Как разработчикам современных электронных устройств удается делать их такими тонкими и миниатюрными? При этом количество функций в них меньше не становится, скорее, наоборот. Для этого используют особый тип корпусов интегральных микросхем - BGA. Это поверхностно монтируемые компоненты, которые в последнее время набирают все большую популярность у производителей электроники. Рассмотрим подробнее, что такое BGA, в чем их преимущества, где они используются, какие бывают и т.д.
Содержание:
1. Что такое BGA?
1.1. Преимущества BGA микросхем
1.2. Виды BGA микросхем
1.2.1. Конструкция
1.2.2. Размер корпуса
1.2.3. Шаг выводов
2. Монтаж BGA
2.1. Методы монтажа
2.2. Оборудование для монтажа
3. Пайка BGA
3.1. Методы
3.2. Проблемы
3.3. Оборудование
3.4. Материалы
Термовоздушные паяльные станции (например, TMT-HA300). Они предназначены для монтажа и демонтажа таких компонентов, как SOIC, QFP, PLCC, BGA и многих других. Горячий воздух обеспечивает требуемый режим нагрева для паяльных материалов. Широкий выбор наконечников позволяет подобрать необходимый размер, чтобы обеспечить качественный процесс пайки;
Ремонтные центры BGA (например, TermoFlo-550). Конвекционная система для монтажа/демонтажа BGA-компонентов представляет собой технический комплекс, предназначенный для высококачественного монтажа и замены BGA-компонентов с шагом до 1 мм, а при определенном опыте применения - и с меньшим шагом. Управление процессом нагрева осуществляется по термопрофилю, который создается и записывается в память системы с помощью обычного компьютера. Чтобы исключить коробление платы, а также в целях уменьшения теплоотвода при пайке многослойных плат используется нижний подогреватель. Диапазон температур: от 176 до 482°С.
Чтобы подготовить BGA микросхемы к реболлингу, необходимо сначала удалить частично оплавленные выводы и остатков припоя с контактных площадок корпуса. Для этого на контактные площадки наносится флюс, затем при помощи горячего воздуха поверхность компонента нагревается (используется специальная насадка паяльной станции), а с помощью другой насадки – вакуумного отсоса – удаляется припой. После удаления припоя поверхность BGA компонента очищается от остатков флюса с помощью специальной отмывочной жидкости или салфетки, смоченной в изопропиловом спирте. Также завершить процесс очистки компонента можно, смочив его деионизированной водой и просушив горячим воздухом.
4. Реболлинг BGA
5. Надежность узлов с микросхемами BGA
Микросхемы в корпусах BGA берут свое начало от PGA микросхем («Pin grid array»), которые представляют собой корпуса с матрицей штырьковых выводов. Они и сейчас используются, в основном – в персональных компьютерах.
Наибольшее распространения получили BGA микросхемы в пластиковом корпусе (PBGA). Они поставляются с припаянными к выводам шариками из эвтектического припоя (63Sn/37Pb). Этого припоя вполне достаточно для образования качественного соединения, и наносить дополнительно паяльную пасту на контактные площадки нет необходимости (на контактные площадки наносится только флюс). К недостаткам PBGA можно отнести чувствительность к влажности (обязательна классификация MSL (Moisture Sensitivity Level)). Согласно международному стандарту IPC/JEDEC J-STD-020D, при работе с такими компонентами необходимо следить за условиями хранения и временным интервалом от вскрытия упаковки с ЭРЭ до оплавления в составе изделия. Требуемые условия хранения могут обеспечиваться шкафами сухого хранения или повторной вакуумной упаковкой.
