Was BGA-Bestückung ist
Ein Ball-Grid-Array (BGA) ist ein IC-Gehäuse mit in einem Raster auf der Unterseite angeordneten Lotkugeln — keine Beine an den Rändern. Die Kugeln verbinden sich beim Reflow mit passenden Pads auf der Leiterplatte. Der Pitch reicht von 1,27 mm (ältere PBGAs) bis hinab zu 0,4 mm (moderne µBGAs), mit Ballzahlen von 36 bis 2000+.
Die Herausforderung: Jede Lötstelle liegt unter dem Gehäuse. Man sieht sie nicht. Man kann sie nicht abtasten. AOI ist nutzlos. Röntgen und elektrischer Test sind die einzigen Post-Reflow-Inspektionsmethoden.
Bei Energetika-VDS bestücken wir BGAs von 6 × 6 mm 0,5 mm Pitch bis 45 × 45 mm 1,0 mm Pitch auf dem DDM Novastar LS60-Kopf mit GF-120HT 8-Zonen-Reflow. Die Röntgeninspektion wird über Partner sourced — bei Class-3-Aufträgen jede Leiterplatte, bei Class 2 stichprobenartig.
BGA-Bestückung Schritt für Schritt
1. Pastendruck
Schablonenapertur für BGA-Pads: typischerweise 1:1 zum Paddurchmesser, manchmal -5 % bei Fine-Pitch (≤0,5 mm), um Brücken zu reduzieren. Schablonendicke:
| BGA-Pitch | Schablonendicke |
|---|---|
| 1,0-1,27 mm | 125-150 µm |
| 0,65-0,8 mm | 100-125 µm |
| 0,4-0,5 mm | 75-100 µm mit Electroform |
Pastenvolumen-Ziel: 80-110 % des Nennwerts, per SPI gemessen, falls verfügbar. Unter 70 % = offene Lötstellen. Über 130 % = Brücken bei Fine-Pitch.
2. Bestückung
Die LS60 nimmt das BGA, zentriert via Vision auf das Ball-Muster und platziert mit ±30 µm @ 3σ. Das BGA muss nicht perfekt liegen — die Selbstausrichtung beim Reflow zieht das Gehäuse auf die Pads, wenn die Platzierung innerhalb 50 % des Paddurchmessers liegt. Wir zielen auf unter 25 %.
Bestückungsgeschwindigkeit: 0,5-1,2 s pro BGA, je nach Ballzahl und Zentrierkomplexität.
3. Reflow
SAC305-BGAs folgen dem Standard-Reflow-Profil aus unserem SMT-Prozess-Artikel:
| Zone | Temperatur | Dauer |
|---|---|---|
| Vorheizen | 25 bis 150 °C | 60-90 s |
| Soak | 150-200 °C | 60-120 s |
| Reflow-Peak | 235-245 °C | 30-60 s über 217 °C |
| Abkühlen | 245 bis 50 °C | 60-120 s |
Time-above-Liquidus (TAL): 45-90 s ist der Sweetspot. Unter 45 s = kalte Lötstellen in der Mitte großer BGAs. Über 90 s = übermäßiges Wachstum intermetallischer Phasen und erhöhtes Voiding.
4. Röntgeninspektion
Nach dem Reflow gehen BGAs zur 2D-Röntgenkontrolle für die visuelle Prüfung auf:
- Ballvorhandensein (keine fehlenden Bälle)
- Voiding pro Ball
- Brücken zwischen Bällen
- Head-in-Pillow (Ball hat das Pad nicht benetzt)
- Offene Lötstellen (zu wenig Lot)
2D-Röntgen erkennt 90 %+ der BGA-Defekte. 3D-/CT-Röntgen erkennt den Rest (Head-in-Pillow in inneren Reihen großer Gehäuse). Wir sourcen 2D-Röntgen als Standard; 3D auf Anfrage über Partnerlabore.
5. Funktionstest oder Boundary-Scan
Wenn das Design JTAG-Boundary-Scan enthält, wird jeder Netz zwischen BGA-Bällen und benachbarten Bauteilen elektrisch geprüft. Das fängt Open und Short, die das Röntgen nicht sieht (kalte Lötstellen, die geometrisch in Ordnung wirken). FCT selbst wird bei Energetika-VDS über Partner sourced.
