تحليل العيوب وتحسين عملية وصلات لحام BGA

المقدمة

برزت تقنية التغليف ذات مصفوفة الشبكة الكروية (BGA) كتقنية حاسمة في صناعة الإلكترونيات، خاصة منذ طرحها في أوائل التسعينيات. أصبحت طريقة التغليف هذه ضرورية مع زيادة عدد دبابيس الأجهزة في العبوات التقليدية التي تحتوي على الرصاص، مما أدى إلى انخفاض تباعد الرصاص بشكل كبير. أدى ذلك إلى تحديات في قابلية التصنيع والموثوقية أثناء لحام الأجهزة، مع الحد الأدنى من التباعد الذي يصل إلى 1990 مم (0.3 مل). ولمعالجة هذه المشكلات، تم تطوير تقنية BGA، مما يسمح بعدد أكبر من الدبوس مقارنة بالحزم الرباعية المسطحة (QFP) ذات الحجم المماثل.

تعتمد أجهزة BGA على كرات اللحام الموجودة أسفل الشريحة لتكون بمثابة دبابيسها. إن الملعب الأكبر لكرات اللحام هذه يجعل التجميع أسهل، مما يحسن بشكل كبير معدلات تأهيل اللحام ومعدلات النجاح لأول مرة.

يُعدّ كلٌّ من تغليف BGA البلاستيكي (PBGA)، المستخدم بكثرة في المنتجات الاستهلاكية ومنتجات الاتصالات، وتغليف BGA الخزفي ( CBGA)، المستخدم في التطبيقات العسكرية، نوعين شائعين من تغليف BGA. غالبًا ما يحتوي تركيب كرات اللحام في أجهزة PBGA على 63% قصدير (Sn) و37% رصاص (Pb) للحام اليوتكتيكي، بينما تستخدم أجهزة CBGA لحامًا غير يوتكتيكي عالي الحرارة يتكون من 10% رصاص و90% قصدير. وقد أدى تطور تقنية BGA أيضًا إلى تطوير BGAs مصغرة، تُعرف باسم microBGAs (μBGA) أو Chip Scale Packages (CSP)، بمسافات أصغر بين كرات اللحام تصل إلى 0.3 مم (12 ميل) ومسافات فاصلة بين كرات اللحام تصل إلى 0.5 مم (12 ميل).

تستكشف هذه المقالة معايير القبول، وأداء الخلل، وموثوقية وصلات لحام BGA، مع التركيز بشكل خاص على العيب المثير للجدل - الفراغات. بالإضافة إلى ذلك، سنقترح تحسينات على العملية تهدف إلى تحسين جودة وصلات لحام BGA.

فحص جودة لحام BGA

يُعدّ فحص جودة وصلات اللحام في مصفوفات الكرات الشبكية (BGA) جانبًا بالغ الأهمية لضمان موثوقية الأجهزة الإلكترونية وكفاءة عملها. ونظرًا لطبيعة عبوات BGA الفريدة، حيث توضع كرات اللحام أسفل الشريحة، فإنّ أساليب الفحص البصري التقليدية غير كافية. سيتناول هذا القسم مختلف التقنيات والتحديات المرتبطة بفحص جودة لحام BGA.

التحديات في التفتيش المشترك لحام BGA

1. مفاصل اللحام التي لا يمكن الوصول إليها: يكمن التحدي الأساسي في عدم إمكانية الوصول إلى وصلات لحام BGA. على عكس المكونات التي يتم تركيبها من خلال الثقب أو السطح حيث تكون وصلات اللحام مكشوفة، تحتوي BGAs على كرات لحام مخبأة أسفل المكون. هذا يجعل من المستحيل فحص المفاصل بصريًا بشكل مباشر.
2. مساحة محدودة: لا يترك التصميم المدمج لـ BGAs مجالًا كبيرًا لأدوات وتقنيات الفحص. إن المسافة الضيقة بين كرات اللحام تجعل من الصعب الوصول إلى المفاصل الفردية وفحصها.
3. تعقيد: غالبًا ما تحتوي الأجهزة الإلكترونية على العديد من BGAs، ولكل منها العديد من وصلات اللحام. قد يكون فحص جميع هذه المفاصل بشكل شامل وفعال مهمة شاقة.
4. تحديد العيب: يتطلب تحديد العيوب داخل وصلات لحام BGA، مثل الشقوق أو الفراغات أو الترطيب غير الكامل، معدات وخبرة متخصصة.

