Способ автоматизированного монтажа шариковых выводов на BGA или CSP микросхемы при реболлинге
METHOD FOR AUTOMATED INSTALLATION OF BALLS ON BGA OR CSP MICROCHIPS DURING REBALLING

Область техники
Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для автоматизированного монтажа новых шариковых выводов микросхемы при реболлинге.
Современный уровень развития цифровой техники делает популярными покупные комплектующие изделия (ПКИ) с изменяющейся после монтажа формой выводов. В результате неправильного монтажа таких ПКИ происходит деформация выводов, это часто приводит к отказам, для повторного использования такой элементной базы необходима замена деформированных выводов. Из-за этого растет важность реболлинга BGA (от англ. reballing - процесс воссоздания матрицы шариковых выводов на нижней стороне корпуса компонента взамен поврежденных при операции его демонтажа).
Процесс реболлинга включает в себя процедуру демонтажа деформированных выводов, подготовку поверхности микросхемы для повторного монтажа шариковых выводов, установку новых шариковых выводов на подготовленную поверхность и оплавление.
Целью изобретения является разработка способа автоматизированного монтажа новых шариковых выводов, при котором используются универсальные приспособления и автоматический установщик SMT компонентов (SMT от англ. Surface mount technology - метод конструирования и сборки электронных узлов на печатную плату (ПП), при котором компоненты монтируются на поверхности ПП).
Настоящее изобретение может быть использовано для полного или частичного реболлинга микросхем в BGA (от англ. Ball Grid Array - массив шариков) или CSP корпусах (от англ. CSP - Chip-scale Packages -миниатюрный корпус поверхностно монтируемого компонента размером с кристалл) с помощью полной или частичной замены поврежденных или деформированных шариковых выводов. Изобретение позволяет проводить замену шариковых выводов сразу у нескольких микросхем.
Уровень техники
Способ автоматизированного монтажа шариковых выводов на BGA или CSP микросхемы позволяет выполнять реболлинг без изготовления специальных трафаретов и технологических приспособлений, на том же оборудовании, которое используется при сборке электронных узлов по технологии поверхностного монтажа.
Перед реболлингом необходимо подготовить поверхность микросхемы - зачистить от деформированных шариковых выводов. Подготовку поверхности можно осуществлять по одному из методов, известных из уровня техники, например по патенту № US 6574861B1 от 10.06.2003 г., МПК H01R 43/0235 «System and method for solder ball rework» («Система и метод для переработки оплавленных шариковых выводов») или KR 20090078417 A от 20.07.2009, МПК H01L 23/488 «Reballing method of ball grid array» («Метод реболлинга BGA»). Также возможна зачистка с помощью специального приспособления, описанного в патенте KR 200443484 от 12.02.2009 г., МПК H01L 21/02 «Brush for reballing Pre-treatment removing lead and other material of ball grid array package» («Кисть для снятия свинца и других материалов с элементов с матричным расположением выводов»).
Указанные выше способы позволяют качественно и быстро подготовить поверхность микросхемы к установке новых шариковых выводов.
На сегодняшний день согласно известному уровню техники имеются следующие способы монтажа шариковых выводов на микросхемы в корпусах BGA и CSP с применением специальных приспособлений и установок:
- Патент (KR) № KR 20100008409 U от 25.02.2009 г., МПК Н05K 3/3436 «Apparatus for solder ball reballing» («Аппарат для реболлинга»).
- Патент (KR) № KR 100860944 В1 от 29.09.2008 г., МПК H01L 2924/0002 «Solder ball reballing device for BGA type sub-strate» («Устройство для реболлинга микросхемы типа BGA»).
Данные способы заключаются в следующем: подготовленная микросхема с предварительно нанесенным флюсом-гелем устанавливается в специальное устройство, сверху накрывается крышкой с металлизированным трафаретом, который по количеству и шагу выводов совпадает с конфигурацией матричных выводов микросхемы. Далее с помощью регулировочных винтов производится совмещение контактных площадок микросхемы с отверстиями в трафарете, после чего в крышку устройства высыпаются шарики и распределяются по отверстиям трафарета.
