Dlaczego Reballing?

W zakładach naprawiających sprzęt elektroniczny, często okazuje się, że elementy typu BGA są zbyt cenne lub czas dostawy zbyt długi, aby je odrzucić po usunięciu z płytki. Wówczas konieczne jest odtworzenie wyprowadzeń układów BGA w postaci kulek, w celu ponownego użycia układu a niekiedy nawet przed jego pierwszym montażem. Co więcej, wprowadzanie dyrektyw RoHS oraz WEEE spowodowało, że w układach BGA, które wyposażone są nadal w wyprowadzenia zawierające ołów należałoby je wymienić, jeśli będą montowane z użyciem technologii bezołowiowej. Istnieje jednak też druga strona medalu. Dziś większość producentów elementów elektronicznych wytwarza elementy zgodnie z dyrektywami RoHS oraz WEEE. Niestety te same elementy bezołowiowe, które są wykorzystywane szeroko w urządzeniach elektroniki konsumenckiej, niekiedy sprawiają problemy w urządzeniach dla przemysłu militarnego oraz w urządzeniach medycznych. Wtedy też istnieje konieczność reballingu wyprowadzeń układów BGA na technologię ołowiową. Proces reballingu układów BGA można podzielić na kilka głównych etapów: 1. Przygotowanie układu BGA oraz płytki elektronicznej. 2. Przygotowanie szablonu. 3. Nakładanie topnika. 4. Nakładanie kulek. 5. Lutowanie. 6. Czyszczenie. 7. Wygrzewanie. 8. Kontrola jakości połączeń. 1. Przygotowanie układu BGA oraz płytki elektronicznej Układy BGA oraz płytka przed procesem reballingu powinny zostać wygrzane w celu usunięcia wilgoci i tym samym wyeliminowania możliwości powstania efektu „popcorningu”. Efekt ten jest bardzo niebezpieczny, bo niewidoczny dla nieuzbrojonego oka i może ujawnić się dopiero w procesie ponownego montażu układu. Zgodnie ze standardem JEDEC wygrzewanie powinno się przeprowadzić w temperaturze 125°C. Czas wygrzewania może wynosić od 4 do 48 godzin i zależy od grubości obudowy układu oraz określonego przez producenta poziomu wrażliwości komponentu na wilgoć (MSL – Moisture Sensitivity Level). Wskaźnik MSL określa czas przechowywania elementu wrażliwego na wilgoć w warunkach otoczenia (30°C/60%RH). Istnieje możliwość wygrzewania elementów w niższej temperaturze przy dłuższym czasie, w przypadku kiedy układ lub płytka mogą ulec zniszczeniu. Z układu oraz płytki należy również usunąć pozostałości lutowia. Najpopularniejszym i najszybszym sposobem jest wykorzystanie tasiemki miedzianej. Niestety ta metoda jest najtrudniejsza ze względu na możliwość oderwania padów i uszkodzenia soldermaski. W tym przypadku ważny jest odpowiedni dobór grubości tasiemki, grota lutownicy oraz temperatury grzania. Dodatkowo należy podgrzać płytkę do temperatury 100-150°C aby ułatwić usuwanie lutowia. Kolejnym sposobem jest zanurzenie elementu w tyglu z roztopionym lutowiem. W tym celu jednak musimy znać rodzaj stopu zastosowanego na pozostałościach wyprowadzeń, aby ustawić odpowiednią temperaturę i dodatkowo nie zanieczyścić pozostałego lutowia. Wadą tej metody jest fakt, że powierzchnia nie jest dostatecznie płaska, co utrudnia proces reballingu i wpływa na końcowy wymiar kulek. Inną metodą jest użycie urządzenia do odsysania lutowia. Metoda ta jest niestety bardzo czasochłonna, ale najbezpieczniejsza dla padów. Pozostałości tlenków oraz po usuwaniu lutowia czyścimy alkoholem izopropylowym (o wysokiej czystości). Najlepiej sprawdza się tutaj myjka ultradźwiękowa. Po każdym procesie należy też sprawdzić powierzchnię, czy nie została uszkodzona. 2. Przygotowanie szablonu Do nakładania kulek wykorzystuje się szablony stanowiące matrycę z otworami odpowiadające padom układu BGA. Plik Gerbera opisujący ułożenie oraz wielkość otworów można wygenerować na podstawie projektu układu lub też na podstawie pomiaru jego wymiarów oraz średnicy użytych kulek. Grubość szablonu powinna wynosić co najmniej połowę średnicy kulki BGA. Dla przykładu, dla kulek o średnicy 1mm grubość szablonu do reballingu wynosi: 500 – 600µm. Ważnym aspektem projektu szablonu jest również dobór średnicy otworów w szablonie. W celu zapewnienia poprawnego pozycjonowania kulek w szablonie, średnica otworów powinna być o 15% większa od maksymalnej średnicy kulki (z uwzględnieniem maksymalnej tolerancji kulki). Szablony BGA, ze względu na znaczną grubość, wycina się laserowo z użyciem sprężonego tlenu (ciśnienie gazu 16bar) jako gazu procesowego. Zapewnia to wymaganą precyzję i stabilność wymiarową szablonu, prostopadłość oraz gładkość ścian otworów. Szablony wycinane są na podstawie wygenerowanych uprzednio plików Gerbera dla danego układu BGA. Dodatkową zaletą jest stosunkowo tani koszt wykonania takiego szablonu. 