Также существуют BGA микросхемы в керамическом корпусе (СBGA). Они герметичны и практически не чувствительны к влажности. Керамика используется в основном там, где необходим большой теплоотвод или предъявляются высокие требования к качеству плоскости подложки, например, при упаковке перевернутых кристаллов. У керамических BGA шарики изготовлены из тугоплавкого припоя (90Pb/10SN). Эти шарики не оплавляются во время пайки и выполняют только роль опоры для компонента. При монтаже керамических корпусов без паяльной пасты не обойтись. Это необходимо для прочного соединения выводов в виде шариков или столбиков с контактными площадками. Для нанесения пасты используются дозаторы или специальные трафареты BGA.
6. Методы контроля качества
1. Что такое BGA?
Аббревиатура BGA расшифровывается как «Ball grid array», что означает «массив шариков». То есть к контактным площадкам BGA микросхем крепятся шарики из припоя, которые расположены на обратной стороне микросхемы. При нагреве эти шарики начинают плавиться, что позволяет точно расположить микросхему на плате (корпус самоцентрируется за счет поверхностного натяжения). После остывания шарики образуют прочное крепление корпуса микросхемы к плате.
Микросхемы в BGA корпусах позволяют разместить большое количество выводов на малой площади
1.1. Преимущества BGA микросхем:
1) BGA – это большая функциональность в малых размерах. То есть на ограниченной
площади можно разместить большое количество выводов с соблюдением достаточного расстояния между ними;
2) выводы находятся не по бокам, а непосредственно под корпусом, поэтому их длина минимальна, что сказывается на их индуктивности. Чем меньше паразитных наводок на электрическую сеть, тем лучше сигнал;
3) малые габариты способствуют миниатюризации изделий, размер многих микроBGA-компонентов приближается к размеру кристалла;
4) в отличие от выводных корпусов - BGA имеют меньшее тепловое сопротивление между корпусом и платой;
5) с использованием шариков отпадает проблема компланарности выводов, как у корпусов QFP, например;
6) есть возможность многочипового исполнения, благодаря технологии Flip-Chip, – получается своего рода «компонент в компоненте», что обеспечивает еще более высокую плотность монтажа и очень короткие электрические связи, поскольку вывод располагается непосредственно в необходимой точке кристалла.
Однако, стоит отметить, что некоторые из перечисленных преимуществ накладывают и определенные требования к использованию BGA-микросхем. Например:
- малая длина выводов характеризуется, в том числе, и механической жесткостью этих выводов, делая BGA микросхему очень уязвимой при ударе;
- отсутствие выводов, подверженных изгибу, компенсируется особыми требованиями, которые предъявляются к плоскостности платы и ее покрытию. Так, плата должна быть идеально ровной, а в качестве покрытия желательно использовать такие материалы, как иммерсионное золото, серебро, олово или OSP.
1.2. Виды BGA микросхем
На сегодняшний день существует множество видов микросхем в BGA-корпусах. Их можно условно разделить по следующим признакам:
- конструкция и материал корпуса;
- размер корпуса и высота профиля;
- шаг выводов.
1.2.1. Конструкция и материал корпуса
Микросхемы в корпусах BGA берут свое начало от PGA микросхем («Pin grid array»), которые представляют собой корпуса с матрицей штырьковых выводов. Они и сейчас используются, в основном – в персональных компьютерах. В BGA микросхемах, как уже говорилось выше, используются шарики.
А есть еще LGA микросхемы («Land Grid Array»), в которых нет ни шариков, ни штырьков, только контактные площадки. Чаще всего LGA микросхемы используются в компьютерной технике для процессоров.
Выбор материалов для производства BGA микросхем обусловлен, как правило, стоимостью, предъявляемыми требованиями и технологичностью пайки.
