Superficie matrices zona del Monte (SMAAs) han existido durante décadas y son cada vez más importante como conjuntos de PCB se vuelven más complejas con la miniaturización del paquete y la densidad. Aunque el ahorro de espacio de PCB que ofrece la tecnología de la soldadura con SMAA conjunta es conveniente y necesario que es también muy importante que las juntas de soldadura que se forman cuando utilizando la tecnología SMAA son fiables y robustos. Un avance reciente en la tecnología SMAA es la matriz de la red de carga de soldadura (SCGA). Durante el desarrollo de esta atención las nuevas tecnologías SMAA tanto estaba dando a las estructuras existentes SMAA, tales como la matriz de rejilla de bola (BGA) y la matriz columna de la cuadrícula (CGA) con la intención de mejorar en las ventajas que ofrece cada una de estas tecnologías. Un enfoque se colocó en la mejora de las áreas de procesamiento, control y la fiabilidad, mientras que el mantenimiento de los puntos fuertes de las características existentes SMAA, como la densidad, la sencillez, y el costo. Como resultado, SCGA tecnología requiere ningún procesamiento especial o equipo durante el montaje y PCB ha sido diseñado para ser lo suficientemente flexible para ser utilizado como una gota en el reemplazo por existente BGA o componentes CGA. SCGA también mejora en la coplanaridad, inspección, Compatibilidad, y los problemas de fiabilidad de las actuales tecnologías de unión de soldadura SMAA conjuntas. Este documento se centrará en dos áreas principales de la SCGA: El diseño y la investigación que participan en el desarrollo de la SCGA, y el completado las pruebas de fiabilidad para asegurar la SCGA cumple con las especificaciones de la industria para la tecnología de SMAA y para predecir el rendimiento de la SCGA través de ambientes hostiles.
Investigación y Diseño
El desarrollo SCGA se centró en la mejora de tres áreas fundamentales de interés con los actuales métodos de fijación SMAA soldadura. En primer lugar, el enfoque se hizo hincapié en la ventaja de los sistemas automatizados de recogida y colocación de máquinas puedan ser capaces de identificar y limpia colocar el componente en un ensamblaje de PCB. En segundo lugar, las estrategias de diseño SCGA fueron revisados para hacer automática y manual de rayos X de interpretación de las imágenes más distinguibles, confiable y menos dependiente de la experiencia de un operador de rayos-X y la habilidad. Por último, la atención se coloca en la mejora de la fiabilidad de soldadura conjunta de las actuales tecnologías de unión de soldadura SMAA.
Automatizado de pick-and-Place
Por su diseño, la forma de la SCGA permite el reconocimiento fácil de la visión de común automatizado de hoy pick-and-place equipos, eliminando así la necesidad de formación especial o actualizaciones de software para el programa de inspección visual automatizada. Esto es particularmente importante en el diseño de cualquier tecnología SMAA cuando se toma en cuenta la rotación de personal a los fabricantes por contrato y la obligación de capacitar a todo el personal nuevo. El SCGA se compone de dos componentes principales, el primero es el terminal que la carga de soldadura se monta en , y el segundo es la carga de soldadura en sí. La geometría de tanto el terminal y la carga de soldadura para permitir sistemas automatizados de la visión de recogida y colocación de inspeccionar tanto la carga de soldadura y la base de terminal como una imagen sólida rectangular que permite la detección rápida de una carga de soldadura falta o está dañado o terminal. El terminal de carga y la forma de soldadura se puede ver con más detalle en la Figura 1.
Figura 1: SCGA de terminales y la carga de soldadura coplanaridad.
En las asambleas de PCB siguen en aumento en la densidad de los componentes y requiere una mayor reducción en las especificaciones de Paso del terminal se está volviendo más común para un ensamblador de PCB para usar un 0,10 mm a 127 mm de la plantilla gruesa pantalla de la impresora para evitar la soldadura puente u otra pantalla la impresión de defectos relacionados. Estos delgados de pantalla requisitos plantilla de la impresora seguirá impulsando los requisitos de coplanaridad de los terminales de un componente cada vez más estrechos. Mientras que en el pasado pudo haber habido coplanaridad requisitos de 0,15 mm a 2 mm de ahora es más común ver a coplanaridad requisitos de 0,10 mm a 12 mm, con hojas de ruta de SMT que indican una unidad a 0,08 mm.
