Czym jest montaż BGA
Ball-grid array (BGA) to opakowanie IC z kulkami lutowniczymi ułożonymi w siatce na spodzie - bez wyprowadzeń na krawędziach. Kulki łączą się z odpowiadającymi padami na PCB podczas lutowania. Raster waha się od 1,27 mm (starsze PBGA) do 0,4 mm (nowoczesne µBGA), z liczbą kulek od 36 do 2000+.
Wyzwanie: każde połączenie lutowane jest pod opakowaniem. Nie można ich zobaczyć. Nie można ich sondować. AOI jest bezużyteczne. X-ray i test elektryczny to jedyne metody inspekcji po lutowaniu.
W Energetika-VDS montujemy BGA od 6 × 6 mm 0,5 mm rastra do 45 × 45 mm 1,0 mm rastra na głowicy DDM Novastar LS60 z 8-strefowym piecem lutowniczym GF-120HT. Inspekcja rentgenowska jest pozyskiwana od partnerów - każda płytka w zamówieniach Class 3, próbkowanie w Class 2.
Montaż BGA krok po kroku
1. Druk pasty
Apertura szablonu dla padów BGA: zwykle 1:1 do średnicy padu, czasem -5% dla drobnorastrowych (≤0,5 mm), aby zmniejszyć mostkowanie. Grubość szablonu:
| Raster BGA | Grubość szablonu |
|---|---|
| 1,0-1,27 mm | 125-150 µm |
| 0,65-0,8 mm | 100-125 µm |
| 0,4-0,5 mm | 75-100 µm z electroform |
Docelowa objętość pasty: 80-110% nominalnej, mierzona przez SPI, jeśli dostępne. Poniżej 70% = otwarte połączenia. Powyżej 130% = mostkowanie na drobnorastrowych.
2. Umieszczenie
LS60 podnosi BGA, centruje się wizyjnie na wzorcu kulek i umieszcza z ±30 µm @ 3σ. BGA nie musi być idealne - samodopasowanie podczas lutowania ściąga opakowanie na pady, jeśli umieszczenie mieści się w 50% średnicy padu. Celujemy w mniej niż 25%.
Prędkość umieszczenia: 0,5-1,2 s na BGA w zależności od liczby kulek i złożoności centrowania.
3. Lutowanie
BGA SAC305 podążają za standardowym profilem lutowniczym z naszego artykułu o procesie SMT:
| Strefa | Temperatura | Czas trwania |
|---|---|---|
| Wstępne podgrzanie | 25 do 150°C | 60-90 s |
| Wygrzewanie | 150-200°C | 60-120 s |
| Szczyt lutowania | 235-245°C | 30-60 s powyżej 217°C |
| Chłodzenie | 245 do 50°C | 60-120 s |
Time-above-liquidus (TAL): 45-90 s to sweet spot. Poniżej 45 s = zimne połączenia w centrum dużych BGA. Powyżej 90 s = nadmierny wzrost międzymetaliczny i zwiększone tworzenie pustek.
4. Inspekcja rentgenowska
Po lutowaniu BGA idą do X-ray 2D do wizualnej inspekcji:
- Obecności kulek (brak brakujących kulek)
- Pustek na kulkę
- Mostkowania między kulkami
- Head-in-pillow (kulka się nie zwilżyła do padu)
- Otwartych połączeń (niewystarczający lut)
X-ray 2D łapie 90%+ defektów BGA. 3D / CT X-ray łapie resztę (head-in-pillow na wewnętrznych rzędach dużych opakowań). Pozyskujemy X-ray 2D standardowo; 3D na życzenie przez partnerskie laboratoria.
5. Test funkcjonalny lub boundary scan
Jeśli projekt obejmuje JTAG boundary scan, każda sieć między kulkami BGA a sąsiednimi komponentami jest testowana elektrycznie. To łapie otwarcia i zwarcia, których X-ray nie widzi (zimne połączenia, które wyglądają dobrze geometrycznie). Sam FCT jest pozyskiwany przez partnerów w Energetika-VDS.
Tworzenie pustek - prawdziwa metryka
Pustki to pęcherzyki uwięzionego gazu topnika wewnątrz przelutowanej kulki. Pewne tworzenie pustek jest nieuniknione. Pytanie brzmi, ile.
| Standard / Klasa | Limit pustek na kulkę |
|---|---|
| IPC-A-610 Class 2 | ≤25% powierzchni projekcyjnej |
| IPC-A-610 Class 3 (domyślnie) | ≤25% powierzchni |
| Class 3 ze specyfikacją klienta | Często ≤9-15% powierzchni |
| Power BGA (pad termiczny) | ≤30% powierzchni na kulkach sygnałowych, ≤50% powierzchni na termicznych |
| Motoryzacyjne / medyczne (niestandardowe) | Często ≤9% powierzchni |
4 główne przyczyny tworzenia pustek
Zaślepione viasy pod BGA. Viasy wypełnione tylko maską lutowniczą wyciekają gaz topnika do połączenia podczas lutowania. Rozwiązanie: wypełnić i nakryć (IPC-4761 Typ VII) lub przesunąć viasy poza cień BGA. Łapane w naszej liście kontrolnej DFM.
