eng
Выпуск #5/1999
В. Новоселов.
Оптическая система ERSASCOPE 2000. Контроль качества пайки BGA
Оптическая система ERSASCOPE 2000. Контроль качества пайки BGA
Просмотры: 3045
Серьезную проблему при массовом внедрении в электронные изделия перспективных корпусов компонентов с матричными выводами BGA представляет выходной контроль качества их пайки.
Успешно решить ее поможет разработанная немецкой фирмой ERSA оптическая система ERSASCOPE 2000, которая обеспечивает визуальный контроль паяных соединений под корпусом компонента. По мнению специалистов, ERSASCOPE 2000 обещает стать одним из наиболее интересных экспонатов на Всемирной выставке Productronica’99 в ноябре текущего года.
Успешно решить ее поможет разработанная немецкой фирмой ERSA оптическая система ERSASCOPE 2000, которая обеспечивает визуальный контроль паяных соединений под корпусом компонента. По мнению специалистов, ERSASCOPE 2000 обещает стать одним из наиболее интересных экспонатов на Всемирной выставке Productronica’99 в ноябре текущего года.
В современном производстве электронной аппаратуры как потребительского, так и промышленного назначения, наблюдается устойчивая тенденция перехода от применения корпусов компонентов с краевым расположением выводов к поверхностно монтируемым корпусам с матричными выводами. Причина в том, что последние обеспечивают не только большее число выводов на единицу площади и массы (табл.), но и лучшие механические, электрические и стоимостные характеристики изделий. Применение корпусов с матрицей сферических выводов (BGA) приводит к сокращению линейных размеров компонентов и внутрисхемных соединений, что способствует не только миниатюризации электронных изделий, но и повышению их рабочих частот. Требования к точности позиционирования корпуса BGA на печатной плате менее жесткие, чем для корпуса QFP с краевым расположением и малым шагом выводов, ибо расстояние между матричными выводами больше. Кроме того, легкие матричные корпуса BGA (за исключением керамических) самоцентрируются в процессе оплавления выводов. Поэтому установка и пайка корпусов BGA менее трудоемкая, чем QFP, и, следовательно, дешевле.
По существу самой тяжелой проблемой, связанной с массовым внедрением BGA в изделия электроники, остается выходной контроль качества пайки выводов. Трудность его проведения в том, что выводы компонента расположены в недоступной для наблюдения зоне – под плоскостью корпуса.
МЕТОДЫ ВЫХОДНОГО КОНТРОЛЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ С BGA
До настоящего времени рентгеновский контроль был единственным действенным методом неразрушающего контроля качества пайки плавких сферических выводов компонентов типа BGA, CSP и Flip Chip, которые расположены непосредственно под корпусом. Рентгеновский снимок корпуса BGA в проекции на печатную плату позволяет выявить весьма широкий спектр типовых дефектов, образующихся в ходе пайки: межвыводные перемычки, смещения, пустоты. Однако рентгеновский контроль неэффективен для обнаружения таких дефектов пайки BGA, как “холодная пайка”, микротрещины между выводом и контактной площадкой платы, дефекты оплавления выводов, избыточные остатки флюса или паяльной пасты под корпусом BGA. Приведем пример. Поскольку силами поверхностного натяжения уже на начальной фазе пайки сферические выводы легких (пластмассовых) корпусов BGA и CSP автоматически центрируются относительно контактных площадок (при условии, что корпус изначально позиционирован с линейным смещением, не превышающим допустимого значения), на рентгеновском снимке “холодная пайка” может выглядеть практически идеально. И еще один немаловажный фактор – высокоточное рентгеновское оборудование исключительно дорого и потому малодоступно небольшим фирмам в качестве повседневного рабочего инструмента контроля качества.
К методам неразрушающего контроля качества, в том числе изделий, содержащих BGA, традиционно относится и функциональный контроль. К сожалению, при дефекте “холодная пайка” функциональный тест на правильность электрических соединений может показать такой же успешный результат, как и при безупречной пайке, поскольку в обоих случаях электрическое соединение выводов микросхемы с контактными площадками платы не нарушено.
Таким образом, по результатам даже двух типов неразрушающего контроля – рентгеновского и функционального, невозможно сделать вывод о качестве пайки, а именно о ее механической прочности и долговечности.