El diseño de la SCGA controla y mejora retos coplanaridad de los actuales adjuntos SMAA de soldadura en dos formas únicas. La primera mejora proviene de la fijación de la carga de soldadura para el propio terminal. La carga de soldadura está estampado a partir de una cinta en el terminal resultante en una ubicación muy precisa, repetible y predecible en el terminal. La segunda característica de la SCGA, que además ayuda a compensar los requisitos de coplanaridad, es el diseño de la carga de soldadura y el terminal sí mismos. La punta de la carga de soldadura es ligeramente inferior a la base de la punta terminal de como se ve en la Figura 2. Además, la punta de carga de soldadura es maleable que permite una cierta compresión durante la colocación automatizada. Esta compresión ayuda a compensar cualquier distorsión PCB y mejora aún más la coplanaridad del propio componente. Figura 2: Ubicación de carga en el terminal de soldadura.
Inspección
Debido a la naturaleza misma de los métodos de fijación de soldadura SMAA requieren muchos de los contactos a estar bajo el paquete de componentes, la inspección visual está limitado a las filas externas que requieren inspección por rayos X para verificar la humectación de soldadura adecuada y la formación de soldadura conjunta de los contactos ocultos restantes. El diseño de la SCGA hace inspección por rayos X más fácil y más fiable que otros métodos de fijación SMAA soldadura a través del uso de la geometría simple. La carga de soldadura que se estampa en el terminal es de forma rectangular en el diseño y la plataforma de PCB es redonda u ovalada en función de los requisitos de la OEM. Esta diferencia en la geometría hace que sea mucho más simple para detectar un fallo de soldadura porque si la carga de soldadura no se ha formado una unión de soldadura preferida con el terminal y el PCB almohadilla la imagen de rayos X se traducirá en una forma nodular o rectangular, mientras que una de rayos X imagen de una junta de soldadura preferida indicará una forma redonda u ovalada, dependiendo del diseño almohadilla PCB.
Esta mejora del diseño del SMAA SCGA reduce, si no elimina, el riesgo de fallos falsos ya sea en rayos X o fallos verdaderas no ser detectado, tal como un defecto cabeza en almohada asociado con la BGA. Vea las Figuras 3 y 4 para las imágenes de rayos X de preferencia y no aceptables SCGA formaciones conjuntas de soldadura. Figura 3:. 2D imágenes de rayos X de las juntas de soldadura preferidos SCGA Figura 4: 2D imágenes de rayos X de los no aceptables las juntas de soldadura SCGA .
La fiabilidad de soldadura
Varios factores contribuyen a la fiabilidad de los métodos de juntas de soldadura de unión de soldadura SMAA incluyendo la formación de soldadura final conjunta y diseño de la terminal. El diseño de la terminal tiene un gran impacto en la fiabilidad de soldadura por influir en la fuerza de la unión de soldadura y la incorporación de Compatibilidad para dar cuenta de la tensión que puede ser introducido a la junta de soldadura. La terminal de carga de soldadura SCGA y tienen características de diseño específicas para hacer frente a estos dos colaboradores de la confiabilidad de la unión de soldadura.
En primer lugar, la terminal de SCGA tiene dos características de diseño para mejorar en la fuerza conjunta de soldadura de los métodos actuales SMAA fijación de soldadura. La base de terminales no es plana, sino que tiene una punta diseñada para penetrar y el asiento en la pasta de soldadura impresa en el PCB y almohadillas para mantener la mayor parte de la base de terminales arriba de la superficie de la almohadilla de soldadura aumentar el área de la terminal soldable. El terminal también tiene un agujero, o el ojo, en lo que no sólo asegura la carga de soldadura durante el apareamiento de la carga al terminal de soldadura, sino que también permite la masa de soldadura de la carga de soldadura y la soldadura se imprimió sobre la almohadilla de PCB para el flujo a través, llenar el agujero (del ojo), y absorberá a la terminal. Estas dos características de diseño de la terminal SCGA, la punta en la base de terminales y el orificio (ojo) en el terminal, permite una cantidad excepcional de la superficie soldable de el terminal incluyendo ambos lados de la terminal, la base del terminal, y la superficie interior de la terminal en el agujero (ojo) ubicación. Consulte la Figura 5 para un modelo y las figuras 6 y 7 para imágenes de cortes transversales de estas características del terminal. Figura 5: Modelo de formación de juntas de soldadura SCGA. Figura 6:. imágenes de cortes transversales (eje X) de SCGA formación de juntas de soldadura Figura 7 : imágenes de cortes transversales (eje Y) de SCGA formación de juntas de soldadura.