Главным недостатком данных устройств является обязательное наличие трафарета под каждую микросхему, а также самого устройства. Без специальной подготовки провести реболлинг любой существующей микросхемы в BGA или CSP корпусе невозможно. Другим недостатком является высокая доля ручного труда: все манипуляции проводятся вручную, циклическое повторение операций ведет к усталости и браку, весь контроль совмещения трафарета и контактных площадок, а также установки шариковых выводов на контактные площадки производится вручную. На практике это часто приводит к пропуску шариковых выводов на микросхеме, смещению шариковых выводов относительно контактных площадок и другим дефектам, требующим повторного выполнения реболлинга начиная со стадии подготовки поверхности микросхемы.
Указанных недостатков лишен способ автоматизированного образования шариковых выводов с помощью трафаретного принтера, описанный в патенте № KR 20050011454 от 29.01.2005 г. «Reballing method using SMD printing» («Метод реболлинга с использованием трафаретной печати»).
Данный способ заключается в том, что подготовленную микросхему устанавливают в трафаретный принтер, через специальный металлизированный трафарет наносится паяльная паста, которая оплавляется в печи.
Если применять автоматический трафаретный принтер, то данный способ лишен недостатков описанных выше приспособлений, при применении ручного или полуавтоматического принтера совмещение контактных площадок микросхемы с отверстиями в трафарете производится вручную, процесс упрощается только за счет исключения операции распределения новых шариковых выводов по поверхности микросхемы.
Данный способ не лишен главного недостатка: необходимости иметь трафареты для каждого вида микросхем определенной конфигурации и толщины.
Известен способ монтажа шариковых выводов без трафаретов, он описан в патенте № KR 101202999 В1 от 20.11.2012 г. «Method for reballing» («Способ реболлинга»). Способ заключается в том, что на контактные площадки микросхемы сначала наносится флюс-гель специальным инструментом, а затем производится монтаж шариков другим инструментом. Способ подразумевает одновременную установку сразу всех шариков на микросхему, для этого требуется инструмент, у которого конфигурация совпадает с расположением контактных площадок на микросхеме. Способ автоматизированный, но требует оснащения специальным инструментом под каждый вид микросхем, что является его главным недостатком.
Полностью исключает ручной труд установка, описанная в патенте № CN 102350559 от 15.02.2012 г., МПК В23K 13/06 «Laser reballing system» («Лазерная система реболлинга»).
Установка позволяет выполнить монтаж и оплавление шариковых выводов на подготовленной микросхеме. Кроме того, данный процесс позволяет проводить локальный ремонт и доустановку нескольких поврежденных шариковых выводов. Но из-за того, что оплавление производится лазерным излучением после установки каждого шарика, процесс реболлинга занимает длительное время. К тому же требуется приобретение самой установки, что в результате увеличивает себестоимость продукции.
Указанные недостатки известных методов установки шариковых выводов на микросхемы в корпусах BGA и CSP ставят следующие задачи:
- автоматизация процесса;
- снижение доли ручного труда;
- исключение затрат на покупку специального инструмента и приспособлений;
- повышение эффективности используемого оборудования поверхностного монтажа;
- обеспечение возможности как группового реболлинга нескольких микросхем за один цикл, так и частичного ремонта без дополнительных манипуляций.
Решить поставленные задачи оказалось возможным благодаря разработке универсальных приспособлений и использованию автоматического установщика SMT компонентов.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности использования оборудования поверхностного монтажа за счет обеспечения возможности проведения монтажа шариковых выводов на любую микросхему или сразу на несколько микросхем без приспособлений и трафаретов под каждый тип микросхемы, автоматизация процесса, снижение доли ручного труда.
Способ автоматизированного монтажа шариковых выводов на BGA или CSP микросхемы при реболлинге заключается в том, что микросхема загружается в конвейерную линию автоматического установщика SMT компонентов, монтажная головка выполняет монтаж шариковых выводов на микросхему. Сама технология схожа с технологией поверхностного монтажа, но требует дополнительных приспособлений: во-первых, большинство конвейерных линий не приспособлены для работы с малогабаритными объектами, они не могут захватить микросхему; во-вторых, установщик в базовом исполнении не имеет емкостей для распределения шариковых выводов. Расширяются возможности автоматического установщика с помощью разработки дополнительных приспособлений.