Наибольшее распространения получили BGA микросхемы в пластиковом корпусе (PBGA). Они поставляются с припаянными к выводам шариками из эвтектического припоя (63Sn/37Pb). Этого припоя вполне достаточно для образования качественного соединения, и наносить дополнительно паяльную пасту на контактные площадки нет необходимости (на контактные площадки наносится только флюс). К недостаткам PBGA можно отнести чувствительность к влажности (обязательна классификация MSL (Moisture Sensitivity Level)). Согласно международному стандарту IPC/JEDEC J-STD-020D, при работе с такими компонентами необходимо следить за условиями хранения и временным интервалом от вскрытия упаковки с ЭРЭ до оплавления в составе изделия. Требуемые условия хранения могут обеспечиваться шкафами сухого хранения или повторной вакуумной упаковкой.Также существуют BGA микросхемы в керамическом корпусе (СBGA). Они герметичны и практически не чувствительны к влажности. Керамика используется в основном там, где необходим большой теплоотвод или предъявляются высокие требования к качеству плоскости подложки, например, при упаковке перевернутых кристаллов. У керамических BGA шарики изготовлены из тугоплавкого припоя (90Pb/10SN). Эти шарики не оплавляются во время пайки и выполняют только роль опоры для компонента. При монтаже керамических корпусов без паяльной пасты не обойтись. Это необходимо для прочного соединения выводов в виде шариков или столбиков с контактными площадками. Для нанесения пасты используются дозаторы или специальные трафареты BGA.Еще можно встретить микросхемы TBGA («Tape Ball Grid Array») с гибким пленочным основанием. Они также имеют шарики, но из высокотемпературного припоя (90Pb/10Sn), прикрепленные к корпусу методом частичного оплавления. Такие микросхемы обладают улучшенными тепловыми характеристиками.
Реже встречаются BGA микросхемы в корпусах из металла или металлокерамики.
1.2.2. Размер корпуса
По размерам корпуса BGA микросхемы можно разделить на стандартные и близкие к размеру кристалла (микроBGA). Последние – можно считать апогеем развития электроники на сегодняшний день.
По высоте профиля принято различать высокие и очень высокие, стандартные, низкопрофильные, тонкие и ультра тонкие корпуса BGA.
1.2.3. Шаг выводов
В зависимости от шага выводов BGA микросхемы делятся на стандартные и BGA с малым шагом (fine-pitch). Шаг выводов у стандартных BGA составляет 1,5; 1,27; 1,0 мм, а у BGA с малым шагом - 0,8; 0,75; 0,65; 0,5; 0,4 мм. Сейчас планируются к выпуску также BGA с очень малым шагом - 0,3 мм и 0,25 мм.
2. Монтаж BGA микросхем
2.1. Методы монтажа/установки
Для наиболее точной установки BGA микросхемы на плату необходимо тщательно сориентировать ее по реперным знакам. На готовых платах, как правило, уже нанесены реперные знаки и шелкографический контур, по которым можно определить, куда именно следует установить компонент. Если же нет ни того, ни другого, то используются специальные центрирующие рамки в виде прямоугольной металлической пластины с прямоугольным отверстием посередине. Внешний периметр рамки соответствует внешнему периметру компонента, а внутренний совпадает с границей контактных площадок на плате. Рамка помещается на плату так, чтобы ее внутренний контур лег по периметру поля контактных площадок и затем позиционируется компонент.
Для серийной установки BGA применяются системы видеосовмещения. Это системы, позволяющие в режиме реального времени отслеживать на мониторе и при необходимости сразу корректировать точность совмещения изображений выводов микросхемы и контактных площадок платы. Для получения изображений используются специальные камеры с высоким разрешением и призменной системой.
2.2. Оборудование для монтажа
Монтаж BGA микросхем может проводиться в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. В первом случае специальное оборудование не требуется (только высокая квалификация персонала), но производительность у такого монтажа очень низкая. Поэтому на производстве, как правило, используются автоматические и полуавтоматические системы. Например:
- полуавтоматический ремонтный центр BGA ProfPlacer, который обеспечивает высокую точность и 100-процентную повторяемость монтажа BGA-компонентов, исключая влияние человеческого фактора. Для точного позиционирования чипа и платы в нем есть лазерный целеуказатель, встроенный в установочную головку. После захвата чипа CCD-камера выезжает над платой. Изображения с нее передаются на 15”TFT LCD монитор, где можно увидеть, как происходит наложение выводов микросхемы и контактных площадок. Корректировка процесса совмещения производится с помощью микрометрических винтов. После позиционирования компонента начинается пайка (по заранее выбранной программе).
