W poprzednich częściach tego cyklu kilka razy poruszaliśmy temat układów scalonych w obudowach QFN (Link, Link, Link). Tego rodzaju obudowy są bardzo popularne w elektronice, jednakże ich poprawny montaż jest nieco trudniejszy niż np. układów w obudowach TSSOP czy SOIC. Wiele zależy od projektu pól lutowniczych na PCB, sposobu przechowywania płytki drukowanej przed montażem, ilości i sposobu nakładania pasty lutowniczej, pozycjonowania układu czy temperatury w piecu lutowniczym.
W poniższym artykule prześledzimy część z powyższych aspektów montażu QFN na przykładzie konkretnego urządzenia - systemu do monitorowania poziomu oleju i paliwa w samochodzie oraz wyświetlania monitów informacyjnych. Płytki zostały zmontowane na linii do montażu automatycznego, jednakże podczas testów i programowania okazało się, że nie działają poprawnie. Objawia się to niemożnością połączenia się z procesorem płytki poprzez port szeregowy. Po podłączeniu zasilania do modułu zapala się również na czerwono lampka kontrolna portu szeregowego. Komputer próbujący zaprogramować procesor w układzie wyświetla monity, że nie może znaleźć podłączonego urządzenia i nie może zaprogramować mikrokontrolera na pokładzie.
Aby określić, co jest przyczyną niepoprawnego zachowania modułu, należy wykonać kilka kolejnych kroków. Pierwszym z nich jest, zawsze, sprawdzenie działania sekcji zasilania w systemie. Ten moduł zasilany jest napięciem 12 V, dlatego analizę należy rozpocząć od złącza zasilania, a następnie przeanalizować, czy układ jest normalnie zasilony, czy nie występują żadne zwarcia itp. Następnie zbadać należy stabilizator napięcia obecny w układzie, czy podaje odpowiednie napięcie dla dalszej części systemu. Jeśli wszystko to jest prawidłowe, można przejść do następnego etapu badań i analiz.
Ponieważ komputer programujący jest podłączony do punktu testowego na płytce drukowanej, a problemem jest brak komunikacji, to przy punktach testowych odpowiedzialnych za komunikację należy rozpocząć analizę układu. Korzystając z multimetru, punkt po punkcie, należy potwierdzić, że ścieżki od pól testowych do układu scalonego poprawnie przewodzą. Na zdjęciu po lewej stronie pokazano lokalizację pól testowych portu szeregowego.
W pierwszej kolejności mierzymy napięcie zasilające na stykach programatora. W opisywanym przypadku pomiędzy polem masy a zasilania zmierzono prawidłowe napięcie 5 V. Jednakże napięcie robocze na dwóch pinach sygnałowych interfejsu jest nieprawidłowe i nie mieści się w normalnym zakresie roboczym sygnałów portu szeregowego. Idąc tym tropem, należy analizować system "w górę sygnału", sprawdzając kolejne połączenia. Okazuje się, że te punkty testowe są bezpośrednio połączone z układem ATMEGA168PA-MU - mikrokontrolerem AVR w obudowie QFN. Po prawej stronie przedstawiono schematyczny obraz wyprowadzeń tego układu wraz z opisem funkcji poszczególnych pinów mikrokontrolera.
Po bliższej analizie okazało się, że mikrokontroler nie działa poprawnie. Po sprawdzeniu obwodów peryferyjnych tego układu, okazało się, że nie one są tego przyczyną. Problemem jest jego montaż. Za pomocą mikroskopu sprawdzono, czy stan lutowania chipa jest poprawny. Jak widać na poniższym zdjęciu, podczas montażu automatycznego układ QFN nie został poprawnie przylutowany.
Lutowanie poprawiono manualnie z pomocą zwykłej lutownicy grotowej. Lutowie powinno wypełnić w całości narożnik tworzony pomiędzy układem scalonym a PCB. Po wykonaniu nowych lutów należy ponownie zweryfikować jakość połączeń. Po ponownym przylutowaniu elementu QFN nie ma dalszych problemów z połączeniem z portem szeregowym. Udało się także poprawnie zaprogramować układ.
Powody niepoprawnego lutowania układów w obudowach QFN
Jednym z powodów powstawania niepoprawnych połączeń w układach QFN, jest utlenienie padów układu. Na obrazku po prawej stronie widoczne są czarne plamy na padach - są to ogniska w których powierzchnia metalu uległa utlenieniu na skutek niepoprawnego przechowywania elementu. Aby zredukować wpływ czynników środowiskowych na elementy elektroniczne pakuje się je próżniowo. Oprócz tego, należy na linii produkcyjnej sprawdzać losowe elementy na wypadek występowania oksydacji ich pól lutowniczych.
Po otwarciu elementów z fabrycznych, próżniowych opakowań, należy umieszczać je w szczelnych szafach - osuszaczach - utrzymywanych w temperaturze 26±2℃.
Innym problemem, jaki przyczynić może się do niepełnego lutowania, jest słaba jakość padów na płytce drukowanej. One także mogą być utlenione lub ewentualnie niepokryte w pełni cyną podczas produkcji. Aby uniknąć tego rodzaju problemów, należy dokonywać inspekcji wykorzystywanych płytek i przechowywać je w magazynie w odpowiednich warunkach: wilgotność na poziomie 30-70% i temperatura 15-30 ° C. Płytki powinny być przechowywane nie dłużej niż 6 miesięcy.
