеленый цвета обозначают галогенсодержащую, безгалогенную и безгалогенную пасты соответственно

Рисунок 8. Снижение липкости показало мягкую корреляцию со скоростью NWO, при этом 2 пасты с наихудшими характеристиками показали самые большие относительные уменьшения липкости при переходе от комнатной температуры к высокой температуре

«Голова на подушке» (HoP)

Подобно NWO, скорость HoP также рассчитывалась на уровне выводов на основе процесса Dye-n-Pry с использованием уравнения (2).

Общий показатель HoP варьировался от 0,2% до 2,8%, как показано на рис.9.

Рис. 9. Здесь наблюдается отрицательная корреляция между распространением припоя на купоне CuOSP и сопротивлением HoP пасты. Это указывает на потенциальный механизм, при котором активные компоненты флюса этих паст расходуются на очистку ОСП на контактной площадки и не могут очистить оксид на поверхности BGA.

Рис. 9. Частота дефектов HoP на уровне выводов обратно пропорциональна распространению припоя по купону CuOSP

Перемычки припоя

Изменение коробления от платы к плате невелико и не учитывалось.

Однако из-за изменчивости, присущей процессу печати пасты, фактические объемы пасты, на контактных площадках печатных плат разные для каждого корпуса. На рис. 10 показано влияние объема печати на формирование перемычек. Объем пасты B имел значительное влияние на формирование перемычек. Это влияние затруднило оценку производительности пасты путем сравнения абсолютного количества перемычек без учета объема пасты. Высокое количество дефектов SB могло возникнуть из-за чрезмерного количества пасты, а не из-за различных свойств паст. На рис. 10 представлена диаграмма изменчивости объема пасты (Paste Volume) % для двух разных паст на двух разных платах. Красные точки обозначают объем пасты для выводов с перемычками. В других местах нет перемычек.

Для учета этого несоответствия используется метод взвешивания, который
разработан для уменьшения воздействия объема пасты, чтобы можно было сравнить характеристики паст. Вставить объем пасты в процентах к объему апертуры трафарета измеряется с помощью инструмента для проверки пасты. При методе взвешивания объем пасты в процентах нормализован к диапазону (0,1) по уравнению (3),
где — Norm_PasteVol — нормализованный объем пасты в процентах;

— PinperVol — объем пасты в процентах для для каждого вывода, а — MinPinperVol и MaxPinperVol — являются минимальным и максимальным процентным объемом пасты.

Вес для каждого вывода с перемычкой, Wgted_PasteVol, рассчитывается по уравнению (4), которое обратно нормализованному объему пасты. Паста большей высоты будет иметь меньший вес. Сумма Wgted_PasteVol для всех выводов с перемычками в одном корпусе используется как взвешенная метрика (Weighted_SB_Risk) в уравнении (5)) для корпуса.

𝑊𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡𝑒𝑑 𝑆𝐵 𝑅𝑖𝑠𝑘 = 𝑆𝑢𝑚 (𝑊𝑔𝑡𝑒𝑑𝑃𝑎𝑠𝑡𝑒𝑉𝑜𝑙 𝑓𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑙 𝑆𝐵𝑒𝑑 𝑃𝑖𝑛𝑠 𝑜𝑓𝑎 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑎𝑔𝑒) (5)

Рис. 11 иллюстрирует результаты взвешенного риска возникновения перемычек и коррелирует с вязкостью пасты при высоких
температурах (90°С). Это указывает на то, что вязкость пасты падает ниже ~ 15 Па-с при 90°C, риск образования перемычек при оплавлении значительно увеличивается.

Рис. 11. График зависимости высокотемпературной вязкости от Взвешенный риск образования перемычек припоя оценивается для всех 8 паяльных паст.

Аналогичный взвешенный подход к риску для дефектов HoP и NWO был исследован. Однако, поскольку испытание на растекание припоя CuOSP также включает в себя печать пасты, на результаты взвешенного подхода будут влиять объемы печати пасты для лабораторного уровня тестирования. Удивительно, но подход взвешенного риска не существенно влияет на результаты корреляции HoP и NWO.

Производительность печати.