La longitud del diseño de la terminal SCGA proporciona Compliancy aumentado y reduce las tensiones que pueden ser introducidas a la junta de soldadura. Considerando que muchos terminales SMAA son cortas y rígidas, el terminal SCGA actúa como una viga y se desvía con tensiones inducidas, fácilmente absorber las fuerzas que resultan en fracturas en las juntas de soldadura estándar SMAA.
Inter-metálicos (IMC) afectar a la fiabilidad de soldadura, ya medida que crecen y aumentan de grosor de la junta de soldadura se vuelve quebradizo que conduce a soldar las grietas y fallas comunes de soldadura conjunta final. CMIs se forman cuando la soldadura se refluir para formar una junta de soldadura a un sustrato si se trata de una almohadilla de placas o una superficie terminal, como ocurre con el accesorio de balón a un terminal de BGA. SMAA juntas de soldadura tiene muchas oportunidades para el crecimiento excesivo de IMC, incluyendo la conexión bola original en un terminal de BGA, durante la quema en el horno o pre-para quitar la humedad antes de la adhesión a un PCB (un IMC ya se ha formado durante la conexión a un terminal puede seguir creciendo [ 1], y / o por un perfil de soldadura por reflujo con un tiempo extendido por encima de liquidus o demasiado lenta de una velocidad de enfriamiento. Figura 8: terminales SCGA característica Compatibilidad. Figura 9:. SCGA compensador Compliancy terminal de la SCGA elimina las dos primeras oportunidades para excesivo el crecimiento de IMC por estampación la carga de soldadura en el terminal y evitar la necesidad de reorganizar o de soldar en el terminal. La soldadura SCGA proceso de carga adjunto elimina la formación de IMC antes de la adhesión a una plataforma de PCB. Ver Figura 10 para la descripción de la carga de soldadura adjunto a la terminal.
Cada placa tuvo un circuito de cadena tipo margarita ejecuta a través de la interconexión así la continuidad eléctrica se pudo confirmar en diferentes puntos en la secuencia de prueba. Las placas se sacaron de la cámara y probado cada 500 ciclos para identificar el punto en el proceso de prueba de fallos donde puede haber comenzado a ser encontrados. El perfil de temperatura utilizado para cada uno de dichos ciclos se puede ver en la Figura 13. Figura 13: IPC-9701 pruebas perfil ciclo de temperatura.
Al término de la prueba de los datos resultantes concluyó que ninguna de las juntas de soldadura se agrietado hasta el punto de fallo. Por definición, el fallo fue considerado como la identificación de un "glitch" en la cadena de margarita, es decir, un delta de 10M en la resistencia que duran más de 1 milisegundo. Así, una junta de soldadura agrietada daría lugar a la resistencia creciente contacto durante un largo intervalo de tiempo y afectan a la capacidad de transmisión de la señal. Tales grietas son causadas por las tensiones en los ciclos de temperatura y la capacidad de la junta de soldadura para absorber estas variaciones de temperatura a través de propiedades metálicas en la adherencia de PCB. Los resultados de soldadura conjuntos de fiabilidad de SCGA en la secuencia de prueba IPC-9701 se puede ver en la Tabla 1. Tabla 1: Resultados de IPC-9701 pruebas para SMT SC.
Como parte del procedimiento de calificación estándar que se utiliza para validar la robustez y la fiabilidad de un método de fijación nueva SMAA soldadura de varias secuencias de dar una idea de la fiabilidad de soldadura a través de pruebas de que es una aplicación orientada a: shock Durabilidad, térmicas, ciclos de temperatura con la humedad, los choques y vibración aleatoria. Estas secuencias, según corresponda a la condición de unión de soldadura dependen de la resistencia de contacto de bajo nivel (LLCR de conformidad con el EIA-364-23), el medidor de desempeño desde dañado / sobre-estresadas soldaduras puede resultar en grandes incrementos de los LLCR. La figura 14 muestra la configuración de prueba para la medición de LLCR.
