Qfn,BGA e altre applicazioni rework superiori: Aspetti generali ed esempi pratici By Marco Ronchi, Elcart and Mark Cannon, ERSA 28th Aprile- Crowne Plaza Hotel, Milano
Evoluzione del rework: ieri e oggi Oggi BGA ieri Difficoltà-specializzazione-strumentazione
Evoluzione del rework: Dal tht al QFN MicroBGA CCGA-QFN Oggi Sistemi di rework specifici e tecnologici BGA PLCC-QFP Sistemi di rework innovativi THT Soffiatori aria calda Saldatori storici ieri Difficoltà-specializzazione-strumentazione
Processo Di saldatura
Metallurgia della saldatura: l importanza del controllo di temperatura T ambiente T di fusione 25 30 C 183 C o Pb Free 217 222 C Stato solido Stato liquido Nessun legame tra piedino,pad e lega saldante Legami dovuti alla tensione superficiale tra lega,pin e pad
Metallurgia della saldatura: l importanza del controllo di temperatura T formazione intermetalliga Temperature troppo alte 250 280 C e superiori 195-205 C or Pb Free 230 235 C (crescita intermetallica approx. 0.5 µm in 7-10 sec.sopra il punto di fusione) Optimal (crescita intermetallica eccessiva con fragilizzazione del giunto) Cu3Sn / Cu6Sn5 process temp. Diffusione chimica con formazione di un forte legame molecolare Crescita intermetallica eccessiva rende fragile il giunto di saldatura
La temperatura deve essere sempre sotto controllo Good! Tensile strength in N/mm2 Intermetallic Compound Thickness in µm No bond strength! Cold! Process control zone Good Tin-Lead grain structure: Process controlled Process control zone Weaker joints no long term reliability! Bad Tin-Lead grain structure: Overheat process Hot!
Un po di metallurgia: il doppio collassamento del bga e la formazione intemetallica nel giunto di saldatura Cu Cu Cu Cu Rifusione ball: As solder della ball reflows: st 217 C Drop 217 C -- 221 C 221 C 11st Drop SnPb SnPb SnPb nd Drop 225 C - 230 C 2nd SnAgCu SnAgCu Conseguenza della As chemical diffusion diffusione chimica con reaction forms contrazione intermetallicmolecolare bond Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu3Sn / Cu6Sn5 Graphic depicts a non-solder mask defined (NSMD) pad Source:Reliability of BGA Packages in an Automotive Environment, Roger Rörgren, Per-Erik Tegehall and Per Carlsson, IVF - The Swedish Institute of Production Engineering Research, www.ivf.se
Un po di metallurgia: il doppio collassamento del bga e la formazione intemetallica nel giunto di saldatura Source: BGA Joint Formation, Jan Kolsters, Philips CFT, Eindhoven, Netherlands, May 2000
Evoluzione del Rework MicroBga-BGA-CCGA e QFN Rework: temperatura controllata, minimo T e uniformità di trasferimento di calore su questi componenti sono essenziali per una rework di successo! BGA
Vecchie strumentazioni VS Nuove strumentazioni Comparazione sulla distribuzione del calore di strumentazioni vecchie e nuove La termoscopia mostra come i vecchi macchinari generano differenze zone termiche accrescendo il rischio di difettosità
Punti critici del rework di componenti complessi Domande più frequenti nella valutazione: TPeak su tutti i giunti di saldatura e sui differenti componenti ΔTPeak sulle differenti balls del BGA (diagonale: corner centro corner) TPeak sul lato inferiore del PCB ( posizione BGA) TPeak componenti adiacenti (e.g.componenti sensibili) TPeak sul lato inferiore del PCB (posizione componente adiacente) tol su tutti i giunti di saldatura (componente target e adiacenti) ΔtoL sulle differenti balls del BGA (diagonale: corner centro corner) E altri aspetti T = Temperatura t = tempo
Specifici della rilavorazione del QFN Specifiche: 1 processo di saldatura è simile al BGA 2 Frequentemente è dotato di una pad centrale di massa a cui bisogna prestare la massima attenzione per evitare movimenti del componente durante la saldatura 3 Ha una massa termica non impegnativa ma richiede tools idonei per la saldatura
Criteri di valutazione di una rework critica I requisiti tecnici di un sistema di rework: Criteri di valutazione
Classificazione tipologie di rework Tipo A Tipo B Tipo C Rework flessibile Alti volumi Rework Prototipazioni Centri Assistenza OEMs Dipartimento Ricerca e Sviluppo Medi volumi-alto mix Alti volumi-basso mix Bassi volumiprototipi Operatore esperto- media conoscienza della saldatura Operatore informatomedia conoscienza della saldatura Operatore base Valutazione molte volte non richiesta Valutazione frequentemente richiesta Valutazione da verificare ad ogni applicazione
Diagramma di valutazione del sistema di Rework Rework applicazione Analisi ERSA o Altri Valutazione? no si Test soldering ERSA o altri no campioni si PCB? Precauzioni individuali no Val. locale Si Val. locale si Valutazione dal Clinte no Documentazione Acquisto del sistema di rework si Risultati no Requisiti: - valutazione dei parametri - test PCB - componenti - misurazioni -
Valutazione del processo di Rework e approvazione del sistema idoneo Ragioni della valutazione: Qualificazione di un nuovo sistema di rework. Trovare il profilo idoneo ad una applicazione complessa. Tools necessari: Un PCB master con termocoppie posizionate sui punti critici. Un registratore multicanale per termocoppie. Software per analisi.
