CC BY
51BGA под прицелом ЭРСАСКОПа
Зримые плоды новаторства ERSA
Mark Cannon
генеральный директор отделения паяльных инструментов БИБА, Германия www.ersa.de
Виктор Новоселов
К.Т.Н
ПОЛНОМОЧНЫЙ
представитель БИБА в России и СНГ vic@novlink.spb.su
В конкурентном мире производителей электронной техники возможность видеть, использовать визуальную информацию для контроля качества является стратегическим преимуществом. Именно поэтому «знаковым» этапом экспансии фирмы ЕВБА, крупнейшего поставщика паяльного оборудования, стала не очередная паяльная машина, а принципиально новая оптическая система контроля качества пайки ВОД. Презентация ЕВБАБСОРЕ-ЗООО недавно состоялась на всемирной выставке технологического оборудования Рго^с1гоп1са-99. В статье изложена идейная основа подхода и приведены примеры уникальных снимков из-под ВОД, получение которых стало реальностью.
На ВОД сошелся клином...
Глобальная тенденция перехода к BGA — по-верхностно-монтируемым корпусам с матричным расположением плавких выводов — уже ощущается и в России. Первыми с BGA столкнулись сервисные центры по ремонту зарубежной связной и компьютерной техники, а также отряд отечественных разработчиков, использующих новейшую элементную базу. В печати (напр. «Экспресс-Электроника» № 4'99г.) уже обсуждались особенности BGA и инструмента ERSA для паяльно-ремонтных работ с этими корпусами. Между тем, узким местом на пути массового внедрения BGA остается выходной контроль качества пайки, ибо выводы BGA расположены в недоступной для визуального наблюдения зоне, и сделать заключение о качестве пайки не так-то просто.
Контроль качества пайки ВОД
До сих пор рентгеновский контроль был единственным методом неразрушающего контроля качества пайки BGA. Анализ рентгеновских снимков, производимых в проекции корпуса BGA на печатную
плату, позволяет выявлять широкий спектр типовых дефектов, могущих образоваться в ходе пайки, как то: межвыводные перемычки, смещения, пустоты. Вместе с тем, рентген неэффективен для обнаружения «холодных паек», микротрещин между выводами BGA и контактными площадками и еще ряда дефектов. Только один пример: поскольку силами поверхностного натяжения уже на начальной фазе пайки сферические выводы PBGA (или CSP) само-центрируются по контактным площадкам, то рентгеновская проекция «холодной пайки» может выглядеть практически безукоризненно! Наконец, рентгеновское оборудование слишком дорого, чтобы стать широко доступным инструментом для повседневного контроля качества.
К методам неразрушающего контроля изделий с BGA традиционно относится и функциональное тестирование. Увы, функциональный тест «холодной пайки» может выполняться с тем же успешным результатом, что и для надежного паяного соединения: электрический контакт выводов BGA с проводниками на печатной плате имеет место в обоих случаях, хотя в первом он и недолговечен. Таким образом, основываясь на результатах даже двух типов неразрушающих тестов — функционального и рентгеновского, — сложно сделать вывод о качестве пайки в смысле ее долговременной прочности.
В классе методов разрушающего контроля применяются два: исследование внутренней структуры выводов BGA после пайки (в срезе) под электронным микроскопом и механический тест на растяжение (отрыв). Структурный анализ имеет целью идентифицировать результат физико-химических процессов пайки в диффузионных слоях контактирующих металлов: ведь именно этими слоями определяется долговременная прочность паяного соединения. При «холодной пайке» тепла не хватает для образования достаточно глубоких диффузионных слоев, при избыточной же температуре пайки они становятся слишком глубокими и «рыхлыми». В обоих случаях неправильный температурный профиль пайки влечет резкое уменьшение прочности паяно-
го соединения. Тест на растяжение позволяет оценить прочность пайки как интегрального показателя качества. Если технология пайки была соблюдена безупречно, то паяное соединение между выводом ВСЛ и контактной площадкой оказывается прочнее соединения контактной площадки с платой и, как следствие, при выполнении теста происходит обрыв контактной площадки, а не вывода ВСЛ. Очевидно, методы разрушающего контроля используются лишь на ограниченной выборке изделий и имеют экономически обусловленный предел.
Необходимым и эффективным дополнением методов неразрушающего контроля пайки ВСЛ является визуальная (оптическая) инспекция. Этот принципиальный тезис побудил фирму ЕКБЛ к разработке первой в мире системы контроля, обеспечивающей возможность визуальной инспекции паяных выводов под корпусом компонента. Система ЕКБЛБСОРЕ-ЭООО значительно дешевле рентгеновских средств контроля, безопасна, компактна и проста в использовании. Применение ЕКБЛБСОРЕ-ЭООО может помочь там, где рентгеновский контроль бессилен, а систематическое применение разрушающих методов невозможно по экономическим соображениям. На чем же, по мнению специалистов ЕК5Л, базируется возможность визуального контроля качества пайки ВСЛ?
Идейная основа ЕРБДБСОРЕ
При корректном соблюдении технологии пайки все выводы ВСЛ трансформируются в следующем порядке.
Состояние А. Перед началом процесса пайки сферические выводы ВСЛ (5п6ЭРЬЭ7) позиционированы по контактным площадкам печатной платы. Нижняя плоскость корпуса ВСЛ параллельна плате (в конкретном приме-
В
Рис. 2. Фаза В процесса пайки и состояние выводов ВСЛ
корпусом и платой сокращается до О,8 мм, форма выводов становится бочкообразной, а поверхность выводов тускнеет, оставаясь гладкой.