Figura 14: Prueba de LLCR puesta en marcha de configuración.
La prueba de durabilidad de conformidad con el EIA-364-09 hace hincapié en las juntas de soldadura a través del apareamiento repetido y desacoplamiento de los conectores en una configuración típica de la vida real establecido en las mitades de acoplamiento se les permite auto-centro, ya que son varias veces enchufado y desenchufado. El LLCR se mide periódicamente y grabado, así como una indicación de la estabilidad. Esta prueba es parte de una secuencia mediante el cual las tensiones impuestas por dicho ensayo de durabilidad en las interfaces de contacto, así como las juntas de soldadura se agrava por la exposición al choque térmico y humedad cíclica.
Cien ciclos choque térmico (85 ° C a -55 ° C, 30 minutos en cada extremo / ciclo) se realizan de acuerdo con EIA-364-32 de vigilancia de la LLCR a la finalización de dicha exposición. Estos choques térmicos son más graves y más rápido en tiempo de transición que el estándar de confiabilidad de la unión de soldadura (SJR) de pruebas, proporcionando una tensión similar a un nivel acelerado. La comparación de la LLCR inicial frente al LLCR final es el medidor de rendimiento unión de soldadura.
La prueba de humedad (también referido como ciclos de temperatura con la humedad) se lleva a cabo durante diez días, de acuerdo con EIA-364-31. Esta prueba se destaca además las juntas de soldadura mediante la adición de humedad a la ayuda adicional en la detección de las juntas de soldadura degradantes. El LLCR también se mide después de esta exposición con el delta como un medidor del desempeño de la unión de soldadura. La Tabla 2 muestra los resultados de las pruebas de los ciclos de temperaturas con las pruebas de humedad. Tabla 2: ciclos de temperaturas, con resultados de la prueba de humedad.
Además de una secuencia de prueba sólo se ocupan de la robustez mecánica de los contactos por paquete cuerpos y puntos de soldadura se inicia con golpes de conformidad con el EIA-364-27 (100 G, de 6 ms, 3 golpes / eje / dirección) y procede a través de una muestra aleatoria vibración exposición de acuerdo con EIA-364-28, TC VB (7.56g). Mientras que un grupo de muestras se expone mediante LLCR como el medidor de rendimiento para la interfaz de contacto, un segundo grupo de muestras se ejecuta de seguimiento de discontinuidades de la señal eléctrica a través de los conjuntos de conector. Este segundo grupo es la clave para la identificación de las soldaduras agrietadas ya que esta condición podría causar fallos de muy alta resistencia para activar el detector de discontinuidad / evento mientras que las muestras están siendo impactado / vibrado. La figura 15 muestra el aparato utilizado para mecánica, golpes / pruebas de vibración. Figura 15: choque mecánico / aparato de ensayo de vibraciones.
Los resultados de la prueba del choque mecánico y pruebas de vibración indican ningún daño a las juntas de soldadura.
Tabla 3 y 4 a continuación contienen los resultados de la prueba. Tabla 3: Datos de resultados de pruebas de golpes y vibraciones. Tabla 4: Datos de resultados de pruebas de golpes y vibraciones.
Además de IPC y la evaluación del impacto ambiental se evalúa la fuerza de tracción de soldadura conjunta y fuerza de corte se pusieron a prueba así. Soldadura pruebas conjuntas fuerza de tracción se llevó a cabo utilizando tanto Sn / Pb y tecnología libre de plomo SCGA. Tire de prueba de fuerza dio lugar a la fuerza de Sn / Pb juntas de soldadura que se determina a 2.658 g / juntas de soldadura libre de plomo y estaño-la fuerza conjunta que se mide como 2.887 g / juntas de soldadura. Estos resultados mostraron que la soldadura SCGA atracción conjunta la fuerza la fuerza para ser más de 2,5 veces la de una unión de soldadura BGA comparables que miden una fuerza de tracción de 1008 g / juntas de soldadura.
