熱シールドの位置がリワークに及ぼす影響

Dec 12, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15118 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、両面プリント基板アセンブリ上の隣接するボール グリッド アレイ コンポーネントおよびそのはんだ接合部への熱的および機械的損傷を回避するための、リワーク プロセス中の熱シールドの配置位置の有効性を調査しました。 3 種類の熱シールド配置場所が使用されました。サンプル X、リワーク場所の隣接するコンポーネント上の個別の熱シールド配置。 サンプル Y は U 字型、サンプル Z は正方形の熱シールドで、それぞれ熱源の位置に配置されます。 熱シールドの位置とリワーク中のはんだ接合部の損傷との関係を理解するために、染色および引張試験の結果、赤外線サーモグラフィー、および温度測定が分析されました。 リワーク部品の熱源位置に熱シールドを配置すると、隣接するリワーク部品位置のピーク温度を最大 8.18% 削減できます。 BGA コンポーネントの中心と角のピーク温度をそれぞれ 195 °C と 210 °C 未満に維持することで、はんだ接合部の損傷を 50% 以上減少させ、隣接するリワーク コンポーネント位置のはんだ接合品質を向上させることができます。 これは、両面プリント基板アセンブリ上に高密度ボール グリッド アレイ コンポーネントを配置するリワーク中の熱管理に役立ちます。

プリント基板アセンブリ (PCBA) の再加工は、廃棄物を削減し、その結果として企業の総収益を高めるための有益な取り組みとして、製造業界で頻繁に使用されています。 コンポーネントの入手が困難であり、柔軟性に対する要求が増大し、製品を市場に投入するまでの製品開発サイクルが短い場合、PCBA の再加工はますます重要になってきています1、2。 PCBA を再加工する主な利点は、損傷の程度によっては、交換するよりも早く実行できることです3。

ボール グリッド アレイ (BGA) コンポーネントを再加工するプロセスは、エリア アレイの再加工として知られています。 はんだ接合部がコンポーネント本体の下に隠れているため、エリアアレイデバイスの再加工がより困難になります4。 鉛フリーはんだ付けのより高い動作温度要件とエリアアレイコンポーネントの敏感な性質の組み合わせにより、鉛フリー BGA コンポーネントのリワーク手順を定義することが困難になります5。 高密度の製品設計では、複数の BGA コンポーネントが互いに近接して配置されます。 したがって、隣接するリワークコンポーネントの位置は、リワーク中に熱リフローにさらされるリスクが高くなります6。 いくつかの障害は、PCBA リワーク手順中のより厳密な熱プロファイルや極めて高い精度など、新しい方法または改訂された方法を導入することによってのみ克服できます7。

熱シールドは、コンポーネント、プリント基板 (PCB)、隣接する再加工コンポーネントの位置、およびはんだ接合部への熱的または機械的損傷を避けるために使用されます。 熱シールドは、BGA の取り外しと組み立てのためのリワーク熱風リフロー プロセス中に、PCBA の底面と上面の間の温度差を最小限に抑えることができ、それによって隣接するコンポーネントへの熱伝達を低減します8。 コンポーネントの損傷やはんだ接合部の亀裂は、隣接するコンポーネントのはんだ接合部の意図しないリフローによって引き起こされる可能性があります9。 錫ベースのはんだと銅パッド間の相互作用により、組立プロセス中およびはんだ接合部の使用中に金属間化合物 (IMC) が発生します10。 はんだの機械的特性が低いのは、非常に厚い IMC 層が原因である可能性があります。 さらに、IMC の形状は、はんだ接合の信頼性に大きな影響を与えます11。 厚い IMC は本質的に脆いため、壊れやすく、はんだ/IMC 界面および IMC 層内に蓄積するマイナス体積反応によって引き起こされる縦方向の変形誘起応力が機械的特性の劣化を引き起こす可能性があります 12。 また、リワークプロセス中の熱シールドは、隣接するコンポーネントのはんだ接合部の IMC 層が厚くなりすぎて、はんだ接合部の品質と信頼性に影響を与えることを防ぎます13。 限られた研究では、両面 PCBA への高密度コンポーネントの配置を伴うリワーク中に熱シールドを使用した熱管理に取り組んでいます14、15。