Zła grubość szablonu. Za gruby = nadmiar pasty = nadmiar topnika = więcej pustek. Za cienki = niewystarczający lut = head-in-pillow. Dopasować szablon do rastra (tabela powyżej).
Utlenione pady lub kulki. Pady przechowywane ponad 12 miesięcy bez HASL lub ze słabym powlekaniem ENIG źle się zwilżają, pozostawiając pustki na styku padu. Zawsze używać świeżych płytek z znanego fabu - NCAB i Eurocircuits obie prowadzą testy utlenienia padów.
Profil lutowniczy z niewystarczającym TAL. Poniżej 45 s powyżej liquidusa gazy topnika nie mogą uciec. Powyżej 90 s międzymetalice rosną w pustki. Celować w 60-75 s dla większości SAC305 BGA.
Naprawa BGA
Stanowisko naprawcze: dysza gorącego powietrza lub IR dopasowana do wymiarów BGA. Cykl:
- Wstępnie wypiec płytkę 4-8 h przy 110°C, aby wyparować wilgoć (MSL Level 3 części)
- Podgrzać BGA do 245°C przez 30-60 s, podnieść dyszą próżniową
- Wycierać pozostały lut, czyścić pady
- Re-balować BGA (lub użyć nowej części)
- Re-pastować pady (mini-szablon lub dozowane)
- Umieścić, przelutować z lokalnym profilem
- X-ray weryfikuje
Czas na naprawę BGA: 30-60 minut. Koszt: €40-150 na połączenie w zależności od rozmiaru i dostępu. Zrobić dobrze za pierwszym razem.
BGA vs QFN - kiedy co wybrać
| Czynnik | BGA | QFN |
|---|---|---|
| Liczba pinów | 36 do 2000+ | 8 do 100 |
| Inspekcja | X-ray wymagany | AOI + boczny fillet |
| Koszt naprawy | €40-150 | €5-20 |
| Koszt części | Wyższy | Niższy |
| Wydajność termiczna | Dobra (kulki termiczne) | Doskonała (pad termiczny) |
| Wydajność RF | Lepsza (krótsze pętle) | Dobra |
Dla wysokich liczb pinów (>100) i wysoko-prędkościowego cyfrowego BGA jest obowiązkowe. Dla IC mocy, RF i analogowych 20-80 pinów QFN jest tańsze i łatwiejsze do inspekcji.
Złóżcie Państwo swój projekt - przegląd DFM oznacza problemy specyficzne dla BGA (zaślepione viasy, trasy ucieczki, apertura szablonu) przed oprzyrządowaniem. Wypróbować estymator wyceny najpierw dla pasma cenowego.
Często zadawane pytania
Czym jest BGA? Ball-grid array - opakowanie IC z kulkami lutowniczymi ułożonymi w siatce na spodzie. Łączy się z odpowiadającymi padami PCB podczas lutowania. Raster waha się od 0,4 mm do 1,27 mm; liczba kulek od 36 do 2000+.
BGA vs QFN - co lepsze? Żadne. BGA dla wysokich liczb pinów (>100), wysoko-prędkościowego cyfrowego i RF. QFN dla niższych liczb pinów (8-100) z doskonałą wydajnością termiczną przez centralny pad. Naprawa BGA jest 5-10× droższa niż QFN, więc wybrać QFN tam, gdzie pasuje.
Jak inspekcjonujecie BGA? X-ray (2D dla standardowych, 3D / CT dla wykrywania head-in-pillow na dużych opakowaniach). AOI nie widzi pod opakowaniem. Boundary scan (JTAG) łapie otwarcia elektryczne i zwarcia, których X-ray nie widzi geometrycznie.
Czym jest tworzenie pustek BGA? Pęcherzyki uwięzionego gazu topnika wewnątrz przelutowanej kulki. Pewne tworzenie pustek jest nieuniknione. IPC-A-610 Class 2 dopuszcza do 25% powierzchni projekcyjnej na kulkę; Class 3 ze specyfikacją klienta często wymaga poniżej 9-15%. Przyczyny: zaślepione viasy, utlenione pady, zła grubość szablonu, niewystarczający czas powyżej liquidusa.