Для выборочного разрушающего контроля применяются два метода. Это анализ внутренней структуры металлических выводов BGA после пайки (в срезе) с помощью электронного микроскопа и типовое испытание на растяжение (отрыв). Структурный анализ позволяет идентифицировать результат физико-химических процессов пайки в диффузионных слоях контактирующих металлов и сделать заключение о ее качестве. Как известно, температура и продолжительность образования межметаллических диффузионных слоев при соединении металлов пайкой определяют долговременную прочность паяного соединения. Путем визуального осмотра среза паяного вывода BGA под электронным микроскопом можно сделать заключение о температурном профиле процесса пайки: при “холодной пайке” для образования достаточно глубоких диффузионных слоев соединения металлов не хватает тепла, при избыточной же температуре пайки эти слои становятся слишком глубокими и “рыхлыми”. В обоих случаях из-за неправильного температурного профиля пайки прочность паяного соединения резко снижена. Испытание на растяжение позволяет оценить прочность пайки как интегрального показателя качества. Выводы BGA в состоянии “холодной пайки”, образующейся в результате недостаточного прогрева или недостаточной степени смачивания контактной площадки припоем, при приложении определенного усилия растяжения отрываются от контактной площадки. Напротив, если условия пайки соблюдены безупречно, паяное соединение между выводом BGA и контактной площадкой оказывается прочнее соединения контактной площадки с платой, и, как следствие, при выполнении теста на растяжение происходит обрыв контактной площадки, а не вывода BGA.
Совершенно очевидно, что из экономических соображений любые методы разрушающего контроля можно применять лишь на небольшой выборке изделий.
Необходимым и экономически эффективным дополнением к методам неразрушающего контроля пайки BGA служит визуальный оптический контроль, возможность которого специалисты известной немецкой фирмы ERSA (www.ersa.de) обосновали по физико-химическим свойствам и видимым состояниям выводов, соответстующим различным фазам пайки.
Перед началом процесса пайки (рис.1, состояние А) сферические выводы BGA (Sn63Pb37) позиционируют на контактные площадки печатной платы с достаточной (не обязательно максимальной) степенью точности. Нижняя плоскость корпуса BGA параллельна печатной плате и отстоит от нее на высоту, определяемую конкретным видом корпуса (1 мм в примере на рис.2а). Форма всех выводов BGA идентична – правильная сферическая. Поверхность выводов гладкая, слегка матовая.
Процесс оплавления выводов начинается при температуре 183°C (состояние B на рис.1). Под действием сил гравитации происходит первичное “оседание” BGA, и расстояние между корпусом и платой сокращается (до 0,8 мм на рис.2б). Форма выводов BGA становится бочкообразной, а поверхность тускнеет, но остается гладкой.
По достижении пиковой температуры пайки 2250С (состояние С на рис.1) происходит полное оплавление выводов и смачивание контактных площадок платы припоем. Вторичное “оседание” BGA приводит к уменьшению высоты корпуса над платой (до 0,5 мм на рис.2в). Результирующая форма выводов – расплющенная эллиптическая. Поверхность выводов гладкая, блестящая.
КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ERSASCOPE 2000
Немецкой фирмой ERSA разработана первая в мире оптическая система контроля качества пайки BGA – ERSASCOPE 2000, которая обеспечивает визуальный контроль паяных выводов под корпусом компонента. Идея системы – заглянув под корпус BGA, проконтролировать правильность формы выводов, оплавленных в результате пайки, копланарность и отсутствие перемычек. У выводов, ближайших к краям корпуса BGA, можно рассмотреть форму и поверхность, а кроме того – мениски, если при пайке была использована паяльная паста (это касается прежде всего керамических BGA). Уникальный оптический инструмент вместе с программным обеспечением ImageDoc позволяет измерять величину зазора между плоскостью BGA и платой, анализировать форму и степень оплавления выводов BGA после пайки, что не только открывает новые возможности выходного контроля на современных электронных производствах, но и упрощает документирование технологических процессов в соответствии с ISO 9000.
Применение ERSASCOPE 2000 может помочь в том числе и там, где рентгеновский контроль бессилен, а систематическое применение разрушающих методов невозможно по экономическим соображениям.
