BGA и microBGA - особенности технологии, проблемы, оборудование.

Для корпусирования сложных полупроводниковых микросхем, в особенности с большим количеством контактов ввода-вывода, широкую популярность в настоящее время приобрели BGA-компоненты. Основное конструктивное отличие их от традиционных электронных компонентов (ЭК) заключается в том, что выводы данных ЭК представляют собой матрицу шариков, размещенных непосредственно под корпусом компонента.

Такая конструкция обуславливает ряд существенных достоинств, среди которых можно выделить :

- Отсутствие подверженных изгибу выводов. Вызывает меньше проблем с копланарностью и необходимостью бережного обращения;

- Самоцентрирование. В процессе оплавления BGA-компоненты обладают эффектом самоцентрирования (до 50% смещения относительно диаметра КП);

- Шаг выводов больше, чем у QFP-компонентов (справедливо для PBGA) – проще осуществлять качественный монтаж;

- Лучшие термические и электрические характеристики по сравнению со многими QFP-компонентами;

- Одно- или многочиповое исполнение;

- Малый размер. Размер многих микроBGA-компонентов приближается к размеру кристалла;

- Большое количество и высокая плотность контактов ввода/вывода. Требуют меньшего размера знакоместа на печатной плате (ПП) из-за использования всей нижней поверхности корпуса;

- Низкопрофильность (для многих типов BGA-компонентов);

- Меньшее термическое сопротивление между корпусом и ПП по сравнению с выводными корпусами;

- Малая индуктивность выводов.

Данные особенности определили область применения данных ЭК: микропроцессоры/микроконтроллеры, заказные ИС, микросхемы памяти, чипсеты ПК, широкий спектр мобильных устройств и пр.

Среди отдельных недостатков можно выделить бо́льшую механическую жесткость соединения корпуса BGA-компонента с платой из-за отсутствия выводов, а также наличие разницы в ТКЛР между корпусом и материалом ПП для некоторых BGA-компонентов, что, действуя совместно, может вызвать проблемы при повышенных тепловых и механических воздействиях на изделие. Также следует отметить необходимость использования специального оборудования для контроля качества монтажа – рентгеновские установки и специальные микроскопы.

Классификация.

Наибольшее распространение получили пластиковые ЭК (Plastic-Ball-Grid-Array, PBGA, основой структуры которых является многослойная ПП, шарики выполнены из эвтектического припоя. Такие корпуса являются относительно дешевыми, отличаются хорошим согласованием ТКР корпуса и платы, однако чувствительны к влажности, склонны к короблению (в особенности, для больших корпусов). Также существуют керамические корпуса (Ceramic-Ball-Grid Array, CBGA), выполненные на керамической подложке, имеющие металлическую крышку и шарики, изготовленные из высокотемпературного сплава (90Pb/10Sn), крепящиеся к подложке при помощи эвтектического припоя. Такие шарики не оплавляются при пайке. Корпуса CBGA герметичны и практически нечувствительны к влажности, кроме того, шарики из высокотемпературного сплава облегчают процесс ремонта изделия. Тем не менее, относительная высокопрофильность, большая теплоемкость и различия в ТКР с материалом ПП ограничивают их применение. Разновидностью корпусов CBGA являются корпуса CCGA (Ceramic-Column-Grid-Array), в которых роль шариков выполняют столбиковые выводы. Корпуса TBGA (Tape Ball-Grid-Array) имеют в своей конструкции вместо многослойной подложки полиимидную пленку. Такие корпуса также имеют шарики из высокотемпературного припоя, прикрепленные к корпусу методом частичного оплавления. Корпуса демонстрируют улучшенные тепловые характеристики без дополнительного радиатора. Их чувствительность к влажности находится на том же уровне, что и у PBGA.

Также активно применяются корпуса с уменьшенным размером корпуса, высотой и шагом выводов. Эти корпуса объединены в большую группу CSP (Chip Scale Package), или, в терминологии JEDEC, DSBGA (Die-Size BGA) – корпусов, размеры которых приближаются к размеру кристалла. Широко распространенным представителем этой группы является корпус микроBGA (μBGA, micro-BGA, разработанный компанией Tessera, Inc. Такой корпус имеет матрицу электроосажденных никелевых шариков (85-90 мкм) с золотым покрытием (0,3 мкм), либо шариков из эвтектического или бессвинцового припоя, на гибкой подложке. Упругий силиконовый слой снижает уровень механических напряжений. Уровень чувствительности к влажности данных корпусов устраняет необходимость в специальной упаковке и методах обращения. Корпуса подходят для бессвинцовой технологии монтажа. Преимущественная область применения – SRAM, DSP для беспроводных приложений, высоконадежные приложения для медицины, автомобильной и военной промышленности. К этой же группе относятся Wafer Level Chip Size Package (WLCSP) – разновидность CSP, где все этапы процесса производства ИС проводятся на уровне подложки. Данные корпуса имеют чрезвычайно малые размеры, низкий профиль (0.82 мм max), обладают низкой чувствительностью к влажности и устойчивостью к высоким температурам (что особенно важно для бессвинцовой технологии). Шарики выполнены из сплава Sn/Ag/Cu.

