Реболлинг: вторая жизнь BGA микросхем
Развитие компонентов BGA и последующий выход директив RoHS и WEEE сделали выполнение ремонта BGA-микросхем весьма интересной и актуальной задачей, для решения которой требуется реболлинг. Данный процесс необходим как для ремонта, удаления или замены микросхемы, так и для ее инсталляции на бессвинцовую печатную плату. В статье рассматриваются история и причины возникновения реболлинга, а также освещаются способы и техники применения этого метода, которые помогут сделать выполнение реболлинга более удобным, а его результат — более надежным и качественным.
Исторический экскурс
Микросхемы BGA появились в ответ на возросшую потребность рынка в миниатюризации и усложнении электронных устройств и, соответственно, используемых для их изготовления компонентов и печатных плат. Постоянное уменьшение габаритов электронных компонентов и плат привело к тому, что шаг выводов достиг своего предела, дальнейшее его сокращение сделало бы невозможным пайку без образования перемычек. Выходом из сложившейся ситуации стали корпуса с матричными выводами. Благодаря переносу выводов на нижнюю часть компонента, доступная для соединений площадь увеличилась на 30-50%, при этом позволив оставить размер корпуса неизменным. Разработчики компонентов быстро оценили огромный потенциал корпусов с матричными выводами и стали активно использовать их в своих проектах. В идеальном мире подобные корпуса, и в особенности BGA, стали бы решением всех проблем с площадями при монтаже компонентов на платы. Но наш мир пока далек от идеального, поэтому и в работе с BGA бывают сложности, а точнее – необходимость с завидной регулярностью удалять и заменять эти микросхемы, а значит, выполнять реболлинг BGA.
Почему именно реболлинг?
Реболлинг шариков припоя в микросхеме BGA может потребоваться как при удалении или замене компонента, так и перед первичной установкой компонента на плату. В последнем случае реболлинг требуется, если необходимо использовать свинецсодержащую микросхему BGA, предназначенную для пайки оловом/свинцом, в бессвинцовой сборке.
Нередко встречается и обратная ситуация, когда бессвинцовый компонент в корпусе BGA должен быть установлен в свинецсодержащее устройство. Такая нестыковка случается, т.к. многие изготовители электронных компонентов в рамках оптимизации производственных процессов выпускают всю продукцию по бессвинцовой технологии, а их клиенты, выполняющие сборку электроники двойного назначения и приборов для медицинских применений, в силу различных причин вынуждены использовать свинец в своих изделиях. Бывает, что заказчики такой продукции прямо ставят производителю условие, по которому конечное устройство должно содержать некоторое количество свинца. Это актуально как для Европы и Америки, так и для России. Так, например, пункт о том, что используемый для пайки компонентов припой должен содержать не менее 1% свинца встречается в контрактах Министерства Обороны США (та же ситуация характерна и для российских компаний, составляющих свои договоры с учётом требований ГОСТ Р 56427-2015 – прим. переводчика).
В этом случае процедура реболлинга позволяет производителю установить бессвинцовую микросхему BGA в изготавливаемое устройство, поскольку даёт возможность заменить шарики припоя на свинецсодержащие.
Помимо описанной выше ситуации, реболлинг необходим, если компонент BGA требуется удалить и/или заменить по причине имеющегося дефекта микросхемы или выполненной пайки, а также в случае, если неповреждённую работающую микросхему BGA планируется использовать повторно.
Демонтаж микросхемы BGA
Рассмотрим, как и что происходит на том этапе реболлинга, когда компонент BGA отделяется от печатной платы.
Для демонтажа BGA необходимо выбрать правильный временной/температурный профиль (термопрофиль) – набор параметров для паяльной печи или ремонтной станции, который определяет, как долго и до какой температуры следует нагревать устройство. Цель термопрофиля – расплавить частицы припоя внутри паяльной пасты или шарика BGA без перегрева или повреждения электронного компонента. При расчёте корректного временного/температурного профиля для удаления микросхемы BGA следует использовать в качестве отправной точки тот TTP, который был применён во время монтажа этой микросхемы на плату.
При нагреве устройства сплав припоя шариков BGA переходит в жидкое состояние, что позволяет удалить корпус BGA, не повредив ни саму микросхему, ни печатную плату, на которой она была установлена. При этом нужно быть готовым к тому, что часть шариков припоя прилипнет к печатной плате, часть - разделится между платой и микросхемой, а часть – останется на поверхности корпуса BGA. Кстати, в этом заключается главная причина, по которой данная процедура должна проводиться заранее, если затем планируется установка этой микросхемы в другое устройство. Шарики BGA должны располагаться равномерно на поверхности корпуса, чтобы при монтаже микросхему можно было разместить параллельно поверхности печатной платы.
Также немаловажно обратить внимание на удаление остатков припоя с поверхности микросхемы. Припой, сохранившийся с прошлой пайки, не может обеспечить должное качество паяного соединения из-за разрушения материала, неоднократно подвергавшегося нагреву. Об этом пойдёт речь далее.
