Говорит и показывает ERSAвидение Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

е

Компоненты и технологии, № 3'2002

Говорит и показывает

ERSAвидeниe

Две линии для работ с БЭЛ, составляющие гордость фирмы ERSA — инфракрасные ремонтные центры IR500A и оптические системы ERSASCOPE — в течение трех лет развивались параллельно и независимо. И вдруг причудливо пересеклись, словно вырвавшись в то пространство, где параллельным прямым разрешено встретиться. А может, и не вдруг. Идея визуального контроля пайки БЭЛ в реальном времени воплощается Марком Кэнноном в жизнь упорно и продуктивно: судите сами по разработкам, представленным к серийному производству с апреля 2002 года.

Виктор Новоселов, к. т. и.

'№№М. ersa.ru

Обращаясь в этой статье к весенним новинкам ERSA, попытаемся взглянуть на вещи шире — так, чтобы наряду с техническими параметрами изделий определить вектор развития одной из ведущих западных фирм и сформулировать ответ на более интересный «мировоззренческий» вопрос: почему конкретные изделия именно таковы.

Итак, новый тандем IR550A+PL550A (рис. 1) представляет собой наиболее мощный из ремонтных комбайнов ERSA для точного позиционирования, пайки и выпаивания электронных компонентов всяческих разновидностей. За пайку и выпаивание в тандеме отвечает станция IR550A, показанная отдельно на рис. 2. Полностью антистатическая станция IR550A включает инфракрасную подсистему с программируемым термопрофилем нагрева и встроенный модуль Digitаl2000A для контактной пайки и выпаивания. Базовая поставка укомплекто-

вана самым быстрым из универсальных паяльников ERSA (TechTool), но с равным успехом допускает подключение микропаяльника MicroTool, термопинцета Pincette-40, мощного паяльника PowerTool или термоотсоса CU100A — как напрямую, так и через коммутатор паяльных инструментов MIC608A.

Инфракрасная подсистема станции IR550A включает два ИК-излучателя мощностью по 800 Вт. Верхний излучатель — «пушка» с лазерным целеуказанием на рис. 2 представляет собой левую часть симметричной конструкции, издали напоминающей букву ^ Плоскостной нижний ИК-излучатель служит для предварительного прогрева печатных плат, устанавливаемых в подвижную рамку-держатель. Рабочее поле верхнего излучателя имеет регулируемые линейные размеры до 60x60 мм, нижнего — фиксированные 135x260 мм. Левое крыло конструкции, напоминающей букву ^ содержит также вакуумный манипулятор (его механизм скрыт в надстройке над излучателем), а правое крыло — верхний вентилятор охлаждения. По окончании активной фазы пайки верхний вентилятор перемещают на место ИК-из-лучателя и охлаждают рабочую зону, пока припой не перейдет из жидкого состояния в твердое. Затем плату в рамке сдвигают вправо по полозьям в зону действия нижнего вентилятора, где и оставляют до полного охлаждения. Очевидно, первая стадия достаточного охлаждения является гарантией того, что при сдвиге платы не случится микросмещение компонентов на жидком припое: данный фактор становится важным на фоне продолжающейся миниатюризации контактных площадок и выводов микросхем. В отличие от более простой модели IR500A, где высоту расположения верхнего ИК-излучателя можно изменять плавно, в модели IR550A с программируемым термопрофилем предусмотрены фиксированные положения высоты нагревателя — для определенности, как того требует алгоритм автоматического управления нагревом рабочей зоны.

Выход на рынок модели IR550A актуализирует вопрос: «Почему ERSA развивает ремонтную тема-------www.finestreet.ru------------------------