- автомат для установки SMD компонентов на печатные платы Quadra DVC EVO, оснащенный двумя установочными головками. В нем применяется цифровое видеоцентрирование компонентов «на лету». Также он может быть дополнительно укомплектован дозирующей головкой для нанесения паяльной пасты или клея на печатные платы. Эти и другие возможности Quadra DVC EVO позволяют устанавливать с его помощью широкий перечень SMD-компонентов, включая BGA микросхемы.
- интеллектуальный высокоточный модульный автомат для установки SMT компонентов RS-1. Он оснащен головкой с восемью вакуумными наконечниками, которая может перестраиваться по высоте расположения от поверхности платы в диапазоне 1-25 мм в зависимости от типоразмеров устанавливаемых компонентов, что значительно расширило его функциональные возможности и увеличило производительность. Также он имеет лазерную систему центрирования, разрешающая способность которой в несколько раз выше стандартных видеосистем центрирования. Это позволяет устанавливать даже самые малые компоненты, такие как 0250125. Кроме того, лазерная система центрирования позволяет осуществлять 3D измерения компонентов. Автомат RS-1, благодаря модульной конструкции, по своим возможностям во многом опережает время и при установке дополнительных модулей обеспечивает надёжную защиту инвестиций предприятия на многие годы. Например, при установке для видеоцентрирования камеры сверхвысокого разрешения он способен устанавливать микросхемы с минимальным шагом выводов 0,1 мм с разрешением 5.2мкм.
Предприятие «Совтест АТЕ» может предложить несколько моделей установок для монтажа BGA микросхем. Все они обладают высокой точностью и 100%-ной повторяемостью, но отличаются друг от друга по способу нагрева, размеру рабочего стола и способу совмещения компонента и платы.
3. Пайка BGA
3.1. Методы
На сегодняшний день пайка SMD компонентов может осуществляться несколькими методами, но далеко не все из них подходят для пайки BGA. Наиболее предпочтительным методом является оплавление с использованием принудительной конвекции - когда воздух нагревается в замкнутом объеме за счет подачи дополнительного горячего воздуха со скоростью, достаточной для его перемешивания и выравнивания температуры во всем объеме. Это и отличает конвекционный нагрев от обычного термофена, который обдувает компонент напрямую потоком воздуха с температурой, превышающей температуру ликвидуса припоя на величину - значительно большую требуемой разницы 20-30°, вызывая местный перегрев и повреждения печатного узла.
При инфракрасном методе температура в разных областях пайки может отличаться из-за разной отражающей способности различных участков, и пока самые холодные точки достигнут температуры пайки (220 град), самые горячие - оказываются перегретыми до 260 град, что на 20 град выше нормы. Но самое главное, точки пайки микросхемы BGA закрыты от ИК облучения корпусом элемента, вследствие чего для пайки BGA инфракрасный метод нагрева не применим.
3.2. Проблемы
Одна из основных проблем, возникающих при пайке BGA, - это обеспечение оптимальных условий для создания надежного паяного соединения (ПС). Потенциальная надежность паяных соединений, и электронного модуля в целом, должна закладываться еще на этапе проектирования (выбор материалов ЭРИ ИП, их КТЛР и так далее), а реализовываться в процессе производства после отработки и полной оптимизации параметров технологии сборки и монтажа, в том числе дозированного нанесения припойной пасты и температурно-временных режимов пайки.