3. Nakładanie topnika W procesie reballingu dobrze jest stosować topniki o dużej lepkości, które są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Zapewniają one, że kulki w procesie ich nakładania będą trzymać się padów lutowniczych, podłoże będzie dobrze przygotowane do lutowania, a same pady zwilżone na całej powierzchni podłoża. Nie zaleca się stosowanie topników typu No-Clean. Są one zbyt mało aktywne, żeby pozwoliły na poprawne zwilżenie padów układu BGA. Nie są również rozpuszczalne w wodzie, tym samym ciężko jest usunąć pozostałości topnika po lutowaniu. Topnik należy nakładać cienką warstwą na całą powierzchnię elementu od strony padów. Ilość topnika powinna być odpowiednio dobrana, zbyt mało topnika nie pozwoli na poprawne połączenie kulki do podłoża, zbyt dużo topnika może spowodować przesunięcie kulki a tym samym zwarcie na układzie. 4.Nakładanie kulek Proces nakładania kulek najlepiej przeprowadzić jest używając specjalnego uchwytu. Jego unikalna konstrukcja pozwala w łatwy sposób wycentrować dowolny szablon w stosunku do układu BGA. Kulki wysypywane są na szablon i miękką szczoteczką „umieszczane” w otworach. Pozostałe kulki są usuwane w celu ponownego użycia. 5. Lutowanie Lutowanie kulek do układu przeprowadza się najczęściej na urządzeniach zwanych stacjami naprawczymi. Posiadają one górny i dolny promiennik ciepła, termopary do pomiaru temperatury oraz mogą rejestrować przebieg procesu. Dzięki temu możliwe jest dokładne ustawienie profilu lutowania dla każdego układu BGA. Jest to jeden z najważniejszych czynników wpływających na poprawność procesu reballingu. Profil lutowania jest uzależniony od kilku czynników takich jak: rodzaj i masa elementu, jego wymiary oraz rodzaj użytego stopu lutowniczego kulek. Przy ustalaniu profilu temperaturowego dla danego układu należy zawsze sugerować się zaleceniami producenta. 6. Czyszczenie Najłatwiejszym sposobem czyszczenia układu z pozostałości topnika jest oczywiście mycie ręczne. W przypadku serii prototypowych lub małych jest to ekonomicznie uzasadnione, jednak przy większych partiach bardziej opłacalny staje się zakup urządzenia myjącego. Spowodowane jest to mniejszym zużyciem środka myjącego oraz powtarzalnością rezultatów. Najlepsze obecnie środki myjące to te, które bazują na wodzie. Są one stosunkowo tanie, efektywne w usuwaniu topników i łatwe do przechowywania. 7. Wygrzewanie Pomimo najlepszych wytycznych normy JSTD-033 w zakresie kontroli pochłaniania wilgoci przez elementy elektroniczne, pojawiają się przypadki kiedy poziom MSL nie jest znany. Ma to miejsce między innymi po wykonanym procesie reballingu. Zakłada się wtedy możliwie najgorszy poziom MSL dla układu i wygrzewa go przez okres 48 godzin w temperaturze 125°C. 8. Kontrola jakości połączeń. Kontrola powinna dotyczyć pozostałości topnika po lutowaniu oraz niepolutowanych kulek. Wymagana jest dokładna inspekcja aby zapobiec późniejszej korozji a tym samym zwiększyć niezawodność połączeń. Do tego celu najlepiej wykorzystać mikroskop stereoskopowy lub inne narzędzie z powiększeniem optycznym. Proces reballingu układów BGA jest bardzo skomplikowany i precyzyjny do przeprowadzenia. Bez zaawansowanych narzędzi, znajomości procesów lutowania można łatwo doprowadzić do uszkodzenia często drogich i trudnodostępnych elementów typu BGA. Przystępując do takiej wymiany należy zdawać sobie dokładnie z tego sprawę i najlepiej wyposażyć się w odpowiednią stację lutowniczą/naprawczą. Autorem artykułu jest Piotr Ciszewski z firmy Semicon