В состав ERSASCOPE 2000 (рис.3) входит оптическая часть на штативе и компьютерная часть с устройством отображения. Изделие (печатная плата) закрепляется в штативе так, что элементы оптической системы с высоким разрешением “охватывают” корпус BGA (рис.4). С одной стороны корпуса BGA находится мощный (150Вт) миниатюрный источник света с волоконной оптикой, c противоположной стороны – головка оптического приемника с регулируемым фокусным расстоянием (0–55 мм). Минимальный зазор между корпусом BGA и печатной платой, при котором система работает устойчиво, составляет всего 0,05 мм. Максимальные линейные размеры корпуса BGA, для которых мощность подсветки достаточна, – 50 мм. Изображение с приемной оптической головки передается в компьютер для обработки и на монитор (c увеличением до 350 раз) для человеко-машинного анализа в реальном времени.
При процедуре контроля оптическую головку ERSASCOPE исходно устанавливают на плату к угловому выводу корпуса BGA, а элемент подсветки – с противоположной стороны корпуса. Угловой вывод A (рис.5) проверяют на двойное оседание, а также анализируют форму и качество его поверхности. С помощью программного обеспечения ImageDoc измеряют абсолютное значение зазора между корпусом BGA и платой. Оператор задает минимальный зазор, соответствующий корректному состоянию C при двойном оседании BGA для конкрентных условий (например, 0,5 мм). Если условие соответствия в точке A выполнено, плату вручную продвигают вдоль головки по направлению к точке C. Свободное прохождение света от элемента подсветки к оптической приемной головке означает отсутствие перемычек во всех межвыводных просветах B. Затем проверяют пайку в точке C с измерением зазора и сравнением его в определяемых оператором пределах допусков копланарности (например + 0,1 мм). Аналогичную процедуру повторяют по другой координате после поворота оптических элементов системы на 90°. Если выводы A, C и E удовлетворяют стандартам высоты и копланарности, и все промежутки B и D свободны от межвыводных перемычек, это означает, что все внутренние выводы BGA претерпели корректное двойное оседание при пайке и не замкнуты между собой. Решение об идентичности высот всех выводов BGA справедливо только при условии, что ни плата, ни корпус BGA не были деформированы, то есть не претерпели изгиба (рис.6) в процессе пайки. Удостовериться в этом можно, измерив высоту одного из внутренних (центральных) выводов BGA через межвыводной просвет (B или D) с изменением фокусного расстояния оптической головки системы. Следует отметить, что если даже соседние с BGA компоненты на печатной плате расположены на расстоянии, меньшем, чем пространство, необходимое для свободного перемещения оптических элементов системы ERSASCOPE вдоль двух сторон корпуса BGA, контроль все-таки возможен. Достаточно сравнить высоту и копланарность трех выводов по двум сторонам и одного центрального, чтобы установить, имело ли место двойное оседание, то есть правильно ли была выполнена пайка.
Применение ERSASCOPE 2000 многофункционально. Во-первых, следует отметить, что оптическая проверка качества пайки может быть проведена не только в отношении корпусов со сферическими выводами (BGA и им подобных), но и для корпусов типа PLCC с J-образными выводами, и корпусов QFP c выводами типа “крыло чайки” – также c внутренней стороны через просвет между корпусом и линейкой выводов. Во-вторых, в модификации MAGNISCOPE (при вертикальном расположении подвижной оптической головки и подсветки на штативе) система позволяет наблюдать миниатюрные объекты сверху и под любым углом до 180° при увеличении их с кратностью до 350 для отображения на мониторе с высоким разрешением.
Программное обеспечение системы ImageDoc поддерживает следующие ее функции:
• представление изображений с сопроводительным текстом;
• измерение абсолютных и относительных геометрических размеров;
• банк изображений, возможность поиска;
• окна изображений для cопоставления;
• создание отчетов, их распечатка или рассылка по электронной почте.
Иллюстрация на рис. 7 дает представление о типе изображений, анализируемых оператором при использовании ERSASCOPE 2000.
