Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PCBwayPCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak projektować płytki drukowane PCB - część 16 - montaż układów BGA

ghost666 09 Lip 2020 11:27 1884 5
  • Jak projektować płytki drukowane PCB - część 16 - montaż układów BGA
    Lutowanie układów BGA daje możliwość uzyskania niezawodnych połączeń, o ile jest wykonane przy użyciu prawidłowej procedury. Układy BGA coraz częściej wykorzystywane są w wielu systemach i na wielu płytkach drukowanych, dlatego świadomość, w jaki sposób przygotować laminat pod lutowanie BGA jest nie mniej istotna niż podstawowe informacje dotyczące projektowania płytek drukowanych pod te układy.

    Zaletami obudów BGA jest wysoka gęstość wyprowadzeń, niska impedancja termiczna i indukcyjności pinów. Wady to zarówno brak elastyczności połączenia, trudność w kontroli zarówno jakości lutowania, jak i trudności w projektowaniu samych płytek drukowanych, jak i ich lutowaniu. Montaż układów BGA jest drogim procesem, dlatego też w większości przypadków stosuje się go jedynie w naprawdę uzasadnionych przypadkach. Układy w obudowach BGA mogą wykorzystywać wiele materiałów. Oprócz samej struktury krzemowej w układzie, często wykorzystuje się tworzywa sztuczne, ceramikę itp.

    Lutowanie BGA

    W przypadku obudów BGA piny układu w dolnej jego części są zastępowane kulkami ze stopu lutowniczego. Każde pole lutownicze na spodzie obudowy jest wstępnie zabezpieczone małą kulką z cyny. Kulki te nakładane mogą być ręcznie lub za pomocą automatów. Kiedy urządzenie do montażu SMD kładzie się na płytce drukowanej, kulki lutownicze odpowiadają swoją pozycją miedzianym polom - padom - na płytce drukowanej. Następnie układ jest podgrzewany w piecu rozpływowym lub w wiązce podczerwieni w celu roztopienie kulek. Napięcie powierzchniowe roztopienie lutowia powoduje, że stopiony materiał zachowuje kształt zbliżony do kuli, a jednocześnie jest w stanie utrzymać układ scalony w poziomie nad płytką drukowaną. Przy prawidłowej odległości separacji, gdy kulka jest schłodzona, powstałe złącze lutowane, które zapewnia optymalną przewodność cieplną i elektryczną. Skład stopu lutowniczego i temperatura lutowania są starannie dobierane, aby lutowie nie stopiło się całkowicie, ale pozostało półpłynne, dzięki czemu każda kulka mogła pozostać oddzielona od swoich sąsiadów.

    Z uwagi na sposób wyprowadzenia pinów elementów w obudowach BGA ich ręczne lutowanie nastręcza wielu elektronikom czy serwisantom problemów. Nie jest to jednak tak straszne, jeśli postępować będziemy zgodnie z poniższymi radami. Przed lutowaniem BGA najpierw musimy dokładnie wyczyścić płytki PCB i elementy BGA. W przypadku BGA, gładka powierzchnia bez zadziorów jest krytyczna.

    Czyszczenie wylutowanych układów BGA

    1. Umieść układ BGA na podkładce przewodzącej i nałóż niewielką ilość pasty lutowniczej na powierzchnię spodnią układu BGA.
    2. Zdejmij kulki z układu BGA z pomocą taśmy miedzianej odciągającej nadmiar spoiwa. Umieść drut lutowniczy i lutownicę na układzie. Pozwól lutownicy podgrzać drut chłonny i stopić kulkę przed przesunięciem chłonnej taśmy po powierzchni BGA. Uwaga: nie pozwól, aby lutownica naciskała zbytnio na powierzchnię. Zbyt duży nacisk spowoduje zeskrobywanie padów z powierzchni układu.
    3. Natychmiast oczyść powierzchnię BGA alkoholem przemysłowym (np. izopropanolem). Układ należy dokładnie wyczyścić, aby usunąć m.in. topniki z powierzchni spodniej elementu BGA. Czyszczenie zawsze zaczynaj od krawędzi i nie zapominaj o narożnikach elementu. Wyczyść każdy BGA czystym wacikiem nasączonym alkoholem.
    4. Zbadaj pod mikroskopem elektrody układu, czy nie są uszkodzone lub nie mają nieusuniętych fragmentów kulek.
    5. Wyczyść powierzchnię elementu BGA wodą dejonizowaną i miękką szczotką.
    6. Dodatkowe płukanie BGA dejonizowaną wodą pomaga usunąć resztki pasty lutowniczej z powierzchni elementu. Po czyszczeniu element należy odłożyć do wyschnięcia.

    Po oczyszczeniu układ BGA należy osuszyć. W przypadku montażu przemysłowego nowych elementów brak wilgoci gwarantuje się przechowywaniem elementów w hermetycznych opakowaniach aż do momentu, gdy umieszczane są na płytce PCB. Producent elementów określa w specyfikacji, ile czasu może maksymalnie spędzić element poza hermetycznym opakowaniem, aby nadawał się do montażu. W przypadku ręcznego przelutowywania układów w obudowach BGA element należy umieścić w suszarce lub, gdy jej nie posiadamy, piecu o stałej temperaturze równej ok. 80..90°C i wygrzewać go przez 10...20 godzin, w celu usunięcia wilgoci. Czas i temperaturę wygrzewania należy dostosować do stopnia zawilgocenia układu. Typowo układ powinien osiągnąć wilgotność na poziomie 0,2%.

