Proces opravy BGA/QFN

Oprava desek s plošnými spoji s vadným obvodem v provedení BGA, micro-BGA nebo QFN bývá často náročným a zdlouhavým procesem. Ten spočívá v odstranění vadného obvodu, očištění pinů na desce, nanesení nové pájecí pasty na piny s použitím jednoúčelové miniplanžety a osazení nového obvodu. Rozměry použité planžety musí být přitom tak malé, aby ji bylo možné umístit do prostoru vyjmutého obvodu, který bývá v těsné blízkosti obklopen řadou dalších obvodů a blokovacích kondenzátorů. Druhou možností je aplikace pájecí pasty přímo na piny QFN nebo kuličky BGA obvodů, k čemuž jsou dnes dostupné specializované nástroje.

Hlavní výhodou těchto nástrojů je především výrazné zjednodušení celého procesu, stejně jako jejich přehledné a jednoduché ovládání. V typické, opakující se situaci, může být obvod ručně vložen do nástroje, opatřen přesně dávkovanou pájecí pastou a umístěn zpět na DPS. To vše za méně než jednu minutu.

Tyto stroje se obvykle skládají ze dvou samostatných částí: hlavního nástroje, který může být použit opakovaně pro několik různých pouzder a dále pak typově specifického doplňku, který je určen pro konkrétní pouzdro. Druhý jmenovaný se dále skládá z příslušné planžety a příslušenství, které má za úkol držet obvod pevně na svém místě. V případě planžet je možné použít prakticky libovolný typ, který má otvory řezané pomocí laseru nebo elektrolýzy.

Servisní nástroje pro QFN/BGA

Nejdůležitějším úkolem je pevné a bezpečné uchycení obvodu QFN/BGA a planžety na svém místě po celou dobu aplikace pájecí pasty. K tomu účelu se používají speciální upevňovací nástroje, které jsou umístěny v sestavě, a pro jejich instalaci se používají stahovací šrouby a dva pevné body. Na piny nástroje se následně připevní příslušná planžeta.

Obr. 1 Umístění obvodu QFN v nástroji

Do takto vytvořené servisní sestavy se následně umístí QFN obvod, který se pevně fixuje na své místo (obr. 1) a je možné zahájit proces aplikace pájecí pasty. Jakmile je proces dokončen, vyjme se obvod z přípravku zatlačením ze strany pouzdra. Samozřejmě je zde možné použít i ruční vakuové nástroje, ale optické vakuové pinzety jsou určeny pro opravu.

Návrh QFN planžet

Planžety pro fixaci obvodů typu QFN jsou obvykle formované pomocí laseru a navržené podle rozměrové tolerance pouzdra. Typicky tak mají rozměr o 0,127 mm (5 milů) větší, než je maximální délka hrany pouzdra. Tloušťka nástroje se volí tak, aby pouzdro obvodu bylo po umístění do nástroje v těsném kontaktu s planžetou. V praxi se obvykle používá i několik vrstev, které mohou dále sloužit pro jiné obvody. Například pro obvod QFN s výškou pouzdra 0,76 mm (30 milů) se pro uchycení mohou použít nástroje s tloušťkou 0,51 mm (20 milů) a 0,25 mm (10 milů). Otvory v planžetách jsou obvykle velmi malé, proto se při návrhu musí brát v úvahu plocha jejich stěn. Příklad několika planžet pro obvody s pouzdrem QFN s délkou hrany 3, 4 nebo 10 mm a 0,5 mm roztečí pinů jsou uvedeny v tab. 1.

Tabulka 1

Návrh BGA planžet

V případě obvodů typu BGA je žádoucí, aby planžeta těsně přiléhala k pinovým kuličkám v takovém bodě, který je menší než jejich maximální průměr. Druhou podmínkou je, že piny nesmí přesahovat horní stranu planžety, jinak by hrozilo jejich poškození kovovou stěrkou. Třetí, již zmíněná podmínka vychází z nutnosti dodržení vhodného poměru ploch a objemu otvorů. Pouze tak je možné zajistit aplikaci optimálního množství pájky přesně na piny obvodu.

T=Tloušťka planžety

R=Poloměr BGA pinů

H=Výška pinů zapuštěných do otvoru planžety

D=Poloměr otvoru planžety

Objem otvoru planžety:

V1=π∙D2T/4

Objem pinu v planžetě:

V2=1/3πH2(3R-H)

Vhodný poměr mezi D a R:

R2=(D/2)2+(R-H)2

Objem nanášené pájecí pasty:

V3=V1-V2

Nebo:

V3=πT(R2-(R-H)2)-1/3πH2(3R-H)

Pomocí těchto jednoduchých vzorců je možné dosáhnout aplikace optimálního objemu pájecí pasty na libovolné piny obvodů BGA. Výsledek výpočtů je uveden v tab. 2.

Tabulka 2

Planžeta, která BGA pouzdro přidržuje na svém místě, musí mít takovou tloušťku, aby pinové kuličky nevyčnívaly a bylo na ně možné aplikovat přesně dané množství pájecí pasty. Stejně jako v případě QFN pouzder, může se zde použít vrstvení až do dosažení požadované tloušťky. Naopak, jelikož zde samotné piny zajistí přesné vycentrování do otvorů planžety, není zde přesná poloha kritická tolik, jako v případě QFN.

Závěr

Kvůli vysoké hustotě součástek a stísněným rozměrům, je obvyklá aplikace pájecí pasty přímo na desku s plošnými spoji poměrně obtížná a vyžaduje použití speciálních, jednoúčelových mini- planžet. Tento článek se tedy zaměřil na alternativní přístup, který spočívá v aplikaci pájecí pasty přímo na piny obvodů a to buď v provedení QFN, nebo BGA. Před standardním reflow procesem dojde k nanesení pájecí pasty na piny nebo kuličky nového obvodu, který je následně zapájen na desku s plošnými spoji. Hlavní proces je tak závislý na použití vhodného nástroje pro přidržení obvodu a samozřejmě také odpovídající planžety s otvory pro piny. Uvedenou technologií je možné bez problémů aplikovat přesné množství pájecí pasty například i na obvody QFN s délkou hrany 10 mm a dvěma řadami s celkem 124 I/O pinů s roztečí 0,5 mm, nebo obvody BGA s délkou hrany 35 mm, 1 mm výšky a 1156 I/O piny.