Состояние С. По достижении пиковой температуры пайки происходит полное оплавление выводов и смачивание контактных площадок платы припоем. Происходит вторичное
225
Рис. 1. Фаза А процесса пайки и состояние выводов ВСА
ре на рис. 1 она отстоит от платы на высоту 1,0 мм; для разных корпусов высота, очевидно, различна). Форма выводов ВСА — правильная сферическая, поверхность гладкая, слегка матовая.
Состояние В. Процесс оплавления выводов начинается при температуре 183°С. Под действием сил гравитации происходит первичное «оседание» ВСА (рис. 2): расстояние между
• изменения цвета;
• микрокапли и брызги припоя;
• остатки флюса;
• посторонние включения (шлак/окалина).
Идея ЕКБЛ5СОРЕ-ЭООО проста: заглянув под корпус ВСЛ, проконтролировать правильность итоговой формы выводов, копланарность и отсутствие перемычек. У выводов, ближайших к граням корпуса ВСЛ, следует рассмотреть также поверхность. Удается проанализировать и мениски, если при пайке была использована паяльная паста (это касается прежде всего керамических ВСЛ). На данной нехитрой идее с мощным техническим воплощением и базируется ЕК5ЛБСОРЕ-ЭООО.
Как устроен ЕКБДБСОРЕ
Система ЕКБДБСОРЕ-ЭООО (рис. 4) включает оптическую часть на штативе и компьютерную часть с устройством отображения. Изделие
Рис. Э. Фаза С процесса пайки и состояние выводов ВСЛ
«оседание» ВСЛ (рис. Э): высота выводов еще раз уменьшается (в примере до О,5 мм), результирующая форма выводов, поддерживаемая силами поверхностного натяжения, — сплющенная эллиптическая. Поверхность выводов — гладкая блестящая.
Важнейшими признаками при оценке качества паяного соединения являются:
• количество припоя в зоне паяного соединения;
• форма мениска (соответствие технологическим стандартам);
• состояние поверхности выводов (текстура, однородность, гладкость, цвет, блеск);
• аномалии (например, остатки флюса).
Все признаки важны для контроля качества
пайки, но именно состояние поверхности выводов дает наибольшую информацию о механической прочности соединения, ибо помогает сделать заключение об условиях формирования интерметаллического диффузионного слоя в процессе пайки. Визуально различимы
• неоднородная или пористая поверхность выводов, царапины;
• деформация формы (асимметричность, впадины и выпуклости, искривления);
• микротрещины;
Рис. 4. ЕКБЛБСОРЕ-ЭООО
(печатная плата) закрепляется в штативе так, что перемещаемые вручную элементы оптической системы с высоким разрешением «охватывают» корпус ВСЛ (рис. 5). С одной стороны корпуса располагается мощный (15О Вт) миниатюрный источник света с волоконной оптикой, с противоположной стороны — головка оптического приемника с регулируемым фокусным расстоянием (О-55 мм). Минимальный зазор между корпусом ВСЛ и печатной платой, при котором система работает устойчиво, составляет всего О,О5 мм. Макси-
Рис. 5. Рабочее положение оптических элементов
С
С
мальные линейные размеры корпуса ВСЛ, для которых мощность подсветки достаточна, — 5О мм. Изображение с приемной оптической головки передается в компьютер для обработки и на монитор (с увеличением до Э5О раз) для человеко-машинного анализа. Отпускная цена системы такова, что для многих западных производств (а в перспективе — и некоторых российских) она является весьма разумной с учетом открывающихся возможностей массового выходного контроля изделий, содержащих ВСЛ.
Применения ЕРБДБСОРЕ
Рис. 7. Тест на растяжение: отрыв контактной площадки при прочной пайке ВСЛ
Следует отметить, что оптическая инспекция качества пайки может быть применена не только в отношении корпусов ВСЛ и им подобных, но также для корпусов Р1_СС с ^-об-разными выводами и ОРР (с внутренней стороны через просвет между корпусом и линейкой выводов). В модификации МЛСШБСОРЕ подвижная оптическая головка с подсветкой позволяет анализировать миниатюрные объекты сверху или под любым углом до 18О° при увеличении их с кратностью до Э5О с отображением на мониторе. Измерение, архивирование, документирование и другие прелести компьютерной обработки обеспечиваются программным пакетом 1таде0ос. Примеры областей применения ЕРБЛБСОРЕ и объектов анализа:
• точность установки компонентов перед пайкой;
• качество пайки ВСЛ и других БМО-компо-нентов;
• качество (доза и форма) нанесения паяльной пасты;
• качество трафарета;
• качество металлизации отверстий на печатной плате;
• целостность защитного покрытия платы;
• качество микросварки;
• применения в других отраслях (например, техническая эндоскопия металлоизделий).
Рис. 9. Тест на растяжение: отрыв вывода ВСЛ от контактной площадки
Рис. 11. Неполное оплавление паяльной пасты
Фоторепортаж из-под ВбД
На основе кадров (рис. 4-12) можно получить начальное представление о типе изображений, анализируемых менеджером по контролю качества при использовании системы ЕК5АБСОРЕ-3000 в полноэкранном варианте на высококачественном мониторе.
Рис. 8. Вывод ВСА в результате «холодной пайки» (состояние В)
Рис. 1О. Прохождение света при отсутствии перемычек между выводами ВСЛ
Рис. 12. Дефекты формы и поверхности вывода ВСА
Рис. б. Вывод ВСА в результате правильной пайки (состояние С)