Тенденция к постоянному увеличению функциональности устройств на фоне их общей миниатюризации ставит разработчиков перед еще одной проблемой - увеличение количества выводов в BGA и уменьшение интервала между ними. При этом важно сохранить качество сигнала на высоком уровне и уменьшить по возможности стоимость производства. Но, к сожалению, эти два требования несовместимы. Уменьшение перекрёстных помех, как правило, сопровождается увеличением пространства между проводниками, что может увеличить число слоёв, плюс трассировка плотных BGA корпусов требует миниатюризации и большее количество слоёв. Чем меньше элементы и больше слоёв, тем выше стоимость платы.
Многослойная печатная плата с BGA компонентом в разрезе
При пайке BGA корпусов в шариковых выводах часто встречаются пустоты (void). Если суммарная площадь этих пустот превышает 25% от площади сечения шарикового вывода на рентгеновском снимке, то это уже считается дефектом. И он может оказывать существенное влияние на надежность паяного соединения. Иногда эти пустоты присутствуют в шариковых выводах новых компонентов еще до пайки. Часть из них локализованы в самом шарике и являются побочными эффектами производства шариков, а часть - находятся вблизи границы шарик/контактная площадка корпуса BGA и являются следствием процесса прикрепления выводов к корпусу.
Пустоты в шариковых выводах
Для снижения вероятности появления пустот следует строго соблюдать рекомендации производителя BGA компонента, касающиеся его чувствительности к влажности; наносить достаточное количество паяльной пасты для образования качественного паяного соединения (в т.ч. использовать специальные low-void паяльные пасты); не использовать просроченные пасты; не допускать большой разницы в размерах контактной площадки и шарикового вывода.
Также среди проблем, возникающих при пайке BGA, можно выделить высокую теплоемкость массивных корпусов и печатных плат. Это создает трудности в определении оптимального температурного режима для предварительного нагрева. Наиболее эффективным в данном случае является применение массогабаритного макета изделия из стеклотекстолита или других термостойких материалов для отладки термопрофиля. Платы, на которые монтируются BGA микросхемы, должны быть устойчивы высоким температурам при монтаже и к температурным деформациям, возникающим в результате линейных расширений плат во всех трех осях.
Неудовлетворительная плоскостность плат при монтаже BGA микросхем с большими линейными размерами и большим количеством выводов, а также при малых размерах шариков, приводит к увеличению брака и вероятности возникновения скрытых дефектов в процессе дальнейшей эксплуатации микросхем. Для обеспечения необходимой плоскостности поверхности печатных плат применяют иммерсионные (ENIG, ImmAg, ImmSn, ImmBi) или другие равномерные (OSP) покрытия контактных площадок. Также многослойные платы с использованием микросхем как в BGA-корпусах, так и в других типах бызвыводных корпусов (LGA, SON, QFN и т.п.), должны изготавливаться из высокотемпературных стеклотекстолитов, имеющих высокую температуру стеклования и малые коэффициенты линейных расширений.
3.3. Оборудование.
Пайка BGA – довольно трудоемкий процесс, требующий высокой точности и соблюдения строгого температурного режима. Для достижения наилучшего результата на производствах используют специальное оборудование, причем как по отдельности, так и в связке друг с другом.
Термовоздушные паяльные станции (например, TMT-HA300). Они предназначены для монтажа и демонтажа таких компонентов, как SOIC, QFP, PLCC, BGA и многих других. Горячий воздух обеспечивает требуемый режим нагрева для паяльных материалов. Широкий выбор наконечников позволяет подобрать необходимый размер, чтобы обеспечить качественный процесс пайки;Термостолы для подогрева печатных плат (например, TMT-PH). Это специализированное оборудование, предназначенное для равномерного и аккуратного нагрева печатных плат во время их сборки и ремонта. Термостол серии TMT-PH имеет инфракрасный кварцевый подогреватель. Область нагрева: от 130 до 310 мм, а диапазон температур: от 50 до 400 °C .