この調査の主な目的は、リワーク プロセス中の熱シールド配置位置の有効性を調査して、リワーク位置の隣接するコンポーネントと PCBA の上部と下部の両側のはんだ接合部への熱的および機械的損傷を回避することです。 この目的のために、(a) 赤外線サーモグラフィー カメラを使用して、リワーク プロセス中の BGA コンポーネントの表面の熱分布を取得しました。 (b) はんだ接合アレイ上の熱分布は、熱電対 (TC) ワイヤを介した温度測定を使用して検証されました。 (c) リワーク後のはんだ接合部の亀裂を確認するために、染色および引っ張り試験が使用されました。 (d) 熱シールドの配置位置とリワーク中の隣接コンポーネントのはんだ接合部への損傷との相関関係をさらに理解するために、染色および引張試験の結果と温度測定を定性的および定量的に分析しました。

すべてのサンプルのピーク温度の結果を、PCBA の上部側にある周囲のコンポーネントについて図 1a に示します。 図 1b は、PCBA の底面にあるミラー コンポーネントの位置のピーク温度の結果を示しています。 変動グラフは、熱シールドの配置場所のタイプと、リワーク プロセス中の PCBA の上部および底部の BGA の中心と隅の両方のピーク温度との間に相互作用があったことを示しています。 最も高いピーク温度は、熱シールドなしで再加工されたサンプル W で検出されました。 サンプル X、Y、Z では、熱シールドを適用して再加工すると、周囲のコンポーネントの中心と隅の温度がサンプル W よりも大幅に低くなりました。

すべてのサンプルの BGA の中心と角のピーク温度の変動グラフ: (a) - 上部 PCBA 側。 (b) - 底部 PCBA 側。

すべてのサンプルにおける PCBA の上部および底部の両方のコーナー ピーク温度の範囲は、中央ピーク温度の範囲よりも小さかった。 この観察は、熱源の位置からの TC ワイヤの位置が熱吸収量と相関しているという Sommerer et al.16 と一致しています。 Weng と Martin 17 は、TC 温度の測定値が熱源からの熱シールドの位置によって異なることも報告しました。 サンプル X および Z では、PCBA の上部および底部の両方の中央および隅のピーク温度の変動が少なくなりましたが、サンプル Z のピーク温度範囲はより低かったです。 サンプル Y はサンプル X および Z よりも低い最低ピーク温度を持っていましたが、サンプル Y のピーク温度範囲の変動は最高ピーク温度でより大きく、熱放散の制御に効果がありませんでした。 三角形で示されるピーク温度の平均は下降傾向を示し、リワークプロセス中に熱シールドを使用することによって温度が低下したことを示しています。

赤外線サーモグラフィーによる検証により、再加工中の PCBA サンプル内のコンポーネントの熱放散が確認されました 18。 より多くの熱と赤外線放射が放出される暖かい温度は明るい色 (赤、オレンジ、黄色) で示され、一方、より低い温度は紫と濃い青または黒で示され、熱と赤外線放射が少なくなります19。 以下に、熱シールドを適用しない場合の温度分布の写真を図 2 に示し、熱シールドを適用した場合の温度分布を図 3 に示します。リワークプロセス中の上部 PCBA 側の BGA コンポーネントの写真は、参考として通常のカメラで撮影されました。赤外線サーモグラフィーの画像。