Cargas laterales también juegan un papel importante en la resistencia y la fiabilidad de las juntas de soldadura para las fuerzas laterales y longitudinales se han calculado con la desviación en el contacto. Una prueba de carga lateral se realizó en conectores acoplados que se sueldan a una PCB con la tecnología SCGA con 299 puntos de contacto.La figura 16 muestra la lectura de recorrido lateral (eje x) frente a la fuerza libra de una carga lateral (eje y) aplicado a una PCB libre cuando el otro PCB es fijo. La resistencia del sistema en cadena fue monitoreada durante la carga. Figura 16: fuerza lateral resultante (LBF) frente a los viajes forzados (pulgadas).
Hay dos condiciones para que no coinciden los valores de posición que deben ser considerados para una carga lateral: pila de tolerancia mecánica de dos componentes acoplados que se ven forzadas fuera de su posición por el hardware de montaje en PCB y pila de tolerancia mecánica de las piezas múltiples por tarjeta. Estos desajustes posicionales generar cargas laterales que deben ser soportadas por el SCGA. En este caso, la estadística 6 pila tolerancia Sigma para una parte múltiple por juego bordo de los conectores se encontró que era 0,013 ".La fuerza de parte de la carga resultante de 12.25 libras (o 0.041 libras por soldadura de las articulaciones) se midió en este número de desplazamientos forzados. El desajuste caso peor pila de dos conjuntos de componentes de acoplamiento de la placa del mismo puede ser de hasta 0,030 ", lo que resulta en una carga lateral de 58,3 libras (0.195 libras o por unión de soldadura). El ensayo continuó hasta una desviación de 0,052 "con una carga lateral de 124,8 libras (o 0,417 libras por soldadura conjunta) creadas cambio significativo en la resistencia de contacto. La carga fue liberado poco después de este evento y la resistencia eléctrica volvió a su valor original.
Conclusión
Como los dispositivos y aplicaciones SMAA continúan evolucionando, los métodos de soldadura de unión también debe evolucionar para satisfacer las necesidades de estos paquetes electrónicos más avanzados y densa y aplicaciones. Demostrar la eficacia y fiabilidad de una nueva tecnología de SMAA requiere numerosas secuencias de pruebas diferentes para replicar los ambientes extremos que pueden ser encontrados en la amplia variedad de aplicaciones que los componentes electrónicos están diseñados para. El uso de estas secuencias de prueba estandarizados ofrece un diseñador de la capacidad de comparar el rendimiento de una nueva tecnología de SMAA contra las diferentes tecnologías que ya existen en la actualidad.
Para demostrar eficazmente la eficacia de un nuevo SMAA, un diseñador debe considerar recoger y colocar la compatibilidad, de alta densidad coplanaridad pasador, facilidad de procesamiento horno, la eficacia y fiabilidad de inspección de soldadura a través de pruebas estándar de la industria. Con estos factores en mente, el SCGA fue diseñado para cubrir las prestaciones actuales SMAA y superar algunas de las deficiencias de los diseños actuales a través del análisis exhaustivo de los factores importantes que se mencionan en el párrafo anterior. Como se observa en los resultados y los datos que figuran en las secciones anteriores de este informe, el SCGA ha sido diseñado como un método de última generación SMAA unión de soldadura y los datos de prueba, junto con las aplicaciones actuales de los principales OEM, ha demostrado que la SCGA en efecto, cumplir con o exceder todas las expectativas y exigencias actuales de un método de fijación SMAA soldadura.
Un seguimiento en la investigación a considerar es el delicado equilibrio entre el rendimiento de integridad de la señal de una nueva tecnología SMAA y la robustez mecánica de una junta de soldadura. En muchos diseños de un diseñador eléctrico puede tener diferentes prioridades que un diseñador mecánico, pero ambos deben trabajar juntos para encontrar la armonía en apaciguar a los demás de una cohesión general del sistema beneficioso. Al analizar una nueva tecnología como la SMAA SCGA, sería interesante hacer un análisis del desempeño SI y los beneficios o los inconvenientes eléctricos que pueda tener en comparación con las ventajas mecánicas que puede traer.
Referencia:
1. Thomas W. Edwards, "las similitudes entre juntas de soldadura BGA / Chipscale y otros dispositivos de montaje superficial," IPC / ANTM Ball Grid matriz Simposio Nacional, Bedford, Massachusetts, junio de 1997.
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