Ремонтные центры BGA (например, TermoFlo-550). Конвекционная система для монтажа/демонтажа BGA-компонентов представляет собой технический комплекс, предназначенный для высококачественного монтажа и замены BGA-компонентов с шагом до 1 мм, а при определенном опыте применения - и с меньшим шагом. Управление процессом нагрева осуществляется по термопрофилю, который создается и записывается в память системы с помощью обычного компьютера. Чтобы исключить коробление платы, а также в целях уменьшения теплоотвода при пайке многослойных плат используется нижний подогреватель. Диапазон температур: от 176 до 482°С.Конвекционные печи камерного типа (например, X-Reflow 306LF). Это неконвейерные печи, которые предназначены для пайки печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры с применением паяльных паст в условиях мелкосерийного и единичного производства и при изготовлении опытных образцов. Может использоваться также для отверждения клея. Конвекционный метод передачи тепла обеспечивает равномерный, щадящий нагрев плат, исключающий появление теневых эффектов. Нагрев в печи производится с обеих сторон.
Конвейерные печи (например, ХРМ3m 520/820/1030/1240). Данные печи отличаются высокой стабильностью температуры, которая не зависит от производительности (скорости конвейера), веса и габаритных размеров печатной платы. Применяются на средне и крупносерийном сборочно-монтажном производстве для оплавления паяльной пасты на печатных платах.
3.4. Материалы
Для качественной пайки BGA микросхем важно выбрать не только подходящее оборудование, но и правильные паяльные материалы.
Для монтажа SMD-компонентов, включая микросхемы в BGA корпусах, используются:
- Паяльные пасты – это смеси частиц припоя определённого размера, флюса, регуляторов реологических свойств и других присадок, которые используются для крепления компонентов на плате. При нагреве паста плавится, образуя неразъемное паяное соединение. Пасты бывают отмывочные и безотмывочные, с содержанием галогенов и без. Для обычных пластиковых корпусов BGA специалисты рекомендуют использовать пасты на основе припоя 62Pb/32Sn/2Ag, так как они становятся текучими уже при температуре 189°С. Если использовать пасты 90Pb/10Sn, то BGA компонент может отказать при термоциклировании из-за разницы в ТКР пасты и вывода.
- Флюсы – это жидкие или гелеобразные вещества, которые используются в процессе пайки для растворения оксидов и сульфидов, защиты паяемых поверхностей от повторного окисления, снижения поверхностного натяжения припоя. Для разных целей применяются разные флюсы: безотмывочные и водосмываемые; на органической, синтетической или канифольной основах. Требования к свойствам флюсов определены в отраслевом стандарте IPC/ANSI-J-STD-004 "Требования к флюсам для пайки". Способы нанесения флюсов тоже бывают разные: одни наносятся кисточкой, другие – вспениванием, распылением или погружением.
Для процедуры реболлинга (см.п.4.Реболлинг) рекомендуется использовать клейкие флюсы. Флюсы с высокой степенью активности лучше не использовать, так как они могут очистить трафареты до такой степени, что будет происходить смачивание их припоем при оплавлении, и вследствие этого такие трафареты станут непригодными для осуществления реболлинга и потребуют замены.
- Отмывочные материалы – это жидкости, изготовленные на водной основе или на основе органических соединений, которые используются для очистки печатных плат, трафаретов, паяльных рамок от остатков паяльных флюсов и других видов загрязнений, возникающих в процессе монтажа печатных узлов.
- Влагозащитные материалы – это различные лаки, которые наносятся на изделия (кисточкой, распылением, погружением и т.д.), после застывания образуют пленку, защищающую изделие от влаги и конденсата. По химическому составу они делятся на: акриловые, силиконовые, уретановые, эпоксидные и поли-пара-ксилиленовые.
