Тим Грув (Tim Grove)
д-р С. Маньян Рамкумар (S. Manian Ramkumar)
Центр производства и сборки электронных изделий, Технологический институт Рочестера,
Рочестер, штат Нью-Йорк (США)
Брайан О'Лири (Brian O' Leary)
Термопрофайлеры KIC, Сан-Диего (США)
Оценка точности метода измерения температуры с неразрушающим креплением термопары для снятия температурных профилей компонентов в корпусах с матричным расположением выводов
Введение
Рецепт пайки, в который входят параметры температуры в зоне оплавления внутри печи для пайки и скорости движения конвейера, определяет температурно-временной профиль для конкретного типа печатной платы. В целях обеспечения высокого качества готовых печатных плат температурно-временной профиль не должен выходить за допустимые пределы для данного изделия и технологического процесса. Эти пределы зависят от допусков паяльной пасты, компонентов и подложки. Таким образом, точность воспроизведения температурно-временного профиля становится критически важным слагаемым качества электронного узла. Методы, с помощью которых к печатной плате крепятся термопары для снятия профиля при прохождении платы через печь, существенно влияют на точность его измерения.
Многие сборщики электронной аппаратуры не могут позволить себе жертвовать серийными печатными платами и BGA-компонентами для снятия температурно-временных профилей. Но им, так или иначе, необходимо обеспечить соблюдение заданных параметров технологического процесса.
У компонентов с матричным расположением выводов (BGA) шарики припоя, играющие роль выводов, скрыты под корпусом, что особенно затрудняет снятие температурного профиля. Ненадлежащее расплавление шариков припоя ведет к образованию некачественного паяного соединения и повреждению компонентов или всего узла. Кроме того, эти компоненты обычно дороги, и потому их монтаж представляет особую трудность для сборщиков.
Цель настоящего исследования — найти неразрушающий метод крепления термопары, который бы характеризовался малой погрешностью относительно «фактического» значения температуры под компонентом в корпусе типа BGA.
Метрики проекта
«Золотым стандартом» крепления термопары к компоненту в корпусе типа BGA является метод, при котором термопара помещается точно на одну из контактных площадок, а затем поверх нее припаивается BGA-компонент без нанесения дополнительного припоя помимо того, который уже имеется на контактных площадках и шариковых выводах корпуса компонента. Предварительные исследования показали, что, используя термопару со сплющенной головкой и ремонтную станцию для BGA-компонентов, можно с достаточной точностью и надежностью поместить термопару на одиночную контактную площадку или шариковый вывод. В данном исследовании роль образцового датчика температуры играла термопара со сплющенной головкой, припаянная под BGA-компонентом.
Ранее исследования, выполненные компанией KIC, показали, что неразрушающий метод крепления термопары алюминиевой клейкой лентой обеспечивает точность и повторяемость результатов измерений, в том числе при многократном повторном креплении. Другие методы крепления, например с помощью тугоплавкого припоя или клея, не исключают малых отклонений в количестве материала, наносимого для крепления, что приводит к погрешностям при измерении температуры. Второе преимущество алюминиевой клейкой ленты состоит в том, что она уже широко применяется при сборке электроники.
В число метрик проекта входила разность значений температуры, измеренных термопарой, прикрепленной в двух местах с помощью алюминиевой клейкой ленты (рис. 1), и термопарой с плоской головкой, припаянной под BGA-компонентом (рис. 2). Малый размер этой разности (∆T) указывает на то, что данное сочетание метода и места крепления обеспечивает очень хорошее согласование с результатами измерения температуры плоской термопарой, припаянной под корпусом BGA.
Результаты и обсуждение
Для выполнения различных этапов эксперимента использовалась печь с принудительной конвекцией, имеющая шесть зон нагрева и одну нерегулируемую зону охлаждения. Измерения производились с использованием термопрофайлера KIC.
Измерения, сделанные в зоне охлаждения, были исключены из рассмотрения для целей данного анализа, чтобы избежать некорректной интерпретации данных. Рецепт пайки, применявшийся в ходе этих экспериментов, приведен в таблице ниже.