е

Компоненты и технологии, № 3'2002

тику БОА исключительно через инфракрасные станции, предпочитая их конвекционным, несмотря на то, что в области больших конвекционных печей для серийной пайки ERSA имеет огромный опыт?» Фундаментальная причина состоит в том, что нагрев всей платы горячим воздухом в большом объеме печи и нагрев малой зоны подачей горячего воздуха через узкое сопло ремонтной системы — «две большие разницы», как сказали бы в Одессе. По мнению специалистов ERSA, «стоячий» воздух в сопле не обеспечивает должной теплопередачи для быстрого нагрева массивных компонентов в рабочей зоне, тогда как «струящийся» воздух порождает турбулентные потоки, приводящие к неравномерному нагреву плоскости. Поэтому для ремонтных применений фирма ERSA продвигает именно инфракрасную технологию, обеспечивающую равномерность нагрева плоскости рабочей зоны. В частности, это очень важно для идентичного оплавления всех выводов БОА при локальной пайке. Безусловно, нельзя утверждать, что это идеальное решение проблемы: ведь «ахиллесовой пятой» инфракрасной технологии является зависимость степени нагрева объекта от отражающей способности и теневые эффекты. Впрочем, что касается теней, то в ремонтных приложениях на ограниченной области печатной платы такая проблема отсутствует. А вот отражающая способность объекта — действительно важный фактор в случае, когда объект пайки имеет черный корпус и блестящие линейки выводов по бокам. В борьбе за равномерность нагрева объектов, имеющих разную отражающую способность, ERSA использует инфракрасные излучатели с длиной волны в диапазоне 2-8 мкм: именно этот диапазон оказывается предпочтительным в плане минимизации различий в поглощении тепла темными и светлыми частями объекта. Это не исключает проблему в корне, но с учетом теплопроводности твердого тела (то есть распространения тепла между частями самого объекта) дает вполне приемлемые результаты. Заметим, что проблему неравномерного от--------------------www.finestreet.ru -

ражения можно использовать и на благо: накрывая предохраняемые части рабочей зоны специальной отражающей фольгой, можно получить сколь угодно малую и сложнопрофильную область нагрева под обычным прямоугольным ИК-излучателем любой из станций ERSA Ш500А или Ж550А.

Таким образом, в условиях обоюдной не-идеальности конвекционных и инфракрасных ремонтных систем на первый план выходит ценовой фактор, и это еще один мотив, побуждающий ERSA придерживаться инфракрасной технологии для ремонтных работ. Дополнительный вес имеют и прочие «мелочи», такие как: самодостаточность (не требуется внешнего компрессора и множества дорогостоящих сопел); компактность и мобильность ремонтного центра; возможность работы со сложнопрофильными компонентами (экранами, разъемами и т. п.), в том числе и пластмассовыми. А в свете самых последних инноваций ERSA — интеграции средств визуального контроля в ремонтные станции BGA — открытость рабочей зоны для наблюдения является категорическим императивом. Но об этом — чуть ниже.

Контроль температуры в станции IR550A можно осуществлять двумя способами: бесконтактным инфракрасным и контактным. Каждый из них имеет сильные и слабые стороны: дистанционный инфракрасный измеритель температуры дает усредненное значение по всей площади обзора (порой избыточной), тогда как контактный датчик на основе термопары сообщает лишь температуру той точки на печатной плате, к которой он прикасается, и с задержкой, обусловленной собственной инертностью. В обоих случаях показания имеют весьма опосредованное отношение к реальной температуре плавких выводов под корпусом BGA, хотя и большее, чем температура воздушного потока в какой-нибудь далекой от BGA точке. Сказанное является намеком на то, что, любуясь показаниями цифровых индикаторов ремонтных станций (будь они инфракрасные или конвекционные), не стоит обольщаться соот-

ветствием индицируемой температуры реальной температуре выводов BGA при пайке.

Так или иначе, но без измерения температуры не обойтись, и потому в станции IR550A бесконтактный инфракрасный измеритель температуры является штатным, а контактный датчик — опционным. Дистанционное измерение температуры в рабочей зоне осуществляется датчиком, закрепленным над лицевой панелью по направлению к рабочей зоне (рис. 2). Заметим, что дистанционное измерение температуры возможно именно в инфракрасных ремонтных системах — в отличие от конвекционных, где рабочая зона наглухо закрыта воздушным соплом. Полученная информация используется микропроцессором при отработке термопрофиля и отображается на цифровом табло в левой части лицевой панели, а также может передаваться в подключаемый персональный компьютер для регистрации и хранения. К встроенному модулю Digital2000A можно подключить еще и термопару на проводе и, фиксируя ее термоустойчивым скотчем в критических зонах печатной платы (в том числе с нижней стороны), наблюдать температуру на правом цифровом табло лицевой панели ремонтного центра IR550A.