4. Реболлинг
Реболлинг — это повторное нанесение (восстановление) шариковых выводов электронных BGA-компонентов. Применяется, как правило, при проведении ремонтно-восстановительных работ, а также для повторного использования демонтированного BGA компонента на другой плате. Сначала производится демонтаж компонента, затем непосредственно процедура реболлинга, а дальше следует монтаж компонента на печатную плату. Монтаж и демонтаж компонентов можно производить как в ручном, так и в автоматическом и полуавтоматическом режимах (с использованием BGA ProfPlacer, например). А процесс реболлинга часто проводится вручную, особенно, если речь идет о небольших ремонтных мастерских. Для реболлинга в промышленных масштабах используются автоматические установки, такие как SB2-Jet.
Восстановление шариковых выводов может проводиться двумя способами: раскладыванием шариков и путем нанесения паяльной пасты через трафарет. И в том, и другом случае при проведении операции вручную последовательность действий примерно одинаковая:
- Подготовка BGA компонента
- Флюсование
- Нанесение пасты/раскладывание новых шариков
- Оплавление
- Очистка и сушка
Для этого могут понадобиться следующие материалы и инструменты:
- Паяльная станция с вакуумным отсосом припоя
- Шарики припоя/паяльная паста
- BGA трафарет и ракель
- Держатель для трафарета
- Флюс
- Отмывочная жидкость
- Деионизованная вода (для вымачивания трафарета и очистки от флюса)
- Поддон для очистки
- Щетка для очистки
- Пинцет
- Печь оплавления или система пайки
Рассмотрим пошагово процедуру реболлинга.
1. Подготовка BGA компонента
Чтобы подготовить BGA микросхемы к реболлингу, необходимо сначала удалить частично оплавленные выводы и остатков припоя с контактных площадок корпуса. Для этого на контактные площадки наносится флюс, затем при помощи горячего воздуха поверхность компонента нагревается (используется специальная насадка паяльной станции), а с помощью другой насадки – вакуумного отсоса – удаляется припой. После удаления припоя поверхность BGA компонента очищается от остатков флюса с помощью специальной отмывочной жидкости или салфетки, смоченной в изопропиловом спирте. Также завершить процесс очистки компонента можно, смочив его деионизированной водой и просушив горячим воздухом.2. Флюсование
Для флюсования BGA микросхем рекомендуется использовать клейкий флюс, так как он поможет в последующем прикреплении шариковых выводов. Наносить флюс можно специальной щеточкой.
3. Нанесение пасты/раскладывание новых шариков через трафарет
Для реболлинга используются специальные стальные BGA трафареты с отверстиями, выполненными с шагом 1.0, 1.27 и 1.5мм. Через эти трафареты можно наносить паяльную пасту или точно распределять шарики.
При заполнении апертур трафарета шариками, необходимо убедиться, что на каждой контактной площадке компонента установлен шариковый вывод. При нанесении пасты – что все апертуры заполнены пастой. Паяльная паста наносится на трафарет с помощью специального шпателя. Затем по поверхности трафарета проводят каучуковым ракелем, удаляя излишки пасты. Важно, чтобы трафарет при этом плотно прилегал к поверхности корпуса. Для закрепления трафарета на корпусе используются специальные механические приспособления - фиксаторы.
4. Оплавление
Далее BGA c уложенными шариками помещается в печь оплавления. При использовании пасты некоторые производители рекомендуют использовать вместо традиционной печи оплавления ремонтную станцию с подачей горячего воздуха и маленьким соплом (7х7 или 12х12 мм). Необходимо также придерживаться того профиля оплавления, который рекомендовал производитель. Для BGA-компонентов максимально допустимая температура нагрева составляет ~220–230°С.
Оплавление паяльной пасты с помощью горячего воздуха
После оплавления следует дождаться полного охлаждения компонента. Оно должно происходить при температуре окружающей среды, принудительное охлаждение не допускается.
5. Очистка, сушка
Далее BGA компонент вынимается из фиксатора. Фиксатор очищается от остатков флюса. Для этого его вымачивают в деионизированной воде в течение ~15 мин., затем чистят специальной щеткой, ополаскивают и сушат в воздушном потоке. Для достижения наилучших результатов специалисты рекомендуют использовать установки ультразвуковой очистки.