По сообщению фирмы ERSA, на начальном этапе продаж системы ERSASCOPE 2000 на мировом рынке ее отпускная цена установлена порядка 20 тыс.долл. Для многих зарубежных производств такая сумма инвестиций в оборудование разумна из-за открывающихся возможностей массового выходного контроля изделий, содержащих BGA. При этом система ERSASCOPE 2000 значительно дешевле рентгеновских средств контроля, безопасна, компактна и проста в эксплуатации.
Наряду с новейшей моделью портативной установки ERSA IR500A для паяльно-ремонтных работ с BGA система контроля ERSASCOPE 2000 будет представлена на Всемирной выставке технологического оборудования электронной промышленности Productronica’99 (Мюнхен, 9-12 ноября).
Представляем автора статьи
НОВОСЕЛОВ Виктор Владимирович. Выпускник Уральского политехнического института, кандидат технических наук, доцент Ленинградского электротехнического института, руководитель подразделения НПО “Симметрон” (Санкт-Петербург). Автор ряда монографий, учебных пособий и научно-популярных статей. Сфера профессиональных интересов – маркетинг, электронные компоненты, паяльно-ремонтное оборудование.
E-mail: vic@novlink.spb.su
По существу самой тяжелой проблемой, связанной с массовым внедрением BGA в изделия электроники, остается выходной контроль качества пайки выводов. Трудность его проведения в том, что выводы компонента расположены в недоступной для наблюдения зоне – под плоскостью корпуса.
МЕТОДЫ ВЫХОДНОГО КОНТРОЛЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ С BGA
До настоящего времени рентгеновский контроль был единственным действенным методом неразрушающего контроля качества пайки плавких сферических выводов компонентов типа BGA, CSP и Flip Chip, которые расположены непосредственно под корпусом. Рентгеновский снимок корпуса BGA в проекции на печатную плату позволяет выявить весьма широкий спектр типовых дефектов, образующихся в ходе пайки: межвыводные перемычки, смещения, пустоты. Однако рентгеновский контроль неэффективен для обнаружения таких дефектов пайки BGA, как “холодная пайка”, микротрещины между выводом и контактной площадкой платы, дефекты оплавления выводов, избыточные остатки флюса или паяльной пасты под корпусом BGA. Приведем пример. Поскольку силами поверхностного натяжения уже на начальной фазе пайки сферические выводы легких (пластмассовых) корпусов BGA и CSP автоматически центрируются относительно контактных площадок (при условии, что корпус изначально позиционирован с линейным смещением, не превышающим допустимого значения), на рентгеновском снимке “холодная пайка” может выглядеть практически идеально. И еще один немаловажный фактор – высокоточное рентгеновское оборудование исключительно дорого и потому малодоступно небольшим фирмам в качестве повседневного рабочего инструмента контроля качества.
К методам неразрушающего контроля качества, в том числе изделий, содержащих BGA, традиционно относится и функциональный контроль. К сожалению, при дефекте “холодная пайка” функциональный тест на правильность электрических соединений может показать такой же успешный результат, как и при безупречной пайке, поскольку в обоих случаях электрическое соединение выводов микросхемы с контактными площадками платы не нарушено.
Таким образом, по результатам даже двух типов неразрушающего контроля – рентгеновского и функционального, невозможно сделать вывод о качестве пайки, а именно о ее механической прочности и долговечности.
Для выборочного разрушающего контроля применяются два метода. Это анализ внутренней структуры металлических выводов BGA после пайки (в срезе) с помощью электронного микроскопа и типовое испытание на растяжение (отрыв). Структурный анализ позволяет идентифицировать результат физико-химических процессов пайки в диффузионных слоях контактирующих металлов и сделать заключение о ее качестве. Как известно, температура и продолжительность образования межметаллических диффузионных слоев при соединении металлов пайкой определяют долговременную прочность паяного соединения. Путем визуального осмотра среза паяного вывода BGA под электронным микроскопом можно сделать заключение о температурном профиле процесса пайки: при “холодной пайке” для образования достаточно глубоких диффузионных слоев соединения металлов не хватает тепла, при избыточной же температуре пайки эти слои становятся слишком глубокими и “рыхлыми”. В обоих случаях из-за неправильного температурного профиля пайки прочность паяного соединения резко снижена. Испытание на растяжение позволяет оценить прочность пайки как интегрального показателя качества. Выводы BGA в состоянии “холодной пайки”, образующейся в результате недостаточного прогрева или недостаточной степени смачивания контактной площадки припоем, при приложении определенного усилия растяжения отрываются от контактной площадки. Напротив, если условия пайки соблюдены безупречно, паяное соединение между выводом BGA и контактной площадкой оказывается прочнее соединения контактной площадки с платой, и, как следствие, при выполнении теста на растяжение происходит обрыв контактной площадки, а не вывода BGA.