يتطلب ضمان جودة وموثوقية وصلات لحام BGA تقنيات فحص فعّالة. لمزيد من المعلومات، يُرجى الرجوع إلى مقال " الحاجة إلى فحص اللحام باستخدام المجهر الرقمي: شرح طرق الفحص | المجهر الرقمي ذو الموجة النشطة".

تقنيات فحص اللحام المشترك BGA

للتغلب على هذه التحديات، تم تطوير تقنيات وأدوات فحص مختلفة لتقييم جودة وصلات لحام BGA. وتشمل هذه الأساليب:

1. الفحص بالأشعة السينية:

يعد الفحص بالأشعة السينية الطريقة الأكثر استخدامًا لتقييم جودة وصلة اللحام BGA. فهو يوفر طريقة غير مدمرة لرؤية ما بداخل حزمة BGA وتقييم سلامة وصلات اللحام. هناك نوعان أساسيان من الفحص بالأشعة السينية:

• التصوير الشعاعي ثنائي الأبعاد: تلتقط هذه التقنية صور الأشعة السينية ثنائية الأبعاد لتجميع BGA. إنها فعالة من حيث التكلفة ويمكنها تحديد مشكلات مثل الفراغات وعدم كفاية اللحام. ومع ذلك، يمكن أن تعاني من تداخل ظلال اللحام عند وجود المكونات على جانبي لوحة PCB، مما يجعل من الصعب تحديد العيوب بدقة.
• التصوير المقطعي بالأشعة السينية: يقدم التصوير المقطعي بالأشعة السينية، المعروف أيضًا باسم الأشعة السينية ثلاثية الأبعاد أو التصوير المقطعي المحوسب (CT)، حلاً أكثر تقدمًا. يقوم بإنشاء صور مقطعية لـ BGA، مما يسمح بإجراء تحليل مفصل لمفاصل اللحام في ثلاثة أبعاد. توفر هذه التقنية اكتشافًا فائقًا للعيوب وتحديد موقعها.

2. الفحص البصري:

تتضمن طرق الفحص البصري استخدام الكاميرات أو المجاهر أو المناظير الداخلية لتقييم وصلات لحام BGA بصريًا. على الرغم من أنها ليست قوية مثل الفحص بالأشعة السينية، إلا أن الطرق البصرية ذات قيمة لتحديد العيوب والمخالفات السطحية. ومع ذلك، فإنها قد لا تكتشف العيوب المخفية داخل وصلات اللحام.

3. التفتيش بالموجات فوق الصوتية:

تستخدم تقنيات الفحص بالموجات فوق الصوتية الموجات الصوتية لتقييم السلامة الهيكلية لمفاصل لحام BGA. يمكن للموجات فوق الصوتية أن تخترق العبوة وتوفر معلومات حول الهيكل الداخلي، بما في ذلك وجود فراغات أو طبقات. هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص للكشف عن العيوب التي تؤثر على القوة الميكانيكية لمفاصل اللحام.

4. التصوير الحراري:

يمكن لكاميرات التصوير الحراري اكتشاف التغيرات في درجة الحرارة عبر مجموعة BGA أثناء اللحام بإعادة التدفق. يمكن أن تشير الحالات الشاذة في ملفات تعريف درجة الحرارة إلى عيوب مثل عدم كفاية اللحام أو مفاصل اللحام البارد. على الرغم من أن هذه الطريقة فعالة أثناء عملية التصنيع، إلا أنها قد لا تكون مناسبة للفحص بعد اللحام.

دور معدات التفتيش الآلي

أصبحت معدات الفحص الآلي ضرورية في تصنيع الإلكترونيات الحديثة، خاصة عند التعامل مع مجموعات BGA المعقدة. يمكن لهذه الآلات مسح وتحليل BGAs المتعددة بسرعة، مما يضمن مراقبة الجودة بشكل متسق. تشمل الميزات الرئيسية لمعدات فحص BGA الآلية ما يلي:

• المسح عالي السرعة: يمكن للأنظمة الآلية فحص العديد من BGAs بسرعة، مما يقلل من وقت الإنتاج وتكاليفه.
• التعرف على العيوب: يمكن لأنظمة الرؤية الآلية المتقدمة تحديد العيوب وتصنيفها بدقة عالية، بما في ذلك الفراغات والشقوق ومخالفات كرة اللحام.
• تحليل البيانات: تقوم معدات الفحص الآلي بإنشاء تقارير وبيانات شاملة، مما يمكّن المصنعين من تتبع العيوب وتحديد الاتجاهات وتحسين عمليات اللحام الخاصة بهم.
• سهولة التكامل: ويمكن دمج هذه الأنظمة بسلاسة في خطوط الإنتاج، مما يؤدي إلى تبسيط عملية الفحص.
• ضمان الجودة: يقلل الفحص الآلي من مخاطر الأخطاء البشرية ويضمن جودة متسقة عبر جميع BGAs.