    W czasie wszystkich operacji należy nosić opaski lub rękawice antystatyczne, aby uniknąć uszkodzenia układu spowodowanego elektrycznością statyczną z naszego ciała.

    Przed lutowaniem ustaw układ BGA dokładnie na swoim miejscu na płytce drukowanej. Istnieją dwie metody: wyrównanie optyczne i wyrównanie ręczne. Obecnie głównie korzysta się z ręcznego wyrównywania, tj. BGA wokół płytki PCB wokół linii naniesionej metodą sitodruku. Można sobie tym pomóc prostą sztuczką - w procesie wyrównywania linii BGA i sitodruku możemy nie wyrównać idealnie elementu - nawet jeżeli układ jest przesunięty o około 30% wielkości pola lutowniczego, to jest w stanie wyrównać się podczas lutowania. Ponieważ podczas procesu topienia kulka automatycznie wyrówna się z padem na PCB ze względu na napięcie powierzchniowe stopionego lutowia, jest w stanie przesunąć układ nad pady.

    Po zakończeniu operacji wyrównywania należy umieścić PCB na stacji roboczej BGA i zamocować ją tak, aby znajdowała się na odpowiednim poziomie stacji roboczej. Następnie należy wybrać odpowiednią dyszę do gorącego powietrza i zaprogramować odpowiednią krzywą temperatury. Po przygotowaniu wszystkich potrzebnych narzędzi można rozpocząć lutowanie. Proces taki przebiega automatycznie i jeśli linia jest dobrze zaprojektowana, powinien dać nam poprawnie przylutowany układ BGA. Jednakże, niezależnie od tego, jak jesteśmy pewni naszego procesu, warto jest kontrolować jego wyniki.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 16 - montaż układów BGA
    Kontrola lutowania układów BGA

    Ponieważ wyprowadzenia układu znajdują się pod obudową, nie można dokonać w prosty sposób wizualnej kontroli jakości lutowania. Dlatego producenci elektroniki zwykle używają automatycznej kontroli rentgenowskiej do kontroli jakości lutowania układów w obudowach BGA. Ta forma kontroli BGA jest w stanie spojrzeć przez urządzenie na lutowane złącze poniżej. W przypadku urządzenia rentgenowskiego obraz lutu na PCB jest zacieniony, ponieważ lut znajduje pomiędzy układem a PCB. Technologia rentgenowska pozwala na wykrywanie ukrytych wad spoiny.

    Alternatywną metodą jest wykorzystanie specjalnego mikroskopu, z optyką zaprojektowaną do oglądania układów scalonych od boku. Układ taki składa się z kamery oraz, najczęściej światłowodowego źródła światła. Źródło światła umieszcza się po jednej stronie układu, a kamera po drugiej stronie. Pozwala to, do pewnego stopnia, na obserwację poszczególnych kulek, na których umieszczony jest układ. Regulując punkt ostrości kamery, możliwe jest analizowanie kulek znajdujących się na różnej głębokości pod układem. W większości wypadków, system taki jest w stanie dojrzeć zwarcia czy brak kulki w miejscu, gdzie powinna się ona znajdować. Przykład tego rodzaju systemu pokazano na filmie poniżej.



    Lutowanie układów BGA jest ważne - często są to centralne, skomplikowane układy wielu urządzeń elektronicznych. Po obudowy BGA sięga się, by urządzenia i gadżety były mniejsze i cieńsze. Technologia lutowania BGA jest bardzo niezawodna, jeśli wykonana jest przy użyciu właściwej procedury, odpowiednich narzędzi i materiałów wysokiej jakości.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/karenzou/articles/how-to-solder-bga-on-pcb-board

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9872 postów o ocenie 8097, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • PCBwayPCBway
  • #2
    piotr_go
    Konstruktor DIY elektronika
  • PCBwayPCBway
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    piotr_go napisał:
    Déjà vu?
    Ten artykuł nie poleciał do kosza kilka miesięcy temu?


    Wrócił na warsztat, po poprawkach powrócił na forum :).
  • #5
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Grzegorz_madera napisał:
    ghost666 napisał:
    w celu rozpuszczenia kulek. Napięcie powierzchniowe rozpuszczonego
    Chyba raczej chodzi o roztopienie kulek...


    Tak, dzięki za uwagę :) poprawione.
  • #6
    Baskhaal
    Poziom 14  
    Pamiętam ten art. Jest sporo poprawione, także w jed ym z tematów, które ja podniosłem - MSL czyli jak radzić sobie z wilgocią. Tutaj autor poprawił dużo ale nadal zostawił babola. Nie ma opcji aby przelutowywać komponenty MSL bez poprawnego wysuszenia, a to nie oznacza "80-90 stopni i ileś godzin" tylko należy się odnieść do datasheet od producenta - tam będzie podana temperatura i czas wymagany w suszarce. Tyle oczywiście teoria i standardy jakościowe. Praktyka u amatorów to i tak ma w "D" często hehe. ;)
    Ps. Ze strony producentów bga (i pochodnych) oraz według standardów jakościowych założenie jest takie, że nie ma opcji rework / replace dla tych układów.