Совершенно очевидно, что из экономических соображений любые методы разрушающего контроля можно применять лишь на небольшой выборке изделий.
Необходимым и экономически эффективным дополнением к методам неразрушающего контроля пайки BGA служит визуальный оптический контроль, возможность которого специалисты известной немецкой фирмы ERSA (www.ersa.de) обосновали по физико-химическим свойствам и видимым состояниям выводов, соответстующим различным фазам пайки.
Перед началом процесса пайки (рис.1, состояние А) сферические выводы BGA (Sn63Pb37) позиционируют на контактные площадки печатной платы с достаточной (не обязательно максимальной) степенью точности. Нижняя плоскость корпуса BGA параллельна печатной плате и отстоит от нее на высоту, определяемую конкретным видом корпуса (1 мм в примере на рис.2а). Форма всех выводов BGA идентична – правильная сферическая. Поверхность выводов гладкая, слегка матовая.
Процесс оплавления выводов начинается при температуре 183°C (состояние B на рис.1). Под действием сил гравитации происходит первичное “оседание” BGA, и расстояние между корпусом и платой сокращается (до 0,8 мм на рис.2б). Форма выводов BGA становится бочкообразной, а поверхность тускнеет, но остается гладкой.
По достижении пиковой температуры пайки 2250С (состояние С на рис.1) происходит полное оплавление выводов и смачивание контактных площадок платы припоем. Вторичное “оседание” BGA приводит к уменьшению высоты корпуса над платой (до 0,5 мм на рис.2в). Результирующая форма выводов – расплющенная эллиптическая. Поверхность выводов гладкая, блестящая.
КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ERSASCOPE 2000
Немецкой фирмой ERSA разработана первая в мире оптическая система контроля качества пайки BGA – ERSASCOPE 2000, которая обеспечивает визуальный контроль паяных выводов под корпусом компонента. Идея системы – заглянув под корпус BGA, проконтролировать правильность формы выводов, оплавленных в результате пайки, копланарность и отсутствие перемычек. У выводов, ближайших к краям корпуса BGA, можно рассмотреть форму и поверхность, а кроме того – мениски, если при пайке была использована паяльная паста (это касается прежде всего керамических BGA). Уникальный оптический инструмент вместе с программным обеспечением ImageDoc позволяет измерять величину зазора между плоскостью BGA и платой, анализировать форму и степень оплавления выводов BGA после пайки, что не только открывает новые возможности выходного контроля на современных электронных производствах, но и упрощает документирование технологических процессов в соответствии с ISO 9000.
Применение ERSASCOPE 2000 может помочь в том числе и там, где рентгеновский контроль бессилен, а систематическое применение разрушающих методов невозможно по экономическим соображениям.
В состав ERSASCOPE 2000 (рис.3) входит оптическая часть на штативе и компьютерная часть с устройством отображения. Изделие (печатная плата) закрепляется в штативе так, что элементы оптической системы с высоким разрешением “охватывают” корпус BGA (рис.4). С одной стороны корпуса BGA находится мощный (150Вт) миниатюрный источник света с волоконной оптикой, c противоположной стороны – головка оптического приемника с регулируемым фокусным расстоянием (0–55 мм). Минимальный зазор между корпусом BGA и печатной платой, при котором система работает устойчиво, составляет всего 0,05 мм. Максимальные линейные размеры корпуса BGA, для которых мощность подсветки достаточна, – 50 мм. Изображение с приемной оптической головки передается в компьютер для обработки и на монитор (c увеличением до 350 раз) для человеко-машинного анализа в реальном времени.