サンプル W (熱シールドなし) のリワークプロセス中の写真 (a) と赤外線サーモグラフィー画像 (b)。

サンプルZ（四角形の遮熱板付き）のリワーク工程中の写真（a）と赤外線サーモグラフィー画像（b）。

明るい黄色は、図 2b のサンプル W の再加工場所の隣接コンポーネントの側面に見られる熱風ノズルからの熱源と同じであり、表面温度 293.1 °C を示しています。 これは、再加工プロセス中に隣接する BGA コンポーネントの表面の側面に沿って温度が急速に上昇したためです。 図3bに示すように、熱源からの明るい黄色は、熱スケールによると333.9℃の表面温度がサンプルZに適切に含まれていることを示しました。 リワーク場所の隣接するコンポーネントは濃いオレンジ色で、温度が熱源よりも低いことを示しています。 リワークプロセス中に熱シールドを適用すると、リワーク場所の隣接する BGA コンポーネントの温度が低下し、熱拡散領域も低下しました。

図 4 は、すべてのサンプルにおける PBCA の上部と底部の両方で染料の浸透によって影響を受けた BGA はんだ接合部の数を示しています。 サンプル Y および Z で影響を受けたはんだ接合部の数はサンプル W より減少しており、熱シールドによりはんだ接合部の熱損傷を軽減できることがわかりました。 サンプル X は、リワーク場所の各隣接コンポーネントに配置された個別の熱シールドを使用しており、リワーク場所の隣接コンポーネントの温度がサンプル W よりもはるかに低いにもかかわらず、染料の浸透の影響を受けるはんだ接合部の数が最も多くなっています。結果は、熱シールドの配置場所の予想された結果から逸脱しました。

すべてのサンプルにわたる染料の浸透によって影響を受けるはんだ接合部の量を示す棒グラフ。

内側の遮熱壁は、外側の遮熱壁と相互作用する熱風の対流熱により輻射熱を発生します。 図 5 に示すように、この相互作用により遮熱壁の外側から内側への一時的な熱伝達が生じ、それによって伝導熱が PCBA 表面および BGA はんだ接合部に伝達されます。これは、Stein et al.20 の研究結果と一致しています。熱シールド内の温度分布状態。 Kong ら 21 は、はんだ接合部の熱疲労破壊がより低い温度変動範囲で発生する可能性があると報告しました。

リワーク中のサンプル X の BGA コンポーネントのはんだ接合部における対流、放射、伝導熱の相互作用の組み合わせの概略図。

染料浸透率の厳しさ、およびリワーク位置の隣接する各コンポーネントの中心および隅の温度との相関関係を図 1 および 2 に示します。 それぞれ図６ａおよびｂに示す。 サンプル W は 76 ～ 100% で最も深刻な染料の浸透を示し、主に底面で発生しました。 これは、リワーク中に熱シールドが適用されなかったためです。 サンプル X と Y は、それぞれ底部と上部で同じ染料浸透率を示しました。 さらに、サンプル X の底面では 51 ～ 75% の染料の浸透が観察されました。サンプル Z の底面の染料の浸透率は 50% 未満でした。 リワーク場所の隣接するコンポーネントの中心温度が 195 °C を超えると、51% 以上の染料浸透が発生しました。 隣接する BGA コンポーネントのコーナー温度が 210 °C を超えた場合にも、同様の結果が観察されました。

BGA コンポーネント領域での温度差の影響による染料浸透%: (a) - BGA コンポーネントの中心。 (b) - BGA コンポーネントの角。

この研究では、熱シールドの設置場所に対処することで、リワークプロセス中のリワーク場所に隣接するコンポーネントの温度を下げることができます。 赤外線サーモグラフィー画像は、BGA コンポーネントの表面温度の熱分布画像とはんだ接合アレイの実際のピーク温度を統合するために、TC ワイヤー温度の読み取り値を使用して検証されました。 サンプル Z の熱シールド配置場所では、リワーク場所の隣接するコンポーネントの熱が最も効果的に削減され、BGA コンポーネントの中心とコーナーの上部 PCBA 側の平均ピーク温度がそれぞれ 6.70% と 6.85% 減少しました。

