Монтаж BGA со «Скорпионом»

Паяльные системы для точного монтажа BGA-компонентов с малым шагом традиционно являются достаточно сложными и дорогостоящими, если, конечно, не брать во внимание дешевое и непредсказуемое оборудование с юго-востока. Серьезные бренды из Европы и США, такие как, например,  Finetech, METCAL, ZEVAC, выпускают высокоточные и надежные системы, но они слишком дороги для небольших производств и сервисных центров. К счастью, из этого правила есть исключение: компания OKInternational начала выпуск прецизионной системы METCAL Scorpion (фото 1.), совмещающей в себе последние достижения технологии пайки BGA с доступной ценой.

Фото 1. METCAL Scorpion (APR-1000) - прецизионная паяльная система для монтажа BGA/SCP-компонентов

Шесть лет назад на выставке Productronica в Мюнхене был присужден приз лучшему продукту года (фото 2.). Им оказался ремонтный центр для BGA/CSP – компонентов METCAL APR-5000. С тех пор компания OKInternational произвела огромное количество таких систем, и они действительно показали себя только с лучшей стороны. Ярким примером ее популярности является, например, то, что в списке необходимого оборудования для авторизации сервисного центра Nokia ремонтный центр APR-5000, был прописан первым.

Фото 2. Приз лучшему продукту года, присужденный системе APR-5000

Фото 3. Легендарный ремонтный центр APR-5000

Новая прецизионная система для BGA – METCAL Scorpion (APR-1000) продолжает развитие технологий, заложенных в ее предшественнице APR-5000 (Фото 3.), а по многим характеристикам даже превосходит ее. Однако, для уменьшения стоимости конструкция системы была существенно упрощена. Например, пришлось отказаться от вертикального шагового электропривода, перемещающую паяльную головку вместе с компонентом – теперь это нужно делать вручную с помощью специальной системы подвесок. В то же время, новая модель приобрела ряд новых качеств, которые несомненно оценят пользователи.

В зависимости от требуемой точности система METCAL Scorpion может поставляться с прецизионной установочной головкой или без нее (фото 4.) Разумеется, при монтаже BGA или CSP – компонентов с расстоянием между центрами шариков 0,5мм и меньше прецизионная головка необходима, а вот те, кто монтирует компоненты с шагом 1мм и более, могут легко от нее отказаться и использовать для установки паяльную головку. Точность прецизионной головки позволила бы устанавливать BGA с шагом 0,25мм и меньше, если бы такие компоненты сейчас выпускались.

Фото 4. Прецизионная установочная головка

Высокую точность установки также обеспечивает уникальная видеосистема позиционирования с двумя независимыми камерами высокого разрешения,  пришедшая на смену традиционной системе с призмой, позволявшей монтажнику видеть на экране одновременно изображения шариков и контактных площадок печатной платы. Теперь призма не нужна, так как одна камера постоянно направлена вверх – на шарики компонента, а вторая вниз – на печатную плату (фото 5.).  Для удобства оператора система может быть оснащена раздельной светодиодной подсветкой: с синим цветом для компонента и белым – для печатной платы.

Фото 5. Двухкамерная система позиционирования

Все, что нужно сделать оператору для точной установки BGA – это, перемещая плату в горизонтальной плоскости с помощью микрометрических винтов, добиться совмещения изображений шариков и контактных площадок на мониторе (фото 5.), а затем мягко опустить компонент на плату. Шарики компонента окажутся точно по центру контактных площадок. Главное преимущество двухкамерной системы – это полное отсутствие необходимости в регулярной оптической калибровке системы.

В системе METCAL Scorpion, как и во всех системах APR используется конвекционный метод нагрева, то есть передача тепла с помощью перемещающего горячего воздуха. Этот метод получил наибольшее распространение в технологиях пайки, поскольку конвекция в замкнутом или условно замкнутом объеме обеспечивает наиболее равномерное распределение тепла и позволяет точно измерить температуру, поместив термодатчик в любую точку конвекционного объема. Такой объем создает сопло, устанавливаемое над компонентом (фото 6). Горячий воздух очень медленно подается сверху в сопло, перемешивается, выравнивая температуру во всем его объеме, и вытесняется через отверстия в верхней части сопла, благодаря чему не происходит нежелательного нагрева соседних компонентов и печатной платы вокруг монтируемого BGA-компонента.