Микросхема подлежит предварительной подготовке путем зачистки старых шариковых выводов. Для лучшей связи устанавливаемых шариковых выводов с поверхностью микросхемы на нее необходимо нанести флюс-гель. Устанавливаемые шарики будут держаться за счет вязкости флюса до момента оплавления, а при оплавлении флюс-гель обеспечит необходимую смачиваемость.
Новые шариковые выводы помещают в приспособление, расположенное на предметном столе, предназначенном для установки микросхем, которые упакованы в палетную упаковку. Приспособление имеет жесткое основание, на которое устанавливают подложку с матрично расположенными сквозными отверстиями, которая можно быть изготовлена, например, из керамических материалов. Толщина подложки должна составлять 0,6-0,7 от диаметра монтируемых шариковых выводов. Диаметр отверстий должен совпадать с диаметром устанавливаемых шариковых выводов. Расположение сквозных отверстий можно делать с любым удобным шагом отверстий. Основание с подложкой скрепляют между собой устанавливаемой сверху рамкой, которая должна иметь высоту бортов 5-7 мм и желоб для высыпания шариков. Процесс распределения шариковых выводов по отверстиям является единственной операцией, которую приходится делать вручную, но из-за простоты конструкции она не предъявляет требований к квалификации выполняющего операцию персонала.
Для крепления микросхемы в конвейерной линии используют универсальную оснастку с регулировкой размера с помощью винта. Для проведения группового монтажа шариковых выводов на несколько микросхем приспособление можно скомпоновать так, чтобы была возможность крепления сразу нескольких микросхем.
Указанные приспособления могут использоваться для любого вида микросхем, дополнительной доработки и подготовки не требуется. Благодаря их универсальности расширяются границы использования описываемого способа: можно проводить как установку шариковых выводов сразу на несколько микросхем, так и выполнять доустановку одного или нескольких шариковых выводов в случае локальных дефектов на микросхеме. Кроме того, исключается ручной труд на самой ответственной операции при проведении реболлинга - установке новых шариковых выводов.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-6.
Фиг. 1 - блок-схема процесса реболлинга с использованием сборочной линии поверхностного монтажа;
Фиг. 2 - универсальное приспособление для установки микросхем на конвейерную линию;
Фиг. 3 - кассета для распределения шариковых выводов;
На фиг. 4 представлен захват шарикового вывода;
На фиг. 5 представлен монтаж шарикового вывода;
На фиг. 6 представлен процесс оплавления установленных шариковых выводов.
Осуществление изобретения
Процесс автоматизированного монтажа новых шариковых выводов на микросхему в BGA или CSP корпусе происходит в следующей последовательности:
Подготовка микросхемы;
Нанесение флюса-геля;
Распределение новых шариковых выводов по отверстиям оснастки, изображенной на фиг. 3;
Закрепление оснастки с шариковыми выводами, изображенной на фиг. 3, на предметном столике автоматического установщика SMT компонентов;
Закрепление микросхемы в держателе, представленном на фиг. 2. После закрепления приспособление с микросхемой погружают на конвейерную линию автоматического установщика SMT компонентов;
Инструмент автоматического установщика SMT компонентов по программе, составленной на основании CAD-данных микросхемы, производит установку шариковых выводов на контактные площадки микросхемы. Для монтажа шариков специальный инструмент не требуется - подходит инструмент для монтажа компонентов в корпусах с типоразмером 0402, 0201 или 01005, в зависимости от размеров шариков;
Микросхему с установленными новыми шариковыми выводами помещают в печь оплавления. Применим любой способ оплавления, использующийся при серийном изготовлении аппаратуры.
С помощью винта поз.1 регулируют расстояние между двумя стенками поз.3 основания поз. 2. Благодаря регулировке подбирают расстояние между стенками такое, чтобы можно было установить подлежащую реболлингу микросхему.