Стабильная производительность печати является ключевым аспектом для паяльной пасты, поскольку она существенно влияет на выход паяных соединений и качество после оплавления. Поэтому было проведено исследование пригодности к печати для ударного теста NWO. Соотношение площади апертуры трафарета для этого конкретного теста составило 0,60, что является более агрессивным, чем отраслевой стандарт — 0,66 для типовых паст T4. Технологическая способность (Cp) для печати пастой показала хорошую корреляцию с тиксотропным индексом паст, как показано на рисунке 12.

Более высокий тиксотропный индекс привел к более высокому Cp, т.е. лучшей эффективности печати. Поскольку тиксотропный индекс представляет собой отношение вязкости при низкой скорости сдвига к вязкости при высокой скорости сдвига, более высокий тиксотропный индекс указывает на истончение при сдвиге или относительно большее падение вязкости при высоких скоростях сдвига. Это будет означать относительно более низкую вязкость паяльной пасты во время сдвига пасты ракелем, чтобы обеспечить максимальное проникновение пасты в отверстия трафарета. После нанесения пасты с относительно низкой вязкостью при высокой скорости сдвига это также поможет во время отрыва трафарета, обеспечивая лучший перенос пасты на плату и меньшее прилипание к трафарету.

Рисунок 12: График тиксотропного индекса в зависимости от возможностей процесса печати (Cp). Для всех 8 исследованных паяльных паст.

ВЫВОДЫ

В целом не наблюдалось корреляции между содержанием галогенов в паяльных пастах и риском образования в них дефектов NWO или HoP. Это указывает на то, что смолы, кислоты и амины в пасте оказывают большее влияние на активность, чем содержание галогенов.

Результаты этого исследования будут использованы для разработки паяльной пасты следующего поколения у различных поставщиков пасты. Они также могут использоваться производителями собраных плат (OEM/ODM) для оценки уровня риска для различных паст образования различных типов дефектов и для проверки качества различных партий материала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Амир, Дуди, Сатьяджит Валвадкар, Шриниваса Аравамудхан и Лилия Мэй. «Проблемы дефектов BGA типа несмачивания». Материалы международной конференции SMTA. 2012.

2. Амир, Дуди, Райо Аспандиар, Скотт Баттарс, Вей Чин и Парамджит Гилл. «Режимы отказа SMT с «головой на подушке»». Материалы международной конференции SMTA (2009 г., стр. 409-421.

3. Индиум, «Понимание химии флюса». Доступно в интернете:documents.indium.com/qdynamo/download.php?docid=296.

4. Ленц, Тони и Ф. К. Т. Сборка. «Рассеивание «черной магии» паяльной пасты». Материалы конференции IPC Apex Expo, 2015 г.

5. Д. Балух и Г. Миноуг, «Основы технологии паяльной пасты», Материалы международной конференции Global SMT & Packaging, декабрь 2017 г. Доступно в Интернете: https://www.smtnet.com/library/files/upload/fundamentals_of_solder_paste_technology.pdf

6. Ито М. Общие сведения о паяльной пасте. Технический отчет, KOKI Company Limited, Токио, Япония, 1999 г.

7. IPC-TM-650, пункт 2.4.44 «Паяльная паста — испытание на липкость» Доступно на сайте: https://www.ipc.org/TM/2.4.44.pdf

8. IPC-TM-650, пункт 2.4.35, «Испытание паяльной пасты на осадку». Доступно в Интернете: https://www.ipc.org/TM/2.4.35.pdf.

9. Лю, Ян, Памела Фиакко и Нин-Ченг Ли. «Тестирование и профилактика от возникновения дефекта типа «голова на подушке»». Материалы международной конференции SMTA, 14–18 октября 2018 г., Роузмонт, Иллинойс, США, Конференция по электронным компонентам и технологиям (ECTC), IEEE, 2010 г., стр. 451-455.

10. Бат, Джасбир, Роберто Гарсия, Нориёси Учида, Хадзиме Такахаши, Гордон Кларк и Манабу Ито. «Исследование и разработка оловянно-свинцовых и бессвинцовых паяльных паст для уменьшения дефектов пайки компонентов в виде «головы на подушке»». Материалы международной конференции Global SMT & Packaging, Том 9, вып. 12 (2009): 10-16.

Благодарность

Авторы хотели бы поблагодарить доктора Джинлин Ван и Питера Маккенну за поддержку в характеристиках лабораторного уровня. Авторы также благодарят доктора Райо Аспандиара за помощь в редактировании рукописи.