底部の PCBA 側では、BGA コンポーネントの平均ピーク温度の熱削減は中心で 7.58%、コーナーで 8.18% でした。 リワーク位置の隣接するコンポーネントの温度が、BGA コンポーネントの中心とコーナーでそれぞれ 195 °C と 210 °C 未満に維持できる限り、はんだ接合部の亀裂による 50% 以上の染料の浸透を防ぐことができます。再加工プロセス中。 この発見は、はんだ接合部への曝露温度を下げると、はんだ接合部のせん断強度に影響を与える IMC 層の厚さなど、信頼性の問題の影響が軽減されるという Chen らの発見と一致しています 22。

この研究では、両面 PCBA 上に実装された高密度 BGA コンポーネントの配置を再調整しながら、熱シールドの配置場所の問題に対処する方法を提供します。 リワークプロセス中の熱管理は、熱シールドを使用して効果的に実行されました。 熱源の場所に熱シールドを配置すると、再加工プロセス中に再加工場所の隣接するコンポーネントの温度を下げることができます。 この方法は、両面 PCBA 上に実装された高密度 BGA コンポーネントの再加工に使用できます。 正方形の熱シールドと、再加工部品が配置されている熱源位置への配置を組み合わせると、再加工場所の隣接する部品のピーク温度を最大 8.18% 低減できます。 また、BGA コンポーネントの中心とコーナーのピーク温度をそれぞれ 195 °C 未満と 210 °C 未満に維持し、はんだ接合部の損傷を軽減してはんだ接合部の品質を向上させることができます。

表 1 に示すように、4 つの変数がテスト媒体として使用されました。サンプル W: 対照サンプルとして熱シールドなしで再加工されました。 サンプル X: 再加工場所の隣接するコンポーネントに熱シールドを配置して再加工します。 サンプル Y: 熱源に U 字型の熱シールドを配置して再加工、サンプル Z: 熱源に四角形の熱シールドを配置して再加工。 各サンプルの PCBA の上部と下部に 12 個の BGA コンポーネントが配置されました。 PCBA の各側には 6 つの BGA コンポーネントがあり、相互にミラーリングされています。 この調査では、PCBA の上部 (U1、U2、U4、U5、U6) と下部 (U7、U8、U9、U11、U12) のリワーク領域からの 10 個の隣接する BGA コンポーネントが調査されました。 BGA 間の測定ギャップを図 7 に示します。PCBA の上側の BGA コンポーネント (U3) は、リワークマシンを使用してリワークされました。 アルファベット「U」が選択されるのは、ASME Y14.44-200823 による集積回路コンポーネントの標準参照番号であるためです。

BGA コンポーネントの位置と再加工されたコンポーネントの位置の概略図 (U3)。

各 BGA コンポーネントは 132 個のはんだボールで構成されており、中央の 1 つの列には実装されていません。 BGA コンポーネントのはんだボールの直径は 0.49 ± 0.5 mm でした。 鉛フリーはんだボールとはんだペーストの両方の材料組成の詳細を表 2 に示します。はんだペーストは、再加工プロセスの前に BGA コンポーネントのアセンブリに使用されました。 PCB は 14 層で、仕上げは有機はんだ付け性保護剤 (OSP) で、はんだマスクで定義されたランドを備えています。

リフロー プロファイルは鉛フリー リワーク プロセス温度プロファイルに基づいており、100 ～ 190 °C の予熱が必要でした。 浸漬または予熱の活性化温度は 140 ～ 220 °C、90 秒間でした。 コンポーネントの上昇速度は 2 ～ 4 °C/秒でした。 リフロー滞留温度は 220 ～ 230 °C、80 秒間でした。 はんだ接合部のピーク温度は 230 °C で 15 秒間維持されました。

熱シールドは、反射率、放射率、熱伝導率、比熱容量の点からステンレス鋼板金で作られていました24。 また、コスト効率が高く、耐久性があり、カスタマイズにも対応できます25。 3 種類の熱シールド配置場所が使用されました。サンプル X は、図 8a に示すように、リワーク場所の隣接するコンポーネントに個別の熱シールドを配置したものです。 サンプル Y は、図 8b に示すように、熱源の位置に U 字型の熱シールドを配置しています。 図 8c に示すように、熱源の位置に正方形の熱シールドを配置してサンプル Z を作成します。 ステンレス鋼板金の厚さは０．８ｍｍであった。 熱シールドの寸法は、高さ５ｍｍ、幅１２．６９ｍｍ、長さ１８ｍｍであった。