Программирование термопрофиля в ремонтном центре IR550A осуществляется с пульта (на рис. 2 он виден в левом нижнем углу) путем задания временных интервалов и значений температуры в точках — точно так же, как это делается в камерных печах оплавления. Таким образом моделируются типовые зоны предварительного нагрева (preheat), насыщения (soak) и оплавления (reflow) с приемлемой точностью: не будем забывать, что речь идет именно о ремонтных системах, а не об установках для серийного производства. На этот принципиальный момент еще раз хотелось бы обратить внимание потенциальных пользователей ремонтных систем. Когда речь идет о паяльных машинах для серийного производства, оптимизация термопрофиля имеет решающее значение. Более того: такая задача разрешима, ибо решается она для совершенно конкретных плат, компонентов и материалов с конкретными характеристиками. Сил и средств на эксперименты при этом не жалеют, ибо цель — разработка технологического процесса, обеспечивающего безукоризненную повторяемость результата в серии. Иное дело — ремонтные работы. Сам по себе факт наличия программируемого термопрофиля в паяльно-ремонтной станции безусловно полезен, но воспринимать его следует не как гарантию качества результата пайки, а лишь как средство обеспечения воспроизводимости процесса. Является ли воспроизводимость процесса условием достижения качества результата? Конечно является, но условием необходимым, а не достаточным. А много ли у вас возможностей для экспериментирования (оптимизации термопрофиля) в ритме работы сервисного центра, когда нужно перепаять конкретную микросхему BGA на конкретной плате — возможно, в первый и последний раз оказавшейся у вас в руках? Ваш практический опыт и интуиция

e

164

Компоненты и технологии, № 3'2002

сыграют в этом случае не меньшую роль, чем десятки типовых термопрофилей в памяти паяльно-ремонтной станции, относящихся к «типовым» ситуациям, точное описание которых вы едва ли найдете в инструкции. Пожелания к идеальному термопрофилю можно (нужно) извлечь из каталога производителя микросхем BGA, однако проблема состоит в том, как соблюсти этот термопрофиль для реальной платы при действии побочных факторов, вносящих неопределенность.

Тем не менее ваша задача — выполнить качественную ремонтную пайку BGA. По каким признакам можно судить о качестве пайки? Аргумент «качественно потому, что паяем с термопрофилем» не выдерживает критики (см. выше). Об использовании рентгеновских установок в ремонтных центрах речь вообще не идет. Передовые оптические системы ERSASCOPE-2500 для контроля качества пайки BGA ориентированы скорее на исследовательские лаборатории, чем на ремонтные центры. Так чем же пользоваться последним для повседневного контроля качества пайки BGA? Фирма ERSA предлагает испробовать средства визуализации в реальном времени (RPC — Reflow Process Camera). Это своеобразная «примочка» к инфракрасным ремонтным станциям — в принципе не обязательно к IR550A, но именно к инфракрасным, ибо в конвекционных ремонтных станциях нет возможности наблюдать рабочую область под воздушным соплом. Комплекс IR550A+RPC изображен на рис. 3. Для тех, кто пользуется более ранней моделью IR500A (в России их число превысило сотню, а по всему миру исчисляется тысячами), больший практический интерес представляет комбинация IR500A+RPC на рис. 4. В обоих случаях прецизионная цветная CCD-камера в модуле RPC с мощной кольцевой подсветкой управляется от пульта и размещается поблизости от рабочей зоны пайки так, чтобы наблюдать сбоку хотя бы несколько выводов крайнего ряда BGA непосредственно в процессе пайки. Наблюдение ведется на автономном мониторе с высоким разрешением или компьютерном

мониторе с передачей сигнала PAL через фреймграббер.

Визуальный контроль с помощью камеры RPC имеет ту же методическую подоплеку, что и ERSASC0PE-2500, но более простую техническую реализацию, ограничивающую возможности тонкого анализа поверхности выводов BGA. Напомним, что идея ЭРСА-СКОПа состоит не столько в том, чтобы просматривать ряды шариков под BGA на просвет (то есть убеждаться в отсутствии перемычек), сколько в анализе формы и поверхности выводов в результате оплавления. Именно состояние поверхности дает наибольшую информацию о механической прочности паяного соединения, ибо помогает сделать заключение об условиях его формирования. В процессе пайки выводы BGA претерпевают двойное «оседание» (рис. 5). Исходно выводы BGA из эвтектического припоя позиционированы на контактных площадках платы, форма их сферическая, а поверхность — гладкая, матовая. По достижении температуры 183 °C начинается оплавление выводов, и под действием сил гравитации происходит их первичное оседание, в результате чего расстояние между плоскостью корпуса микросхемы и печатной платой сокращается. Форма выводов BGA становится бочкообразной, а поверхность тускнеет. Недостаток тепла на завершающем этапе приводит эффекту «холодной» пайки, когда электрический контакт вывода с платой есть (а значит, брак невозможно выявить функциональным тестированием), но прочность соединения очень низка. По достижении целевой