При процедуре контроля оптическую головку ERSASCOPE исходно устанавливают на плату к угловому выводу корпуса BGA, а элемент подсветки – с противоположной стороны корпуса. Угловой вывод A (рис.5) проверяют на двойное оседание, а также анализируют форму и качество его поверхности. С помощью программного обеспечения ImageDoc измеряют абсолютное значение зазора между корпусом BGA и платой. Оператор задает минимальный зазор, соответствующий корректному состоянию C при двойном оседании BGA для конкрентных условий (например, 0,5 мм). Если условие соответствия в точке A выполнено, плату вручную продвигают вдоль головки по направлению к точке C. Свободное прохождение света от элемента подсветки к оптической приемной головке означает отсутствие перемычек во всех межвыводных просветах B. Затем проверяют пайку в точке C с измерением зазора и сравнением его в определяемых оператором пределах допусков копланарности (например + 0,1 мм). Аналогичную процедуру повторяют по другой координате после поворота оптических элементов системы на 90°. Если выводы A, C и E удовлетворяют стандартам высоты и копланарности, и все промежутки B и D свободны от межвыводных перемычек, это означает, что все внутренние выводы BGA претерпели корректное двойное оседание при пайке и не замкнуты между собой. Решение об идентичности высот всех выводов BGA справедливо только при условии, что ни плата, ни корпус BGA не были деформированы, то есть не претерпели изгиба (рис.6) в процессе пайки. Удостовериться в этом можно, измерив высоту одного из внутренних (центральных) выводов BGA через межвыводной просвет (B или D) с изменением фокусного расстояния оптической головки системы. Следует отметить, что если даже соседние с BGA компоненты на печатной плате расположены на расстоянии, меньшем, чем пространство, необходимое для свободного перемещения оптических элементов системы ERSASCOPE вдоль двух сторон корпуса BGA, контроль все-таки возможен. Достаточно сравнить высоту и копланарность трех выводов по двум сторонам и одного центрального, чтобы установить, имело ли место двойное оседание, то есть правильно ли была выполнена пайка.
Применение ERSASCOPE 2000 многофункционально. Во-первых, следует отметить, что оптическая проверка качества пайки может быть проведена не только в отношении корпусов со сферическими выводами (BGA и им подобных), но и для корпусов типа PLCC с J-образными выводами, и корпусов QFP c выводами типа “крыло чайки” – также c внутренней стороны через просвет между корпусом и линейкой выводов. Во-вторых, в модификации MAGNISCOPE (при вертикальном расположении подвижной оптической головки и подсветки на штативе) система позволяет наблюдать миниатюрные объекты сверху и под любым углом до 180° при увеличении их с кратностью до 350 для отображения на мониторе с высоким разрешением.
Программное обеспечение системы ImageDoc поддерживает следующие ее функции:
• представление изображений с сопроводительным текстом;
• измерение абсолютных и относительных геометрических размеров;
• банк изображений, возможность поиска;
• окна изображений для cопоставления;
• создание отчетов, их распечатка или рассылка по электронной почте.
Иллюстрация на рис. 7 дает представление о типе изображений, анализируемых оператором при использовании ERSASCOPE 2000.
По сообщению фирмы ERSA, на начальном этапе продаж системы ERSASCOPE 2000 на мировом рынке ее отпускная цена установлена порядка 20 тыс.долл. Для многих зарубежных производств такая сумма инвестиций в оборудование разумна из-за открывающихся возможностей массового выходного контроля изделий, содержащих BGA. При этом система ERSASCOPE 2000 значительно дешевле рентгеновских средств контроля, безопасна, компактна и проста в эксплуатации.
Наряду с новейшей моделью портативной установки ERSA IR500A для паяльно-ремонтных работ с BGA система контроля ERSASCOPE 2000 будет представлена на Всемирной выставке технологического оборудования электронной промышленности Productronica’99 (Мюнхен, 9-12 ноября).
Представляем автора статьи
НОВОСЕЛОВ Виктор Владимирович. Выпускник Уральского политехнического института, кандидат технических наук, доцент Ленинградского электротехнического института, руководитель подразделения НПО “Симметрон” (Санкт-Петербург). Автор ряда монографий, учебных пособий и научно-популярных статей. Сфера профессиональных интересов – маркетинг, электронные компоненты, паяльно-ремонтное оборудование.
E-mail: vic@novlink.spb.su
Отзывы читателей