熱シールドの配置場所の概略図: (a) - リワーク場所の隣接するコンポーネント上の個別の熱シールド。 (b) - リワークコンポーネント上の U 字型熱シールド。 (c) - リワークコンポーネント上の四角形の熱シールド。

TC ワイヤはリワーク温度プロファイリングに使用されました。 PCBA サンプルは、TC ビーズとワイヤを BGA コンポーネントのはんだ接合部に適切に配置するためにドリルで開けられました。これは、図 9 の回路図に従って監視する必要があります。ドリルで開けた穴は、エポキシ樹脂で覆われました。 図 10 に示すように、TC ワイヤは、リワーク、ミラー リワーク、および PCBA の上部と底部の両方にある 5 つの隣接するコンポーネント上に配置されました。TC ワイヤの配置は、最低出力を表す IPC-7095D-WAM1 推奨事項に基づいています。熱質量が最も高い領域26。 TC ワイヤをリワーク装置に取り付けて、熱風ノズルと底部対流ヒーターからの熱風をリワーク BGA コンポーネントの対象位置に当てながら、リワーク対象コンポーネントと隣接するコンポーネントの温度を監視しました。 この実験では、上部および下部 PCBA 上のリワーク位置の隣接する BGA コンポーネントの温度のみが記録され、分析されました。

BGA コンポーネントのはんだ接合上の TC ワイヤの配置の概略図。

再加工された BGA コンポーネントおよび再加工場所に隣接する BGA コンポーネント上の TC ワイヤ配置位置の概略図。

PCBA サンプルは、水分を除去し、PCBA27 への熱衝撃を防ぐために、オーブンで 125 °C で 9 時間ベーキングされました。 サンプルはリワークパレットで固定され、リワークマシン上に置かれました。 リワークプロセスには、欠陥のあるコンポーネントの除去、コンポーネントパッドのはんだ残留物の除去、コンポーネントの交換、およびコンポーネントのはんだ接合部のリフローが含まれます。 対象の再加工コンポーネント U3 は、熱風ノズルと真空吸引を使用して PCBA から除去されました。 PCBA 上のはんだ残留物は、その領域にペーストフラックスを塗布し、はんだごてとはんだ除去編組を使用して除去されました。 次いで、フラックス残留物を洗浄溶液を使用して洗浄した。

再加工された BGA コンポーネントは、BGA コンポーネントのはんだ接合部にペースト フラックスを塗布し、その後再加工機 28 を介して熱風リフローを適用することによって組み立てられました。 取り外しと組み立てのための熱風源は、図 1 と 2 に示すように、リワーク マシンの上部ノズルと下部対流ヒーターから供給されました。 11a–c。 コンポーネントの組み立て中、はんだ合金と PCB パッドの母材の間に良好な金属結合 (IMC 形成) を得るには、すべてのはんだ接合が鉛フリー合金の融点 217 ～ 220 °C の範囲を満たす必要があります29。 サンプル X、Y、Z では、コンポーネントの取り外しと組み立ての両方で熱シールドを使用して、リワーク場所の隣接するコンポーネントを過熱から保護しました。

再加工中の BGA コンポーネントの概略図: (a) - 熱シールドを使用しない場合 (サンプル W)。 (b) - リワーク場所の隣接するコンポーネントに熱シールドを付けた場合 (サンプル X)。 (c) - 熱源に熱シールドを付けた場合 (サンプル Y および Z)。

赤外線サーモグラフィー カメラ Fluke Ti400 を使用して、リワーク プロセス中の BGA コンポーネントの位置の表面の熱分布をキャプチャしました。 熱画像技術は、BGA の表面温度を測定するだけでなく、物体の内部または表面下の熱侵入や不均一性に関する情報も提供します30。 この赤外線サーモグラフィ カメラは、リワーク プロセス中に BGA コンポーネントから発せられる赤外線を測定および捕捉できます。 このカメラの温度範囲は -20 ～ +1200 °C で、解析用の BGA コンポーネントのリワークはんだ付け温度範囲を満たしています。