температуры пайки (обычно 220 °C) происходит полное оплавление выводов и смачивание контактных площадок платы, в результате чего наблюдается вторичное оседание BGA. Итоговая форма выводов BGA — расплющенная эллиптическая с утолщением вниз, а поверхность — гладкая, блестящая. Такова общая схема. В ERSASCOPE-2500 при максимальном увеличении визуально различимы не только форма выводов, но и степень однородности поверхности, гладкость, цвет, микротрещины, посторонние включения, остатки флюса. Задача, посильная для PRC, — это не углубленный анализ результата пайки, а мониторинг процесса пайки BGA. С помощью PRC появляется возможность оперативно удостовериться в выполнении непреложного условия пайки BGA — корректной трансформации выводов в ходе оплавления (рис. 5). Соответственно, если при задании «правильного» термопрофиля из каталога производителя BGA тепла фактически не хватает для вторичного оседания BGA с полным смачиванием контактных площадок, достаточно слегка «поддать жару» с помощью ручного управления мощностью верхнего ИК-излучателя. При дистанционном наблюдении через камеру PRC форма крайних выводов BGA достаточно отчетливо различима на экране монитора: важно лишь подобрать ракурс, при котором их не будут заслонять соседние компоненты на плате.

Точное позиционирование микросхем наиболее удобно осуществлять интегрированными в ремонтный центр средствами. Так, если гибрид паяльно-ремонтной станции IR500A с телеобъективом выглядит пока еще экзотично, то тандем станции IR500A с прецизионным установщиком микросхем PL500A (рис. 6) уже становится нормой для передовых применений Hi-Tech. Чем меньше шаг выводов, тем сложнее обеспечить точность установки микросхемы перед пайкой. Ручная (при помощи меток или рамки) установка пластиковых BGA, самопозиционирующихся при пайке, невозможна для микросхем с малым шагом и тяжелых керамических BGA. Именно в таких ситуациях выручает видеопозиционер PL500A, предназначенный для прецизионной (с точностью до 10 мкм) укладки микросхем с ультрамалым шагом и любых видов BGA размером до 40x40 мм. Процедура видеопозиционирования такова: микросхему подвешивают на вакуумной присоске над площадкой, куда она в итоге должна быть точно установлена, и приподнимают над платой. В образовавшийся зазор между микросхемой и платой вводят оптическую головку, через зеркальную систему и CCD-камеру которой на монитор одновременно передаются изображения контактных площадок платы (с зеленой подсветкой) и выводов BGA (с красной подсветкой). С помощью сервоприводов управляя положением микросхемы, зафиксированной на присоске, добиваются максимального совмещения изображений ее выводов с контактными площадками. Затем микросхему в автоматическом режиме опускают на контактные площадки платы с предварительно нанесенным флюсом или паяльной пастой (для керамических BGA) и плавно перемещают плату в зо-

- www.finestreet.ru -

е

Компоненты и технологии, № 3'2002

корпус микросхемы BGA

183°С Д 220°С

(ix 7) . трансформация

выводов BGA V

печатная плата

Рис. 5

ну пайки. Клейкая основа флюса или пасты препятствует смещению микросхемы при аккуратном скользящем перемещении платы по полозьям в рамке на подшипниках. В дополнение к оптической части системы необходим автономный монитор PAL с высоким разрешением или монитор в составе персонального компьютера с фреймграббером, принимающим сигнал в стандарте PAL. С выходом в свет версии установщика PL550A, включающего камеру RPC в качестве составной части, стала возможной и комбинация IR500+PL550 (рис. 7). В результате, точно установив микросхему BGA на плату, при последующем применении инфракрасной системы для пайки можно не только полагаться на показания термодатчика, но и задействовать фундаментальную человеческую способность видеть и анализировать увиденное с целью контроля процесса пайки в реальном времени и оперативной корректировки параметров.