Крепление термопары алюминиевой клейкой лентой
В общей сложности было снято 16 профилей с использованием четырех сочетаний размеров BGA-компонента и печатной платы, монтажом двух BGA-компонентов на каждой печатной плате и двукратным снятием профиля в каждой из комбинаций. Подложкой служила двухслойная печатная плата толщиной 0,8 и 1,6 мм из материала FR4. Кроме толщины, размеры двух печатных платы были одинаковыми — 203,2×139,6 мм. На платах монтировались BGA-компоненты двух типов: BGA 160 (размеры 15×15 мм, шаг расположения выводов 1 мм) и BGA 1156 (размеры 35×35 мм, шаг расположения выводов 1 мм).
Под BGA-компонентом припаивалась термопара со сплющенной головкой для измерения «истинного» значения температуры в этой зоне. Особое внимание уделялось тому, чтобы головка термопары располагалась точно на контактной площадке. Затем с помощью ремонтной станции BGA-компонент припаивался к контактным площадкам. В результате головка термопары оказывалась между контактной площадкой на печатной плате и шариковым выводом корпуса, не касаясь других выводов и контактных площадок компонента. Кроме того, алюминиевой клейкой лентой крепились еще две термопары для измерения температуры в следующих местах:
Критерием анализа служила разность измеренных значений температуры с термопар, прикрепленных алюминиевой лентой, и плоской термопары, припаянной под BGA-компонентом. Эта разность измерялась в наиболее ответственной части профиля — в зоне оплавления внутри печи для пайки. Она вычислялась следующим образом: из каждой точки температурно-временного графика, полученной с профилера KIC, вычиталось значение температуры, измеренное образцовой термопарой в соответствующем месте. Температурные графики для BGA-компонентов разного размера и печатных плат разной толщины показаны на рис. 3–7.
По совокупности данных, полученных в ходе этого и прошлых экспериментов с BGA-компонентами различного размера и печатными платами различной толщины, была выведена общая эмпирическая формула [1] и построены эмпирические графики (рис. 8 и 9) для компонентов в пластмассовых корпусах типа BGA, монтируемых на печатных платах из материала FR4 с креплением термопар алюминиевой клейкой лентой к верхней стороне корпуса и нижней стороне печатной платы. Исходя из экспериментальных данных, полученная эмпирическая формула лучше аппроксимирует результаты для термопары, прикрепленной к верхней стороне корпуса BGA-компонента, чем для термопары, прикрепленной к нижней стороне печатной платы под компонентом.
На рис. 8 и 9 показаны теоретические графики разности температур при креплении термопары к верхней стороне корпуса BGA-компонента для заданной комбинации печатной платы и компонента, построенные по эмпирической формуле. На рис. 8 приведен график для всех зон в совокупности, а на рис. 9 — только для зоны оплавления. Чтобы воспользоваться графиком на рис. 8 или рис. 9, нужно вычислить монтажный коэффициент (AI) по параметрам печатной платы и компонента, как описано ниже. Для проверки графика необходимо дополнительно снять ряд профилей.
Формула для расчета разности температур, измеренных образцовой термопарой и термопарой, прикрепленной неразрушающим методом:
где: AI — монтажный коэффициент; PT — толщина печатной платы, мм; PW — масса печатной платы, г; PA — полная площадь печатной платы, мм2; CP — шаг расположения выводов компонента; IOC — количество линий ввода/вывода; CA — площадь компонента, мм2; CW — масса компонента; CT — толщина компонента, включая шариковые выводы.
Выводы
Крепление термопары алюминиевой клейкой лентой к верхней стороне компонента в корпусе типа BGA обеспечивает хорошую аппроксимацию температуры под корпусом. Более того, отклонение температуры можно вычислить с разумной достоверностью по формуле, выведенной в ходе этого исследования. Для относительно небольших BGA-компонентов и тонких печатных плат это отклонение не превышает 2 °C. Платы большей толщины и компоненты большего размера дают более значительные отклонения, которые можно аппроксимировать по указанной формуле и соответствующим графикам.