معايير القبول لمفاصل لحام BGA

لتقييم جودة وصلات لحام BGA بدقة، تعد معايير القبول الواضحة ضرورية. يوفر IPC-A-610C إرشادات محددة لقبول وصلة لحام BGA. يجب أن تظهر وصلات لحام BGA المفضلة خصائص معينة: يجب أن تكون ناعمة ومستديرة ولها حدود واضحة وخالية من الفراغات. يجب أن يكون قطر جميع وصلات اللحام وحجمها وتدرجها الرمادي وتباينها متسقًا، مع مواضع متوازية، ولا توجد كرات إزاحة أو ملتوية أو لحام.

في حين أن المعيار المفضل يضع شريطًا مرتفعًا، إلا أن المعايير المخففة قليلاً تنطبق على وصلات اللحام المؤهلة. بالنسبة للمواضع المحاذية، قد تحتوي وصلة لحام BGA على إزاحة تصل إلى 25% بالنسبة إلى اللوحة. يجب ألا تتجاوز مسافة كرة اللحام 25% من المسافة بين أقرب كرات لحام.

العيوب النموذجية لمفاصل لحام BGA

على الرغم من الالتزام بمعايير القبول، يمكن أن تظهر وصلات لحام BGA عيوبًا مختلفة. تشمل هذه العيوب ما يلي:

1. مفاصل اللحام: تحدث هذه الحالات عندما لا يتم ربط اللحام بشكل صحيح، مما يؤدي إلى دوائر مفتوحة أو اتصالات ضعيفة.
2. فتح الدوائر: تؤدي الفواصل الكاملة في وصلة اللحام إلى فتح الدوائر، مما يؤدي إلى تعطيل التوصيل الكهربائي.
3. كرات اللحام المفقودة: يمكن أن تؤدي كرات اللحام غير المكتملة أو المفقودة إلى اتصالات غير موثوقة.
4. فراغات كبيرة: يمكن أن تؤدي الفراغات الموجودة داخل وصلة اللحام إلى إضعاف سلامتها الهيكلية وربما تؤدي إلى فشلها.
5. كرات اللحام الكبيرة: يمكن أن تؤدي كرات اللحام كبيرة الحجم إلى إنشاء اتصالات غير منتظمة وتتداخل مع المكونات المجاورة.
6. حواف غامضة: يمكن أن تشير حدود مفاصل اللحام المحددة بشكل سيء إلى لحام دون المستوى الأمثل.

عيب مثير للجدل – باطل

أحد جوانب وصلات لحام BGA التي تظل موضوعًا للنقاش هو معايير القبول للفراغات. الفراغات هي مساحات فارغة أو تجاويف داخل وصلة اللحام. في حين أن الفراغات ليست فريدة من نوعها بالنسبة لـ BGAs ويمكن أن تؤثر على وصلات اللحام في أنواع التغليف الأخرى، إلا أنها تشكل تحديات خاصة لـ BGAs. على عكس الحزم الأخرى، يتم إخفاء جميع وصلات لحام BGA أسفل الشريحة، مما يجعل الفحص بالأشعة السينية هو الطريقة الأساسية للكشف عن الفراغات.

إن تأثير الفراغات على موثوقية BGAs هو مسألة عدم اليقين والخلاف. يجادل البعض بأن الفراغات الصغيرة التي لا يمكن تجنبها قد تؤدي في الواقع إلى تعزيز الموثوقية. يعترف معيار IPC-7095، الذي يحمل عنوان "عملية التصميم والتجميع لتحقيق BGA"، بالفوائد المحتملة للفراغات المحدودة ولكنه يؤكد على الحاجة إلى معايير محددة لتحديد أحجام الفراغات المقبولة.