При всех достоинствах и преимуществах, которыми обладают интегральные микросхемы в корпусах BGA, следует также отметить наличие так называемого эффекта усталости паяных соединений. Этот эффект обусловлен малой площадью контактирования выводов BGA микросхемы с печатной платой. От этого в значительной степени зависит надежность печатных узлов и электронных модулей в целом. Из-за разницы коэффициентов линейного теплового расширения (КЛТР) материалов, участвующих в образовании межсоединений, в процессе эксплуатации при циклических изменениях температуры могут возникнуть механические нагрузки на паяное соединение, которые через некоторое время могут привести к появлению в нем микротрещин, их росту и в конечном итоге нарушению электрического контакта.
Кроме того, разброс высоты шариков припоя или их неоднородный состав (вследствие нарушения температурно-временного режима пайки) также могут отрицательно сказываться на долговечности и целостности платы.
В целом, по результатам испытаний было установлено:
- разрушение паяных соединений BGA микросхем начинается с угловых контактов и постепенно распространяется к центру микросхемы;
Локализация отказов паяных соединений
− при одинаковых условиях эксплуатации дефект быстрее возникает в более габаритных микросхемах.
В связи с этим для повышения надежности электронных модулей с BGA микросхемами рекомендуется заливать компаунд (заполнитель) в пространство между микросхемой и платой.
6. Методы контроля качества
Так как визуальный контроль качества паяных соединений между BGA и печатной платой затруднен в силу особенностей конструкции данного вида микросхем, для контроля качества изделий с BGA применяются другие методы: как разрушающие, так и неразрушающие.
К разрушающим методам относятся:
- Снятие микрошлифа - метод, позволяющий оценить микроструктуру паяных соединений, определить результат физико-химических процессов пайки в слоях интерметаллидов, образовавшихся на границе контактирующих металлов: ведь именно этими слоями определяется долговременная прочность паяного соединения
- Воздействие механических нагрузок. К механическим нагрузкам относится тест на растяжение (отрыв), который позволяет оценить прочность пайки как интегрального показателя качества. При безупречном соблюдении технологии пайки BGA во время теста произойдет обрыв контактной площадки, а не вывода BGA, так как паяное соединение между выводом BGA и контактной площадкой окажется прочнее соединения контактной площадки с платой
Тестирование на отрыв
К неразрушающим методам относятся:
- Эндоскопия. С помощью эндоскопа можно заглянуть под корпус BGA и визуально оценить качество паяных соединений. Однако, его доступ ограничен, поэтому хорошо рассмотреть все 100% паяных соединений невозможно.
Дефект, обнаруженный при оптическом контроле
- Рентгенография – это метод, который долгое время был единственным из неразрушающих. Он позволяет выявить широкий спектр типовых дефектов, которые могут образоваться в ходе пайки: межвыводные перемычки, смещения или пустоты. Но есть ряд дефектов, в обнаружении которых рентгеновский контроль бессилен. Например, микротрещины между выводами BGA и контактными площадками.
Пример дефектов, обнаруженных с помощью рентгеновского контроля
- Электрический контроль позволяет выявить целый ряд различных дефектов (короткие замыкания, непропаи, залипание в «0» или «1» и др.). К тому же это единственный метод, позволяющий судить о работоспособности изделий или микросхем. В зависимости от задач и серии, может использоваться различное оборудование (адаптерные системы, тестеры с подвижными пробниками и др). При этом основной проблемой тестирования BGA является отсутствие полноценного доступа ко всем выводам микросхем.
Для расширения тестового покрытия применяют методы периферийного сканирования. За счет встроенных регистров, ячеек периферийного сканирования, контролллера и специализированного TAP порта микросхема может самостоятельно проверить себя. Таким образом, повышается тестовое покрытия изделий BGA до 100%.