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评估在阵列封装产品上粘贴热电偶的曲线精度

Tim Grove and Dr. S. Manian Ramkumar
Center for Electronics Manufacturing and Assembly
Rochester Institute of Technology
Rochester, NY
Brian O’ Leary
KIC
San Diego
 
简介
回流炉的设定包括各温区的温度和链速设定,这2个因素决定得到怎样的曲线。为了达到好的焊接质量,曲线需要符合产品和制程的规格,比如锡膏、零件、PCB的温度承受范围等。 因此,曲线的结果需要非常准确性,热电偶会有很大影响,所以热电偶连接方法显得尤为重要。  
阵列封装产品在背面都有锡球,要测出背面的温度比较难. 不适当锡球的温度可能导致焊接不良或者会损坏BGA。这些零件一般都比较昂贵,对生产者来说也是一种挑战。

这篇文章中,我们会讲到怎样使用无损伤方法粘贴热电偶,也能得到BGA的真实温度。
具体方案
传统的BGA测温点做法就是先把热电偶的头部放在焊盘上,再把BGA准确地焊在上面, 这样做不需要额外的焊接材料.初步测试发现,使用扁平头的热电偶及返修台就可以简单做到这点。我们使用一个扁平头热电偶放在BGA下面,还有另一根热电偶做参考。
 
此外,之前的研究也发现使用铝箔贴纸能准确的测出温度,并且是可重复性的,贴装时无破坏性。其它热电偶粘贴方法, 比如用高温锡丝或者高温胶,这些方法在重复性方面都会有一些波动。铝箔贴纸的另外一个好处就是它已经在电子装配行业广泛使用。

该项测试的评判标准是对比用铝箔贴住的2个热电偶的温度差异(Figures 1a and 1b), 以及测试扁平热电偶在BGA下面的温度(Figure 2). 很小的delta T 表明在某些特定的情况下,它和BGA下面的扁平热电偶的温度值是很接近的。

测试过程
不同的实验都在一台回流炉上进行,它有6个加热区一个冷却区,为了便于分析,删除了冷却区的测试结果。
以下是回流炉的设定参数:

Zone 1Zone 2Zone 3Zone 4Zone 5Zone 6
80°C105°C143°C183°C223°C253°C
Belt Speed (cm/min)
29


Figure 1a. 热电偶放置在BGA上部

Figure 1b. 热电偶放置在PCB上,正对BGA的下方

Figure 2. 扁平头热电偶直接放在BGA下方
使用铝箔粘贴热电偶
使用不同的BGA及PCB测试了16条曲线,每个PCB上由2个BGA组成,每种PCB重复测试2次. PCB是 FR4 P的双层板, 厚度为31 mil 和62 mil . PCB尺寸相同 (203.2 x 139.6 mm), 使用BGA 160 (15 x 15 mm – 1 mm 间距) 和 BGA 1156 (35 x 35 mm – 1 mm 间距).
 
为了测试出真实的温度,扁平头的热电偶焊接中BGA的下面。
另外2个热电偶使用铝箔固定,用来测试BGA的温度:
·         BGA的上面
·         BGA的下面,PCB上面

扁平头热电偶和其它2个铝箔粘贴的热电偶温度差异
使用KIC Explorer来记录温度数据对比3个热电偶的温度差异,Figures 3, 4, 5, 6,7显示了使用不同的BGA和不同厚度PCB的曲线情况。

Figure 3. Profile overlay for reference TC, small BGA and 31 mil PCB

Figure 4. Profile overlay for reference TC, small BGA and 62 mil PCB

Figure 5. Profile overlay for reference TC, large BGA and 31 mil PCB

Figure 6. Profile overlay for reference TC, large BGA and 62 mil PCB

Figure 7. Temperature offset for 2 PCB sizes and two PCB thicknesses
 
结合使用不同BGA和PCB测出的数据,在实验基础之上,可以得到BGA上面的热电偶与BGA下面的热电偶之间的关系。
对于一个特定的PCB/BGA,利用实验得出的关系,图 8 和 9显示了BGA上部热电偶的温度预测值。 图8是包含所有温区,图 9 只是回流区. 为了利用Figure 8 or Figure 9中的图表, Assembly Index (AI)可以利用以下的PCB和BGA参数计算出来。我们需要再次确认来证实图表的真实性。

Equation. Formula to calculate temperature offset from reference TC to non-destructive TC attachment
Where….
·         AI is the Assembly Index
·         PT is PCB 厚度 (mm)
·         PW is PCB 重量 (grams)
·         PA is Full PCB 面积 (sq mm)
·         CP is 元件的间距
·         IOC is I/O 点数
·         CA is 元件面积 (sq mm)
·         CW is 元件面积
·         CT is 元件厚度--包括锡球

Figure 8. Graph for temperature offsets All Zones combined based on the AI formula

Figure 9. Graph for temperature offsets for Reflow Zone only based on the AI formula
 
 
结论:

使用BGA上方的热电偶(铝箔贴纸固定)可以大致估算出BGA下方的热电偶温度数值,此外两者之间的差值是可以用上面的公式计算出来的。
相对小的BGA和薄的PCB来说,两者差异不会超过2度。 厚PCB和大BGA可以参考格式计算出大致的数值。

转载来自KIC公司网站