リワークおよび隣接する BGA コンポーネントの潜在的なはんだ接合亀裂の指標を観察するために、すべてのサンプルと BGA コンポーネントに対して染色および引張りテストが実施されました31。 最初の光学検査および X 線検査が PCBA サンプルに対して実行され、再加工されたコンポーネントおよび隣接するコンポーネントに対する物理的損傷または応力の兆候が判断されました。 プルテスターを使用して、BGA コンポーネントを PCB パッドから分離しました。 Nikon Eclipse LV150NL 光学顕微鏡 32 を使用して、BGA コンポーネントの染料の兆候を検査しました。

BGA コンポーネントを取り外した後、BGA コンポーネントのはんだ接合部の染料の浸透を検査しました。 染料の兆候の位置と割合が記録され、分析されました。 染料浸透被覆率のパーセンテージは、図 1233 に示すように、円の象限を満たす染料被覆率に基づいて計算されました。染料浸透被覆率の値のパーセントを表 3 に示します。

染料浸透被覆率。

定量分析と計算には、Minitab と JMP ソフトウェアを補完的に使用しました。 リワークによる熱管理の結果が分析されました。 ピーク温度の分散、影響を受けるはんだ接合部の量の棒グラフ、および染色および引張試験の結果の変動グラフが生成されました34。

この研究の結果を裏付けるデータは Western Digital® から入手できますが、これらのデータの入手には制限が適用され、現在の研究ではライセンスに基づいて使用されているため、一般には公開されていません。 ただし、データは、合理的な要求があり、Western Digital® の許可を得た場合に著者から入手できます。 すべてのデータは、責任著者からの合理的な要求に応じて利用可能になります。

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著者らは、SanDisk Storage Malaysia Sdn. を通じて Western Digital® から提供された財政的支援に感謝の意を表します。 研究助成金 (RR-2020-004) およびマレーシア ケバンサーン大学との協力を通じて、Bhd. を設立しました。

これらの著者は同様に貢献しました: Abang Annuar Ehsan、Azman Jalar、John Burke、Zol Effendi Zolkefli、Erwan Basiron。

Western Digital®、Sandisk Storage Malaysia Sdn. Bhd.、Plot 301A、Persiaran Cassia Selatan 1、14100、セベラン ペライ セラタン、ペナン、マレーシア

アドリル・アイザット・イスマイル、ジョン・バーク、ゾル・エフェンディ・ゾルケフリ、エルワン・バシロン

Institute of Microengineering and Nanoelectronics, Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600, Bangi, Malaysia

アドリル・アイザット・イスマイル、マリア・アブ・バカール、アバン・アンヌアル・イーサン、アズマン・ジャラール

応用物理学科、Universiti Kebangsaan Malaysia、科学技術学部、43600、Bangi、マレーシア

アズマン・ジャラル

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AI と ZZ は、リワークサンプルの準備、温度測定、染色および引張試験、赤外線サーモグラフィー、および分析を実行しました。 データ検証と一般的な推奨事項は、JB、AI、および EB によって提供されました。原稿の最初の草稿は AI によって書かれ、すべての著者が原稿の以前のバージョンにコメントしました。 監修、執筆、査読、編集、資金獲得はMA、AE、AJが行いました。最終原稿は著者全員が読んで承認しました。 著者全員がこの研究の構想と設計に貢献しました。

マリア・アブ・バカールへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Ismail、AA、Bakar、MA、Ehsan、AA 他。 ボールグリッドアレイはんだ接合におけるリワークによる熱管理に対する熱シールドの位置の影響。 Sci Rep 12、15118 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-19436-6

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受信日: 2022 年 4 月 29 日

受理日: 2022 年 8 月 29 日

公開日: 2022 年 9 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19436-6

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