Specifiche di rework di un costruttore di telefonia Parametro Gradiente di temperatura preriscaldo Tempo soak time Parametro tsoak Specifiche 2.5 C/s 2-3 minutes Tempo sopra 217 C t1 Max. 60s Tempo sopra 230 C t2 Max. 50s Tempo sopra 250 C t3 Max. 10s T max nella rifusione Tpeak 255 C (-0/+5 C) Gradiente di temperatura nel raffreddamento - Max. -5 C/s Tempo totale del processo - Max. 300s
Requisiti di un profilo Leadfree T T3 250 C Tpeak 255 C / 260 C T2 230 C T1 217 C t3 t2 t1 time
Sample 1 SD-RAM rework Result: 2 cicli vs. 6 cicli = 300 % Miglioramento! Test funzionale dopo 12 rework: 100 % FPY Source: THOMSON
Sample 2 Requisito: min. T in Flat Peak T 245 C 230 C 217 C 15s < t < 60 s t < 110 s time
Sample 3 Requisito: LF Board 2 Board Size: ~ 180 x 120 mm Componente sul lato opposto, effetto ombra. BGA shadow bottom side BGA top BGA Corner 2 Applicazione critica! Bottom side BGA Corner 1 (shadow)
Sample 3 Requisiti Leadfree Soldering Profile T 245 C 225 C 195 C 15s < t < 60 s t < 110 s time
Sample 3 Risultato: Requisito raggiunto! Small board 2 side T in C Embedded TC reading Board 2, second side (Omega Datalogger) 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 225 C 195 C t ~ 20 s t ~ 108 s 1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241 261 Time in s BGA top BGA Corner 1 shadow BGA Corner 2 Bottom 281 301 321 341 361
Sample 3 Requisiti Leadfree Soldering Profile (2): Improving profile on PCB with shadow-effect 2 2 1 2 1 2 1 1 1. Setting shows Corner 1 too cold and delta T too high (2) = 241 C, (1) = 226 C; T = 15 + T1 2. Setting T1 from 140 to 160 C: no significant changes (2) = 241 C, (1) = 228 C; T = 13 + t3 3. Setting t3 from 20 to 30 s: no significant changes (2) = 243 C, (1) = 230 C; T = 13 4. Moving center of top heater into direction of corner 1 (colder) approx. 20 mm significanly improves the situation: (2) = 239 C, (1) = 238 C; Tjoint = 1 C
Sample 3 Risultato: Requisito raggiunto! Ottimizzazione della temperatura spostanto il centro di riscaldamento Center Top heater 2 1 T = 15 C Center Top heater 2 1 T = 1 C
Sample 4 Requisito: Rework di un Stacked BGAs Modulo RAM DIMM Requisito: Rimuovere uno stack bga in un solo processo. I componenti adiacenti non devono rifondere. TC attach DIMM Module in PH 100 on IR 550 A
Sample 4 Rework on Stacked BGA Modulo RAM DIMM Per rimuovere un BGA stack in un solo processo è necessario incolallare e crimpare assieme i vari livelli! shield apply glue Proteggere gli adiacenti con schermi. Applicazione riuscita!
Sample 4 Result: Stacked BGA IRS Profile for Removal Removal
Sample 5 Esempio di valutazione inemi, for IR650A inemi Science Project: Requisiti per un PBGA su pcb multilayer (excerpt): Requirements: Performance target: ERSA results: Minimum solder joint peak: Min. 230 C 235 C 236.1 C 238.8 C across component Time over Liquidus (ToL): 40 s 100 s 52s 69s across component Time between 150 C 217 C To monitor 114s 119s Temperature component surface center Max. 245 C 250 C 236.1 C 240.5 C across component Total time rework profile Around 8 minutes ~ 480s Scheda preparata con termocoppie incollate. E necessario per valutare I Delta termici nelle varie aree del componente.