Rozsądne użycie i kontrola ilości nakładanej pasty lutowniczej bezpośrednio wpływa na późniejszą jakość połączeń lutowanych. Dlatego konieczne jest odpowiednie wykorzystywanie pasty lutowniczej. Po pierwsze, pasta lutownicza musi być odpowiednio przechowywana. Pasta lutownicza powinna być przechowywana w lodówce - w temperaturze od 0°C do 10°C. Pasta powinna być przechowywana nie dłużej niż 6 miesięcy - po takim czasie może nie nadawać się do dalszego wykorzystania. Pastę można przechowywać do 12 godzin poza lodówką, po tym czasie należy ją ponownie schłodzić. Przed umieszczeniem na linii produkcyjnej pastę należy ogrzać przez około 2h do temperatury pokojowej. Przed użyciem pasty lutowniczej należy ją mieszać mikserem przez 2–5 minut.
Podsumowanie
Niepoprawne lutowanie QFN zdarza się dosyć często na liniach do automatycznego montażu. Aby uniknąć tego rodzaju problemów należy kontrolować wiele aspektów, takich jak konstrukcja płytki drukowanej, przechowywanie PCB, kontrola i odpowiednie magazynowanie samych chipów, a także odpowiednie przechowywanie pasty lutowniczej etc. Każdy proces musi być wykonany zgodnie ze ścisłymi wytycznymi oraz z przepisami, w celu zapewnienia odpowiedniej jakości produktu końcowego.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/karenzou/articles/qfn-chips-bad-soldering-analysis-and-solution
W poniższym artykule prześledzimy część z powyższych aspektów montażu QFN na przykładzie konkretnego urządzenia - systemu do monitorowania poziomu oleju i paliwa w samochodzie oraz wyświetlania monitów informacyjnych. Płytki zostały zmontowane na linii do montażu automatycznego, jednakże podczas testów i programowania okazało się, że nie działają poprawnie. Objawia się to niemożnością połączenia się z procesorem płytki poprzez port szeregowy. Po podłączeniu zasilania do modułu zapala się również na czerwono lampka kontrolna portu szeregowego. Komputer próbujący zaprogramować procesor w układzie wyświetla monity, że nie może znaleźć podłączonego urządzenia i nie może zaprogramować mikrokontrolera na pokładzie.
W pierwszej kolejności mierzymy napięcie zasilające na stykach programatora. W opisywanym przypadku pomiędzy polem masy a zasilania zmierzono prawidłowe napięcie 5 V. Jednakże napięcie robocze na dwóch pinach sygnałowych interfejsu jest nieprawidłowe i nie mieści się w normalnym zakresie roboczym sygnałów portu szeregowego. Idąc tym tropem, należy analizować system "w górę sygnału", sprawdzając kolejne połączenia. Okazuje się, że te punkty testowe są bezpośrednio połączone z układem ATMEGA168PA-MU - mikrokontrolerem AVR w obudowie QFN. Po prawej stronie przedstawiono schematyczny obraz wyprowadzeń tego układu wraz z opisem funkcji poszczególnych pinów mikrokontrolera.
Po bliższej analizie okazało się, że mikrokontroler nie działa poprawnie. Po sprawdzeniu obwodów peryferyjnych tego układu, okazało się, że nie one są tego przyczyną. Problemem jest jego montaż. Za pomocą mikroskopu sprawdzono, czy stan lutowania chipa jest poprawny. Jak widać na poniższym zdjęciu, podczas montażu automatycznego układ QFN nie został poprawnie przylutowany.
Powody niepoprawnego lutowania układów w obudowach QFN
Po otwarciu elementów z fabrycznych, próżniowych opakowań, należy umieszczać je w szczelnych szafach - osuszaczach - utrzymywanych w temperaturze 26±2℃.
Innym problemem, jaki przyczynić może się do niepełnego lutowania, jest słaba jakość padów na płytce drukowanej. One także mogą być utlenione lub ewentualnie niepokryte w pełni cyną podczas produkcji. Aby uniknąć tego rodzaju problemów, należy dokonywać inspekcji wykorzystywanych płytek i przechowywać je w magazynie w odpowiednich warunkach: wilgotność na poziomie 30-70% i temperatura 15-30 ° C. Płytki powinny być przechowywane nie dłużej niż 6 miesięcy.
Rozsądne użycie i kontrola ilości nakładanej pasty lutowniczej bezpośrednio wpływa na późniejszą jakość połączeń lutowanych. Dlatego konieczne jest odpowiednie wykorzystywanie pasty lutowniczej. Po pierwsze, pasta lutownicza musi być odpowiednio przechowywana. Pasta lutownicza powinna być przechowywana w lodówce - w temperaturze od 0°C do 10°C. Pasta powinna być przechowywana nie dłużej niż 6 miesięcy - po takim czasie może nie nadawać się do dalszego wykorzystania. Pastę można przechowywać do 12 godzin poza lodówką, po tym czasie należy ją ponownie schłodzić. Przed umieszczeniem na linii produkcyjnej pastę należy ogrzać przez około 2h do temperatury pokojowej. Przed użyciem pasty lutowniczej należy ją mieszać mikserem przez 2–5 minut.
Podsumowanie
Niepoprawne lutowanie QFN zdarza się dosyć często na liniach do automatycznego montażu. Aby uniknąć tego rodzaju problemów należy kontrolować wiele aspektów, takich jak konstrukcja płytki drukowanej, przechowywanie PCB, kontrola i odpowiednie magazynowanie samych chipów, a także odpowiednie przechowywanie pasty lutowniczej etc. Każdy proces musi być wykonany zgodnie ze ścisłymi wytycznymi oraz z przepisami, w celu zapewnienia odpowiedniej jakości produktu końcowego.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/karenzou/articles/qfn-chips-bad-soldering-analysis-and-solution
Cool? Ranking DIY
może wszyscy się czegoś nauczymy.