Процесс реболлинга
На этот этап микросхема BGA поступает либо будучи извлечённой из устройства и имея старые, неровные шарики припоя, либо будучи новой, но произведённой по неподходящей технологии (в зависимости от ситуации с содержанием свинца или без него, о чём шла речь выше). С этого момента процесс реболлинга одинаков для всех случаев.
Сначала шарики припоя нужно удалить с нижней части корпуса микросхемы BGA. Эта процедура также проста, как очистка печатной платы при подготовке её к монтажу электронных компонентов. Сделать это можно, например, при помощи паяльника с наконечником требуемого размера, флюса и оплетки для удаления шариков припоя.
Затем нужно тщательно очистить корпус BGA. Для этого используется изопропиловый спирт или другие способы очистки, разрешенные для обработки конкретной микросхемы, и безворсовая ткань для протирки площадок компонента BGA.
Непосредственно восстановление шариков на подготовленную микросхему может производиться разными способами: вручную, с помощью трафарета или при помощи специальной установки. Каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.
Ручной способ наиболее трудоёмкий и не может обеспечить достаточную точность расстановки шариков, но не требует сложного оборудования.
Расстановка шариков при помощи трафарета более эффективна с точки зрения временных затрат, но для выполнения реболлинга этим методом требуется разработать и приобрести трафарет. Варианты трафаретов могут различаться: одноразовый полиамидный трафарет или многоразовый стальной. Так же могут различаться и применяемые материалы - готовые шарики из припоя или паяльная паста для их выплавления. Далее описаны два наиболее предпочтительных способа восстановления шариков: 1) при помощи одноразовых трафаретов с применением паяльной пасты и 2) с применением специальной установки по расстановке готовых шариков.
Реболлинг с использованием трафаретов
Для замены шариков припоя этим способом следует выбрать одноразовый трафарет для реболлинга нужного размера и конфигурации. Одноразовые трафареты для реболлинга можно настроить под любой размер BGA и любую конфигурацию шариков.
Далее необходимо нанести паяльную пасту на нижнюю часть компонента BGA и выровнять её по трафарету.
Теперь компонент BGA готов к нагреву в паяльной печи или посредством ремонтной станции либо другими способами нагрева до нужной температуры. Следует учитывать, что температура и время нагрева зависят от конкретной микросхемы. Требуемый термопрофиль можно узнать у производителя компонента или припоя.
Когда BGA полностью остынет, необходимо снять полиамидную пленку и снова очистить микросхему, как это делалось ранее.
Данный способ восстановления выводов BGA имеет значительный недостаток - неравномерность размера шариков и зачастую большое количество пустот внутри них.
Автоматизированный реболлинг на специальной установке
Наилучшее качество обеспечивает способ с применением специальной установки по расстановке готовых шариков. Благодаря автоматизации шарики расставляются с высокой точностью, а их размер контролируется и будет стабилен. Готовые шарики содержат меньше пустот, чем выплавленные из паяльной пасты. Трудоёмкость так же снижается благодаря автоматизации.
Такие установки обычно совмещены с ремонтной станцией и позволяют без дополнительных перемещений сразу производить нагрев, чтобы закрепить шарики на площадках подложки микросхемы. Современные установки позволяют точно выставлять и контролировать термопрофиль, что очень важно для сохранения работоспособности микросхемы.
Минус этого метода в том, что требуется покупка дорогостоящего оборудования.
Заключение
Технология BGA за короткое время прошла длинный путь от редко используемой диковинки до обязательного компонента практически в любой электронной сборке.
Реболлинг BGA, безусловно, имеет светлое будущее и множество перспектив. Главное – не забывать о важности правильно подобранного термопрофиля и использования современных методов реболлинга.
Последнее крайне важно в свете стремительно развивающихся технологий, и, как следствие, повышения требований к компаниям, которые оказывают услуги по сборке электроники.
Сергей Шихов, директор по управлению проектами А-КОНТРАКТ:
В современной электронике все технологии, связанные с применением BGA-компонентов, являются более чем актуальными. Хочется подчеркнуть, что для отечественного рынка сегодня эти вопросы также стоят весьма остро. И хотя реболлинг как таковой, безусловно, вреден для микросхем, поскольку при этой процедуре компонент подвергается дополнительным циклам нагрев/охлаждение, что не идет ему на пользу, в некоторых случаях реболлинг допустим и даже необходим. Так, например, при сборке изделий ответственного назначения без реболлинга вообще практически не обойтись, так как почти все доступные BGA-компоненты поставляются в бессвинцовом исполнении и нуждаются в замене шариков в соответствии с требованиями ГОСТ Р 56427.
Как верно отмечено в статье, есть несколько методов реболлинга, и каждый производитель сам выбирает тот способ выполнения реболлинга, который является для него оптимальным. В А-КОНТРАКТ мы делаем ставку на качество и стабильность результата, а потому стараемся по максимуму автоматизировать все производственные процессы, в том числе и процесс реболлинга. Для этого у нас есть автоматизированная система размещения шариков припоя, которая дает нам возможность выполнять качественный ремонт и замену шариков выводов BGA в довольно сжатые сроки даже при больших партиях микросхем.
По материалам публикации Криса Роберсона (Kris Roberso, MIT, BEST Inc.) «Светлое будущее реболлинга».