Sample 5 Esempio di valutazione inemi, for IR650A report di misurazione
Sample 5 Esempio di valutazione inemi, for IR650A - analisi NEMI Payette board measurements for U29: Analysis for profile Payette U29, Trial 5 (3 runs in comparison): TS North-West TS South-East TS Center BS 0.150" North Ball Center Ball North-West rt Ball Center-Edge rt Surface across component NW-C-SE Payette U29, Trial 5, Run 1 Payette U29, Trial 5, Run 2 Payette U29, Trial 5, Run 3 236,9 C 237,4 C 237,6 C 236,6 C 239,4 C 239,6 C 241,3 C 243,7 C 244,4 C 228,1 C 227,6 C 229,5 C 239,1 C 239,7 C 240,8 C 235,4 C 234,8 C 236,5 C 3,7 K 4,9 K 4,3 K 4,7 K 6,3 K 6,8 K Peak temperatures Tpeak: Tpeak min. 236,9 C 236,6 C 241,3 C 227,6 C 239,1 C 234,8 C Tpeak average 237,3 C 238,5 C 243,1 C 228,4 C 239,9 C 235,6 C Tpeak max. 237,6 C 239,6 C 244,4 C 229,5 C 240,8 C 236,5 C rtpeak 0,7 K 3,0 K 3,1 K 1,9 K 1,7 K 1,7 K ±rtaverage peak 0,3 K 1,5 K 1,6 K 1,0 K 0,9 K 0,8 K ±rtaverage peak in % 0,15% 0,63% 0,64% 0,42% 0,35% 0,36% Time over Liquidus tol (all values in seconds): Payette U29, Trial 5, Run 1 Payette U29, Trial 5, Run 2 Payette U29, Trial 5, Run 3 40 43 46 45 51 52 50 56 55 20 23 22 70 71 75 49 48 53 tol min. 40 45 50 20 70 48 tol average 43 49 54 22 72 50 tol max. 46 52 56 23 75 53 rtol 6 7 6 3 5 5 Payette U29, Trial 5, Run 1 Payette U29, Trial 5, Run 2 Payette U29, Trial 5, Run 3 120 117 115 118 112 112 109 106 106 123 121 114 112 109 109 117 115 115 Time 150 C - 217 C tmin. (150 C - 217 C) 115 112 106 114 109 115 taverage (150 C - 217 C) 117 114 107 119 110 116 tmax. (150 C - 217 C) 120 118 109 123 112 117 rt150 C - 217 C 5 6 3 9 3 2 Esempio di analisi dei dati, usando excel per calcolo dei dati. La tabella mostra 3 differenti registrazioni dello stesso profilo e compara I risultati.
Esempio di applicazione da telefonia Applicazione: Schermo e BGA rework Problema: I componenti adiacenti non devono rifondere Soluzione: Protezione dei componenti vicini con schermi. In alternativa può essere usata aria ventilata sotto lo schermo. Applicazione risolta con successo! Sample 6
Sample 7 Applicazione con grosse masse termiche Applicazione: Saldatura su una scheda con grande massa termica Grosso blocco di rame saldato direttamente su una scheda prototipo Soluzione: Riscaldamento inferiore con un profilo a gradiente di preriscaldo molto lento Excellent result! Applicazione risolta con successo!
Applicazione con grosse masse termiche Applicazione: Scheda con substrano alluminio 4mm di alluminio saldato su un pcb standard Problema: Grossa massa termica che richiedo un notevole riscaldamento col rischio di bruciare il pcb. Soluzione: Preriscaldo superiore ai 120 C (solo lato inferiore ). Profilo con piastra inferiore al massimo dello potenza. Profilo di saldatura con gradiente della curva molto lento. Applicazione risolta con successo! Sample 8
BGA con dissipatore Applicazione: BGA con dissipatore incollato Soluzione: Profilo standard per bga con grossa massa termica. Rimozione del componente con pipetta standard o manuale Applicazione risolta con successo! Sample 9
THT socket rework: LGA775 THT-rimozione del socket Soluzione: Rework con la sola piastra inferiore Rimozione manuale Necessità di supporti inferiore per scheda Inserimento del nuovo socket nello stagno rimasto Applicazione risolta con successo! Sample 10
Evoluzione del rework: Dal tht al QFN MicroBGA CCGA-QFN Oggi Sistemi di rework specifici e tecnologici BGA PLCC-QFP Sistemi di rework innovativi THT Soffiatori aria calda Saldatori storici ieri Difficoltà-specializzazione-strumentazione
Workshop, Workshop, Workshop SALA ALFIERI 14.00-14.50 Ersa EASY WAY FOR REWORK a cura di ELCART
Domande? Grazie per l attenzione e ci vediamo nel pomeriggio!