д-р С. Маньян Рамкумар (S. Manian Ramkumar)
Центр производства и сборки электронных изделий, Технологический институт Рочестера,
Рочестер, штат Нью-Йорк (США)
Брайан О'Лири (Brian O' Leary)
Термопрофайлеры KIC, Сан-Диего (США)
Оценка точности метода измерения температуры с неразрушающим креплением термопары для снятия температурных профилей компонентов в корпусах с матричным расположением выводов
Введение
Рецепт пайки, в который входят параметры температуры в зоне оплавления внутри печи для пайки и скорости движения конвейера, определяет температурно-временной профиль для конкретного типа печатной платы. В целях обеспечения высокого качества готовых печатных плат температурно-временной профиль не должен выходить за допустимые пределы для данного изделия и технологического процесса. Эти пределы зависят от допусков паяльной пасты, компонентов и подложки. Таким образом, точность воспроизведения температурно-временного профиля становится критически важным слагаемым качества электронного узла. Методы, с помощью которых к печатной плате крепятся термопары для снятия профиля при прохождении платы через печь, существенно влияют на точность его измерения.
Многие сборщики электронной аппаратуры не могут позволить себе жертвовать серийными печатными платами и BGA-компонентами для снятия температурно-временных профилей. Но им, так или иначе, необходимо обеспечить соблюдение заданных параметров технологического процесса.
У компонентов с матричным расположением выводов (BGA) шарики припоя, играющие роль выводов, скрыты под корпусом, что особенно затрудняет снятие температурного профиля. Ненадлежащее расплавление шариков припоя ведет к образованию некачественного паяного соединения и повреждению компонентов или всего узла. Кроме того, эти компоненты обычно дороги, и потому их монтаж представляет особую трудность для сборщиков.
Цель настоящего исследования — найти неразрушающий метод крепления термопары, который бы характеризовался малой погрешностью относительно «фактического» значения температуры под компонентом в корпусе типа BGA.
Метрики проекта
«Золотым стандартом» крепления термопары к компоненту в корпусе типа BGA является метод, при котором термопара помещается точно на одну из контактных площадок, а затем поверх нее припаивается BGA-компонент без нанесения дополнительного припоя помимо того, который уже имеется на контактных площадках и шариковых выводах корпуса компонента. Предварительные исследования показали, что, используя термопару со сплющенной головкой и ремонтную станцию для BGA-компонентов, можно с достаточной точностью и надежностью поместить термопару на одиночную контактную площадку или шариковый вывод. В данном исследовании роль образцового датчика температуры играла термопара со сплющенной головкой, припаянная под BGA-компонентом.
Ранее исследования, выполненные компанией KIC, показали, что неразрушающий метод крепления термопары алюминиевой клейкой лентой обеспечивает точность и повторяемость результатов измерений, в том числе при многократном повторном креплении. Другие методы крепления, например с помощью тугоплавкого припоя или клея, не исключают малых отклонений в количестве материала, наносимого для крепления, что приводит к погрешностям при измерении температуры. Второе преимущество алюминиевой клейкой ленты состоит в том, что она уже широко применяется при сборке электроники.
В число метрик проекта входила разность значений температуры, измеренных термопарой, прикрепленной в двух местах с помощью алюминиевой клейкой ленты (рис. 1), и термопарой с плоской головкой, припаянной под BGA-компонентом (рис. 2). Малый размер этой разности (∆T) указывает на то, что данное сочетание метода и места крепления обеспечивает очень хорошее согласование с результатами измерения температуры плоской термопарой, припаянной под корпусом BGA.
Результаты и обсуждение
Для выполнения различных этапов эксперимента использовалась печь с принудительной конвекцией, имеющая шесть зон нагрева и одну нерегулируемую зону охлаждения. Измерения производились с использованием термопрофайлера KIC.
Измерения, сделанные в зоне охлаждения, были исключены из рассмотрения для целей данного анализа, чтобы избежать некорректной интерпретации данных. Рецепт пайки, применявшийся в ходе этих экспериментов, приведен в таблице ниже.