Фото 6. Конвекционное сопло обеспечивает равномерный прогрев BGA, не нагревая соседние компоненты

В системе нижнего подогрева платы также используется конвекционный метод. В отличие от керамических плаcтин для ИК-нагрева, обычно применяемых в нижних подогревателях, конвекция позволяет нагревать плату гораздо большей площади. Кроме того, изменяя температуру подаваемого воздуха, можно быстро менять температуру платы, что необходимо для оперативной коррекции термопрофиля. Это позволяет раздельно управлять нижним и верхним термопрофилем и таким образом повысить точность и безопасность термпоуправления, что особо важно при бессвинцовой пайке.

 Все паяльные системы серии APR оснащены двузонным нижним нагревателем, то есть по центру основного нагревателя, рассчитанного на нагрев печатной платы целиком, установлен миниатюрный нагреватель для нагрева только области под  BGA-компонентом (фото 7). Таким образом, у оператора есть выбор: нагревать большую или малую площадь платы в каждой зоне термопрофиля. Такая система позволяет в значительной степени уменьшить тепловые нагрузки на остальные компоненты платы и улучшает характеристики термопрофиля в зоне оплавления (REFLOW). 

Фото 7. Двузонный конвекционный подогреватель платы

Для легкого и быстрого создания новых термопрофилей специально для METCAL Scorpion разработана программа MicroOven с «дружественным» интерфейсом (Фото 8). Она позволяет создать новый, или отредактировать уже имеющийся термопрофиль. Перед выполнением первой пайки нового изделия необходимо закрепить на плате от одного до четырех термодатчиков. При запуске цикла нагрева показания термодатчиков будут отображаться на мониторе в виде графика реальной температуры в контрольных точках. Задача ПО – обеспечить максимальное соответствие графика реальной температуры термопрофилю, рекомендованному для данного компонента. При повторном монтаже этого изделия термопрофиль будет отрабатываться автоматически, и термодатчики уже не потребуются.

Фото 8. Программа MicroOven для быстрого создания термопрофиля

Еще одной отличительной чертой METCAL Scorpion является «плавющий» держатель платы (Фото 9). Теперь вместо того, чтобы перемещать тяжелую паяльную головку с компонентом относительно платы, оператор может свободно и плавно двигать саму плату в горизонтальной плоскости. Когда место установки компанента попадает в поле обзора камеры, плата фиксируется в этом положении, а точное совмещение происходит уже с помощью микровинов. Держатель платы, благодаря открытой конструкции, позволяет быстро устанавливать платы большого размера и нестандартной формы.

Фото 9. «Плавающий» держатель платы с открытой конструкцией для плат большого размера

Как и вся серия APR, METCAL Scorpion оснащена системой флюсования шариков BGA – компонента (Фото 10). Да-да, именно шариков, а не печатной платы. Для этого существуют специальные ванночки-флюсователи, которые заполняются гель-образным флюсом, например ALPHA 338T. Специальная оснастка позволяет погрузить шарики компонента во флюс и надежно профлюсовать каждый контакт. Такой метод обеспечивает минимальный  расход  флюса, а значит минимальное загрязнение платы под компонентом.

Фото 10. Система флюсования шариков BGA – компонента

METCAL Scorpion является полностью готовой к использованию системой. Стандартный комплект включает все необходимое: встроенный компрессор и компьютер с ОС Linux и портами USB для сохранения информации, монитор, вакуумные захваты, термодатчики, и даже набор для реболлинга – восстановления шариков BGA-компонентов - с универсальными трафаретами. Все, что нужно заказать отдельно – это сопла, которые выбираются по размеру компонента или немного больше.

Простая, но продуманная конструкция, проверенная годами технология, дружественный и доступный интерфейс, отсутствие необходимости в оптической калибровке и, наконец,  американская сборка – все это делает паяльно-ремонтную систему METCAL Scorpion наиболее интересной в ряду оборудования для монтажа и замены BGA-компонентов, особенно с малым шагом.