На основание поз. 4 устанавливают подложку с матрично расположенными отверстиями под шариковые выводы поз.5, с помощью винта поз.7 жестко закрепляют между рамкой поз. 3 и основанием поз. 4. Рамка поз. 3 должна быть выполнена таким образом, чтобы не допускать потери шариковых поз. 6 при их распределении по отверстиям. Для извлечения лишних шариков в рамке должен быть предусмотрен желоб.
На фиг. 4 представлен захват шарикового вывода поз. 6 из кассеты монтажным инструментом поз. 8, входящим в состав автоматического установщика SMT компонентов.
На фиг. 5 представлен монтаж шарикового вывода поз. 6 на микросхему поз. 9 с помощью монтажного инструмента поз. 8.
Процедуру, представленную на фиг. 4 и фиг. 5 повторяют для каждого шарикового вывода, монтируемого на микросхему.
На фиг. 6 представлен процесс оплавления установленных шариковых выводов поз. 6. Оплавление можно производить в печах оплавления или в ремонтном центре - для оплавления шариковых выводов пригоден любой способ.
Микросхема поз. 9 поступает на оплавление в оснастке поз. 11 (изображена на фиг. 2). Для примера показано оплавление с помощью ремонтного центра поз. 10.
Описанный выше вариант реализации изобретения не ограничен, могут быть использованы различные изменения и модификации. Например, универсальная оснастка для крепления микросхемы в автоматическом установщике компонентов может быть на одну или несколько микросхем - в зависимости от решаемых с помощью данного изобретения задач.
Как показала практика, с помощью указанного метода монтажа шариковых выводов решается несколько задач:
Повышается качество монтажа за счет отсутствия пропущенных или смещенных шариковых выводов;
Снижается на 5-15% общее время монтажа шариковых выводов. Чем сложнее микросхема и чем больше на ней шариковых выводов, тем больше разница между автоматизированным монтажом и монтажом другими известными способами;
Исключаются ошибки монтажника.
Благодаря изобретению расширяются границы применения способа, который позволяет проводить монтаж шариковых выводов на любую микросхему без разработки специфических приспособлений и без покупки трафаретов под каждый тип микросхем, также способ позволяет устанавливать несколько отсутствующих или поврежденных выводов без зачистки всей поверхности микросхемы или проводить монтаж шариковых выводов сразу на несколько микросхем.
Новизна способа автоматизированного монтажа шариковых выводов на BGA или CSP микросхемы при реболлинге характеризуется использованием новых приспособлений и устройств для проведения отдельных операций, а именно разработано универсальное приспособление и для проведения реболлинга использован автоматический установщик SMT компонентов.
Изобретательский уровень изобретения заключается в том, что в данном способе используется новое оборудование поверхностного монтажа -конвейерная линия автоматического установщика SMT компонентов.
Подтверждением технической реализуемости способа являются фиг. 3-6, иллюстрирующие заявляемый способ. Наземные испытания этого варианта устройства подтвердили достижимость заявленного технического результата.
Литература
1. Патент (US) US 6574861 B1 от 10.06.2003 г., «System and method for solder ball rework», МПК H01R 43/0235.
2. Патент (KR) KR 20090078417 A от 20.07.2009 г., «Reballing method of ball grid array», МПК H01L 23/488.
3. Патент (KR) KR 200443484 от 12.02.2009 г., «Brush for reballing Pre-treatment removing lead and other material of ball grid array package», МПК H01L 21/4835.
4. Патент (KR) KR 20100008409 U от 25.02.2009 г., «Apparatus for solder ball reballing», МПК H05K 3/3436.
5. Патент (KR) KR 100860944B1 от 29.09.2008 г., «Solder ball reballing device for BGA type sub-strate», МПК H01L 2924/0002.
6. Патент (KR) KR 20050011454 от 29.01.2005 г., «Reballing method using SMD printing», МПК H01L2 4/96.
7. Патент (KR) KR 101202999B1 от 20.11.2012 г., «Method for reballing», МПК H05K 3/34, H01L 23/48.
8. Патент (CN) CN 102350559A от 15.02.2012 г., «Laser reballing system», МПК B23K 3/06.