Voiding — die echte Metrik
Voids sind Blasen eingeschlossenen Fluxgases im wiederaufgeschmolzenen Lotball. Etwas Voiding ist unvermeidlich. Die Frage ist, wie viel.
| Standard / Klasse | Void-Grenze pro Ball |
|---|---|
| IPC-A-610 Class 2 | ≤25 % projizierte Fläche |
| IPC-A-610 Class 3 (Standard) | ≤25 % Fläche |
| Class 3 mit Kundenspezifikation | Oft ≤9-15 % Fläche |
| Power-BGAs (Thermal-Pad) | ≤30 % Fläche an Signalbällen, ≤50 % Fläche thermisch |
| Automotive / Medizin (kundenspezifisch) | Oft ≤9 % Fläche |
Top 4 Voiding-Ursachen
Getentete Vias unter BGA. Nur mit Lötstopplack abgedeckte Vias lassen beim Reflow Fluxgas in die Lötstelle eindringen. Lösung: füllen und überdecken (IPC-4761 Type VII) oder Vias aus dem BGA-Schatten verlagern. Wird in unserer DFM-Checkliste gefangen.
Falsche Schablonendicke. Zu dick = zu viel Paste = zu viel Flux = mehr Voids. Zu dünn = zu wenig Lot = Head-in-Pillow. Schablone an Pitch anpassen (Tabelle oben).
Oxidierte Pads oder Bälle. Pads, die über 12 Monate ohne HASL oder mit schlechter ENIG-Beschichtung gelagert wurden, benetzen schlecht und hinterlassen Voids an der Pad-Grenzfläche. Verwenden Sie immer frische Leiterplatten von einem bekannten Fab — NCAB und Eurocircuits fahren beide Pad-Oxidationstests.
Reflow-Profil mit unzureichendem TAL. Unter 45 s über Liquidus können Fluxgase nicht entweichen. Über 90 s wachsen intermetallische Phasen in Voids. Zielwert 60-75 s für die meisten SAC305-BGAs.
BGA-Nacharbeit
Nacharbeitsstation: Heißluft- oder IR-Düse, an die BGA-Maße angepasst. Zyklus:
- Leiterplatte 4-8 h bei 110 °C vorbacken, um Feuchtigkeit auszutreiben (MSL-Level-3-Bauteile)
- BGA auf 245 °C für 30-60 s erhitzen, mit Vakuumdüse abheben
- Restlot abdochen, Pads reinigen
- BGA neu ballen (oder neues Bauteil verwenden)
- Pads neu pasten (Minischablone oder dispensiert)
- Platzieren, mit lokalem Profil reflowen
- Mit Röntgen verifizieren
Zeit pro BGA-Nacharbeit: 30-60 Minuten. Kosten: 40-150 € pro Lötstelle, je nach Größe und Zugang. Machen Sie es beim ersten Mal richtig.
BGA vs QFN — wann wählt man was
| Faktor | BGA | QFN |
|---|---|---|
| Pinzahl | 36 bis 2000+ | 8 bis 100 |
| Inspektion | Röntgen erforderlich | AOI + Seitenmeniskus |
| Nacharbeitskosten | 40-150 € | 5-20 € |
| Bauteilkosten | Höher | Niedriger |
| Thermisches Verhalten | Gut (Thermal-Balls) | Exzellent (Thermal-Pad) |
| HF-Verhalten | Besser (kürzere Schleifen) | Gut |
Bei hohen Pinzahlen (>100) und High-Speed-Digital ist BGA zwingend. Bei 20-80-Pin Power-, HF- und Analog-ICs ist QFN günstiger und einfacher zu inspizieren.
Reichen Sie Ihr Design ein — die DFM-Prüfung markiert BGA-spezifische Themen (getentete Vias, Escape-Routen, Schablonenapertur) vor dem Tooling. Probieren Sie zuerst den Quote-Estimator für ein Preisband.
Häufig gestellte Fragen
Was ist BGA? Ball-Grid-Array — ein IC-Gehäuse mit in einem Raster auf der Unterseite angeordneten Lotkugeln. Verbindet sich beim Reflow mit passenden PCB-Pads. Pitch von 0,4 mm bis 1,27 mm; Ballzahlen von 36 bis 2000+.
BGA vs QFN — was ist besser? Keines. BGA für hohe Pinzahlen (>100), High-Speed-Digital und HF. QFN für niedrigere Pinzahlen (8-100) mit exzellentem thermischen Verhalten über ein zentrales Pad. BGA-Nacharbeit ist 5-10× teurer als QFN, also wählen Sie QFN, wo es passt.
Wie inspiziert man ein BGA? Röntgen (2D als Standard, 3D/CT für Head-in-Pillow-Erkennung an großen Gehäusen). AOI kann nicht unter das Gehäuse sehen. Boundary-Scan (JTAG) fängt elektrische Open und Short, die das Röntgen geometrisch nicht sehen kann.
Was ist BGA-Voiding? Blasen eingeschlossenen Fluxgases in einem wiederaufgeschmolzenen Lotball. Etwas Voiding ist unvermeidlich. IPC-A-610 Class 2 erlaubt bis zu 25 % projizierte Fläche pro Ball; Class 3 mit Kundenspezifikation fordert oft unter 9-15 %. Ursachen: getentete Vias, oxidierte Pads, falsche Schablonendicke, unzureichende Zeit über Liquidus.