Выше были рассмотрены своеобразные гибриды, полученные путем «скрещивания» систем инфракрасной ремонтной пайки ERSA со средствами визуального контроля. Между тем в семействе «чистокровных» ЭР-САСКОПов также отмечено прибавление. Развитие семейства ERSASCOPE осуществляется в трех направлениях:

• создание конструкций оптических терминалов с большим диапазоном перемещения рабочей части;

• расширение базы знаний о видах дефектов паяных соединений и о причинах их возникновения;

• разработка относительно недорогих комплектов оптики с программной поддержкой начального уровня.

Результатом работ по первому направлению являются «гибкий» MAGNISC0PE и «длинный» ERSASCOPE, имеющие преимущества перед стандартными исполнениями в плане контроля труднодоступных элементов на крупноразмерных печатных платах и качества отверстий в больших трафаретах.

База знаний о дефектах паяных соединений значительно пополнена в результате прошлогоднего всемирного конкурса ERSA с призовым фондом $5000. Приз присужден за самую богатую коллекцию изображений дефектов BGA, полученных с помощью ЭР-САСКОПа вместе с содержательными комментариями к ним. Следует подчеркнуть, что оптическая часть ЭРСАСКОПа — лишь техническое средство, являющееся вершиной айсберга знаний, заключенных в сопутствующем программном обеспечении ImageDoc, ценнейшей частью которого является база знаний Knowledge Management System. Использование опыта, уже накопленного специалистами, значительно сокращает путь от констатации конкретной проблемы качества пайки к ее решению. Простейший пример — «эффект надгробия» (tombstoning), когда при пайке в печи чип-компонент поднимается почти вертикально, отрываясь от одной из контактных площадок. Воспользовавшись базой знаний, легко обнаружить, что данный эффект имеет пять весьма распространенных причин, перечисленных вместе с рекомендациями по их устранению. Аналогичная систематизация применена к дефектам пайки BGA и так далее — по нескольким десяткам разделов с иллюстрациями и текстовыми комментариями.

Визуальный контроль с компьютерной поддержкой лежит и в основе самой недоро-

гой версии ERSACAM, комплектуемой простейшей программной оболочкой ID View (без средств измерения и базы данных о дефектах). В отличие от авангардных систем ERSASCOPE, ориентированных на тонкие исследовательские приложения, система ERSACAM предназначена для применения на линейных постах контроля качества. В чем прелесть? Обычный микроскоп и традиционный подход к контролю основаны на изменчивом уровне визуального восприятия оператора в каждый момент. Компьютерная же технология позволяет документировать и хранить увиденное, сравнивать изображения с эталонами при классификации дефектов — как немедленно, так и позже, при анализе причин. Изображение дефекта можно при необходимости даже переслать электронной почтой удаленному эксперту. В целом, компьютерная технология визуального контроля менее губительна для зрения оператора по сравнению с окулярами микроскопа и не столь напрягает психику в течение рабочего дня тяжестью ответственности за ошибку.

По выражению R. J. Klein Wassink, автора классической монографии по технологии поверхностного монтажа, «совершенствование технологии — это попытка на ходу разобраться в сущности процесса путем проб и ошибок, непрерывного подбора параметров и уменьшения неопределенностей — так, чтобы повысить качество». Для продуктивной работы в этом направлении необходим адекватный инструментарий, в том числе и ERSASC0PE, на что в статье Coolest Thing Since Sliced Bread для ведущего американского журнала по технологии SMT без обиняков указывает другой американский классик поверхностного монтажа, международную репутацию которого невозможно поколебать подозрениями в ангажированности — Phil Zarrow из ITM Consulting Inc. (www.itm-smt.com).

Что касается данного повествования, то народная мудрость, беспощадно выявляющая коммерческую подоплеку большинства русскоязычных статей, не должна дремать и на этот раз. Однако представьте себе бескрайнюю территорию ERSAвидения и вы согласитесь с тем, что новейший инструмент ERSA — это мощное подспорье для исследовательских, ремонтных и производственных приложений. Ибо у вас общие с ERSA цели: Better, Faster, Cheaper — лучше, быстрее, дешевле.

www.finestreet.ru

165

Рис. 6