Чувствительность к влажности.

Большинство PBGA-компонентов демонстрирует сильную чувствительность к влажности. Контроль влажности необходим для предотвращения т.н. эффекта «попкорна» – вспучивания корпуса либо герметизирующего материала ЭК при пайке. Перед поставкой производится сушка BGA-компонентов и упаковка их в герметичный пакет с влагопоглотителем («dry pack»).

Необходимо отметить, что компоненты продолжают накапливать влагу после монтажа. При проведении ремонта необходима сушка платы перед тем, как подвергнуть ее воздействию тепла. В противном случае, возможно массовое повреждение компонентов.

Этапы сборочного процесса:

Как и для прочих SMT-компонентов, монтаж BGA предусматривает выполнение типовых этапов сборочного процесса: нанесения паяльной пасты, установки компонентов, оплавления , отмывки (в зависимости от типа применяемого флюса).

Нанесение паяльной пасты

При монтаже BGA-компонентов с шариками из эвтектического сплава 63Pb/37Sn, рекомендуется дополнительно наносить на КП паяльную пасту, хотя существуют технологические процессы, предусматривающие нанесение только флюса.

Смачивание. Паста работает как флюс, улучшая смачивание шарика припоя и КП платы;

Отсутствие смещения ЭК. Паста помогает удерживать компонент на своем месте в процессе оплавления;

Меньше проблем с копланарностью. Паста помогает скомпенсировать незначительные различия в копланарности шариков;

Самоцентрирование. Способность ЭК к самоцентрированию будет меньше при наличии только флюса.

Настоятельно рекомендуется использовать пасту с флюсом, не требующим отмывки, так как отмывка под корпусами BGA может быть затруднена. Допускается использование паст с водосмываемым флюсом .

На процесс нанесения пасты существенно влияют характеристики трафаретов, включая метод их производства. Существуют три типовых метода производства трафаретов: химическое травление, лазерная резка, аддитивный метод (гальванопластика, гальваническое осаждение никеля на гибкую подложку – медную фольгу). Рекомендуется применение трафаретов, выполненных лазерной резкой (электрополированных либо покрытых никелем и электрополированных), преимущественно из нержавеющей стали, либо никелевых, выполненных гальванопластикой . Форма апертур должна быть конической (уклон конуса 5°). Толщина трафарета – 100-200 мкм (4-8 mil) в зависимости от рекомендаций производителя ЭК .

Неравномерное нанесение и размытие паяльной пасты может привести к замыканиям после оплавления. Недостаточное количество пасты ведет к непропаям, избыточное – к образованию перемычек и других дефектов.

Установка компонентов

Чтобы исключить коробление платы, а также в целях уменьшения теплоотвода при пайке плат с большой теплоемкостью используется нижний подогреватель, который может представлять собой керамическую пластину либо также быть конвекционным или инфракрасным. Конвекция позволяет нагревать плату гораздо большей площади, а также оперативно корректировать термопрофиль во время первой пайки.

Пайка

Наиболее предпочтительным методом пайки BGA-компонентов является оплавление с использованием принудительной конвекции. Производители ЭК, как правило, не дают специальных рекомендаций по созданию профилей оплавления BGA-компонентов, поэтому для них справедливы все положения, принимаемые обычно во внимание при создании термопрофиля.

Распространенным дефектом при пайке BGA-компонентов являются пустоты. Особенно данный дефект характерен для микроBGA-корпусов. Так как объем паяного соединения для BGA-компонентов существенно меньше, чем для выводных, образование пустот представляет собой более сильную угрозу надежности электрического контакта.

Для снижения вероятности появления пустот следует принимать следующие меры :

1.Чувствительность к влажности. Строго соблюдать рекомендации производителя ЭК, касающиеся отношения компонентов к влажности.

2. Количество и качество пасты. Наносить достаточное количество паяльной пасты для образования качественного паяного соединения; не использовать пасты с истекшим сроком годности;

3. Геометрия ПП. Не допускать большой разницы в размерах КП и шарикового вывода.

4. Корректный профиль оплавления. Появление пустот возможно как при использовании RSS, так и RTS-профилей оплавления (для RTS отмечено слегка большее количество дефектов). Особое внимание следует уделить этапу удаления растворителя из паяльной пасты, как определяющему в противодействии образованию пустот, не допуская чрезмерно быстрого нагрева. Компании-производителя паяльной пасты разрабатывают специальные профили оплавления, минимизирующие эффект пустот (например, LSP-профиль компании AIM).

5. Пребывание пасты на воздухе. Рекомендуется, чтобы временной интервал между нанесением пасты и оплавлением был не более 45 мин. (оптимально 30 мин.), что предотвратит высушивание паяльной пасты. Следует отметить, что данные некоторых производителей по возможному времени пребывания пасты на открытом воздухе (6-12 часов) относятся к 500-граммовым банкам с пастой, а не к тонкому ее слою, подвергающемуся сушке значительно быстрее

Блог посвященный обучению ремонту мобильных телефонов