Крепление термопары алюминиевой клейкой лентой
В общей сложности было снято 16 профилей с использованием четырех сочетаний размеров BGA-компонента и печатной платы, монтажом двух BGA-компонентов на каждой печатной плате и двукратным снятием профиля в каждой из комбинаций. Подложкой служила двухслойная печатная плата толщиной 0,8 и 1,6 мм из материала FR4. Кроме толщины, размеры двух печатных платы были одинаковыми — 203,2×139,6 мм. На платах монтировались BGA-компоненты двух типов: BGA 160 (размеры 15×15 мм, шаг расположения выводов 1 мм) и BGA 1156 (размеры 35×35 мм, шаг расположения выводов 1 мм).
Под BGA-компонентом припаивалась термопара со сплющенной головкой для измерения «истинного» значения температуры в этой зоне. Особое внимание уделялось тому, чтобы головка термопары располагалась точно на контактной площадке. Затем с помощью ремонтной станции BGA-компонент припаивался к контактным площадкам. В результате головка термопары оказывалась между контактной площадкой на печатной плате и шариковым выводом корпуса, не касаясь других выводов и контактных площадок компонента. Кроме того, алюминиевой клейкой лентой крепились еще две термопары для измерения температуры в следующих местах:
- верхняя сторона корпуса BGA-компонента;
- нижняя сторона печатной платы из материала FR4 под BGA-компонентом.
Критерием анализа служила разность измеренных значений температуры с термопар, прикрепленных алюминиевой лентой, и плоской термопары, припаянной под BGA-компонентом. Эта разность измерялась в наиболее ответственной части профиля — в зоне оплавления внутри печи для пайки. Она вычислялась следующим образом: из каждой точки температурно-временного графика, полученной с профилера KIC, вычиталось значение температуры, измеренное образцовой термопарой в соответствующем месте. Температурные графики для BGA-компонентов разного размера и печатных плат разной толщины показаны на рис. 3–7.
По совокупности данных, полученных в ходе этого и прошлых экспериментов с BGA-компонентами различного размера и печатными платами различной толщины, была выведена общая эмпирическая формула [1] и построены эмпирические графики (рис. 8 и 9) для компонентов в пластмассовых корпусах типа BGA, монтируемых на печатных платах из материала FR4 с креплением термопар алюминиевой клейкой лентой к верхней стороне корпуса и нижней стороне печатной платы. Исходя из экспериментальных данных, полученная эмпирическая формула лучше аппроксимирует результаты для термопары, прикрепленной к верхней стороне корпуса BGA-компонента, чем для термопары, прикрепленной к нижней стороне печатной платы под компонентом.
На рис. 8 и 9 показаны теоретические графики разности температур при креплении термопары к верхней стороне корпуса BGA-компонента для заданной комбинации печатной платы и компонента, построенные по эмпирической формуле. На рис. 8 приведен график для всех зон в совокупности, а на рис. 9 — только для зоны оплавления. Чтобы воспользоваться графиком на рис. 8 или рис. 9, нужно вычислить монтажный коэффициент (AI) по параметрам печатной платы и компонента, как описано ниже. Для проверки графика необходимо дополнительно снять ряд профилей.
Формула для расчета разности температур, измеренных образцовой термопарой и термопарой, прикрепленной неразрушающим методом:
где: AI — монтажный коэффициент; PT — толщина печатной платы, мм; PW — масса печатной платы, г; PA — полная площадь печатной платы, мм2; CP — шаг расположения выводов компонента; IOC — количество линий ввода/вывода; CA — площадь компонента, мм2; CW — масса компонента; CT — толщина компонента, включая шариковые выводы.
Выводы
Крепление термопары алюминиевой клейкой лентой к верхней стороне компонента в корпусе типа BGA обеспечивает хорошую аппроксимацию температуры под корпусом. Более того, отклонение температуры можно вычислить с разумной достоверностью по формуле, выведенной в ходе этого исследования. Для относительно небольших BGA-компонентов и тонких печатных плат это отклонение не превышает 2 °C. Платы большей толщины и компоненты большего размера дают более значительные отклонения, которые можно аппроксимировать по указанной формуле и соответствующим графикам.
