Pájecí stanice s vyhřívanou šablonou pro proces reballing

Opravy desek plošných spojů jsou nedílnou součástí výrobních procesů elektrotechnického průmyslu. Z pohledu oprav dochází často k problémům s pájenými spoji u elektronických pouzder s větším počtem vývodů a větším ztrátovým teplem při jejich aktivním režimu. Typickými zástupci mohou být například GPU u grafických karet.

Když se zaměříme konkrétně na opravu BGA pouzder, například jejich pájených spojů, pak se dostáváme k procesu zvanému „reballing“, tedy k výměně pájkových kuliček. Přitom se používají jak levnější metody založené na kovové šabloně pro osazení pájkových kuliček, tak i dražší, jako je laserové pájení. Mezi tyto metody se nyní řadí i inovativní a námi patentovaná metoda s přímo vyhřívanou šablonou, kterou využívá náš prototyp osazovací a pájecí stanice HSR-01 zobrazený na obr. 1.

Obr. 1 Pájecí stanice HSR-01 s vyhřívanou šablonou pro reballing

Myšlenka vývoje nového procesu vytvoření, respektive obnovení (reballing) kulových pájkových vývodů na pouzdře BGA vznikla kvůli potřebě snížení spotřeby elektrické energie, vytvoření lépe kontrolovaného procesu pájení se snížením počtu procesních kroků (přesun pouzdra do pájecího zařízení) a zvýšení jakosti a spolehlivosti výsledných pájených spojů.

Ze stávajících metod využívá tato metoda kovovou osazovací šablonu a celý proces osazení kulových pájkových preforem (pájkových kuliček). Zásadním rozdílem oproti používaným metodám „reballing“, které mají procesy osazování pájkových kuliček a následného pájení oddělené, je v přizpůsobení osazovací šablony i pro proces pájení přetavením. Šablona tedy slouží nejen k osazení kuliček, ale také k jejich přetavení a následnému zapájení na pájecí plošky BGA pouzdra. Ohřevu šablony se docílí připojením elektrického signálu na šablonu v hodnotách stovky milivoltů až jednotky voltů, což vzhledem k odporu dané šablony způsobí průchod jednotek až desítek ampérů. Při dodání dostatečného výkonu šablona ohřeje pájkové kuličky na teplotu potřebnou k přetavení měkkých pájecích slitin. Výhody pájecí stanice HSR-01 jsou následující:

• Z měření teploty na BGA pouzdře se zjistilo omezení teplotního zatížení samotného pouzdra, jelikož během procesu přetavení dochází k ohřátí pouze na teplotu maximálně 150 °C.
• Teplota pouzdra se využívá zároveň jako předehřívací, čímž je docílena aktivace tavidla při teplotě nad 100 °C, zatímco obecně se používá rozsah předehřívacích teplot v rozmezí 150–180 °C pro nejpoužívanější bezolovnaté slitiny, např. SAC305. Menší tepelné zátěže na pouzdro BGA bylo docíleno nastavením základní polohy přímo vyhřívané šablony nad pouzdrem BGA definovanou vzdáleností.
• Menší energetická náročnost v porovnání s jinými metodami, případně jiným zařízením určeným pro proces reballing. Při procesu pájení je spotřeba stanice HSR-01 pouze 220 VA, zatímco u jiných pájecích zařízení je spotřeba od 600 VA výše.
• Sloučení dvou postupů (osazení pájkových kuliček a jejich připájení) do jednoho, jak již bylo zmíněno v textu výše.
• Charakterizace pájených spojů vykazuje vyšší jakost a spolehlivost v porovnání s metodami levnějšími, jež využívají nevyhřívanou šablonu, přičemž se blíží ke spolehlivosti kulových pájkových spojů na BGA pouzdrech vytvořených laserovým pájením.
• Pájecí stanice HSR-01 je kompletní, nevyžaduje žádné další externí přístroje.

Návrh a konstrukce prototypu pájecí stanice HSR-01 byly koncipovány pro nezávislý provoz, který nevyžaduje další externí přístroje. Tím se rovněž liší od jiných zařízení pro reballing, které jsou sestavené z několika samostatných částí (osazovací aparatura pro pájkové kuličky, pájecí stanice aj.). Pájecí stanice má proto integrovány všechny důležité části pro zajištění kompletní funkce, jako jsou:

• kamerový systém s LCD displejem pro optické sesazení otvorů v šabloně s pájecími ploškami BGA pouzdra,
• vakuové vývěvy určené pro uchycení pouzdra a jeho následné sesazení,
• regulátor s proporcionálním řízením teploty pro proces pájení.

Napájení zařízení je 230 VAC, ale na přímo vyhřívanou šablonu se přivádí pouze 2,2 VDC, zatímco procházející proud lze nastavit až na 90 A. Díky nízké hodnotě elektrického napětí na přímo vyhřívané šabloně není rozdíl potenciálů mezi otvory pro pájkové kuličky takový, aby došlo v případě zkratu k poškození vnitřního obvodu v pouzdře BGA.

Postup práce na pájecí stanici HSR-01 je možné stručně popsat takto:

• Očištěné pouzdro BGA se po odpájení z DPS umístí pod přímo vyhřívanou šablonu na polohovací držák s vakuovou aretací. Elektrodový systém je nutné nastavit v ose Z tak, aby výška šablony byla nad pouzdrem ve vzdálenosti přibližně poloviny průměru pájkové kuličky.
• Otvory v šabloně se sesadí s pájecími ploškami na BGA pouzdře pomocí vestavěné kamery s objektivem, nastavená poloha se následně aretuje.
• Pájkové kuličky (průměr kuliček bývá přibližně od 100 do 760 μm) se nasypou na přímo vyhřívanou šablonu tak, aby v každém otvoru byla jedna kulička. V případě, že se po nasypání kuliček nezaplní v šabloně všechny otvory, musí operátor kuličky umístit do prázdných otvorů pomocí pinzety, případně jiným nástrojem. Přebytek pájkových kuliček se poté shrne do zásobníku pod elektrodovým systémem.
• Bezpečnostní kryt, ve kterém je umístěn i IR senzor teploty pro zajištění zpětné vazby regulace teploty, se uzavře, na regulátoru se zapne nastavený pájecí profil.
• Po ukončení pájení se BGA pouzdro vyjme z držáku, čímž se celý proces dokončí. Opravené pouzdro je potom možné osadit na základní desku plošných spojů a připájet přetavením.

Prototyp HSR-01 byl na letošním veletrhu AMPER 2022 oceněn cenou Zlatý Amper za nejpřínosnější exponát.

alexandr.otahal@vutbr.cz