موقف وسبب الفراغات

يمكن أن تظهر الفراغات الموجودة في وصلات لحام BGA في ثلاث طبقات أساسية:

1. طبقة المكون: هذه الطبقة هي الأقرب إلى مكون BGA وغالبًا ما تواجه فراغات بسبب فقاعات الهواء أو غاز التدفق المتطاير أثناء اللحام بإعادة التدفق.
2. طبقة الوسادة: قد تنتج الفراغات الموجودة في هذه الطبقة عن تطاير التدفق في عجينة اللحام المطبقة على اللوحة، مما يتسبب في خروج الغاز وتكوين فراغات بعد التبريد.
3. طبقة كرة اللحام: يمكن أن يحدث الفراغ في كرات اللحام قبل اللحام، ربما بسبب عملية تصنيع كرة اللحام، أو مشكلات مادة معجون اللحام، أو تصميم لوحة الدائرة.

على سبيل المثال، إذا تم تصميم فتحة عبر أسفل الوسادة، فيمكن للهواء من الخارج أن يدخل كرة اللحام المنصهرة من خلال فتحة عبر أثناء اللحام. يمكن أن يؤدي ذلك إلى إنشاء فراغ داخل كرة اللحام بمجرد اكتمال عملية اللحام وتبريد اللحام.

يلعب ملف درجة حرارة إنحسر أثناء اللحام دورًا مهمًا في تكوين الفراغ. تكون تركيبات اللحام سهلة الانصهار مثل 63% Sn و37% Pb أكثر عرضة للفراغات، في حين أن كرات اللحام ذات التركيبة ذات نقطة انصهار عالية مثل 10% Pb و90% Sn، مع نقطة انصهار تبلغ 302 درجة مئوية، تميل إلى إظهار عدد أقل من ذلك. الفراغات لأنها لا تذوب أثناء عملية لحام التدفق.

معايير قبول الفراغ

يمكن أن يؤدي وجود الفراغ داخل وصلة اللحام إلى الضغط أثناء التدوير الحراري، مما قد يتسبب في الانكماش والتمدد. يمكن أن يؤثر موقع وحجم الفراغات على موثوقية وصلات اللحام. ومع ذلك، يمكن للفراغات أيضًا تقليل الضغط الميكانيكي من خلال توفير مساحة إضافية داخل وصلة اللحام.

IPC-7095 يحدد معايير القبول المحددة للفراغات، مع الأخذ في الاعتبار موقعها وحجمها. بغض النظر عن موقعها داخل كرة اللحام، أو طبقة الوسادة، أو الطبقة المكونة، فإن حجم وكمية الفراغات يحددان تأثيرها على الجودة والموثوقية. يُسمح بالفراغات الصغيرة داخل كرات اللحام، حيث تعمل مساحة الفراغ بالنسبة لمساحة كرة اللحام كعامل حاسم. على سبيل المثال، يشغل الفراغ الذي يبلغ قطره 50% من قطر كرة اللحام 25% من مساحة كرة اللحام.

تحدد معايير IPC أن الفراغات الموجودة في طبقة الوسادة يجب ألا تتجاوز 10% من مساحة كرة اللحام. تعتبر الفراغات التي تزيد عن 25% عيوبًا، مما يشكل خطرًا على الموثوقية الميكانيكية والكهربائية. بالنسبة للفراغات التي تقع ضمن نطاق 10% إلى 25%، يوصى بإجراء تحسينات على العملية للتخلص منها أو تقليلها.

الاستنتاج والاقتراحات لتحسين العملية

يتضمن تحقيق لحام BGA الناجح العديد من العوامل الحاسمة والالتزام بأفضل الممارسات. لتحسين جودة وصلة اللحام وتقليل العيوب، ينبغي مراعاة التوصيات التالية:

1. جودة لصق اللحام: تأكد من استخدام معجون لحام طازج ومقلب بالتساوي مع تحديد موضع المعجون والمكونات بدقة.
2. تحضير المكونات: بالنسبة لأجهزة PBGA المعبأة بالبلاستيك، يمكن أن يكون التجفيف المسبق عند 100 درجة مئوية لمدة 6-8 ساعات قبل اللحام، ويفضل باستخدام النيتروجين، مفيدًا.
3. إنحسر درجة الحرارة الشخصية: قم بتصميم ملف تعريف درجة حرارة التدفق بعناية لضمان تسخين متساوي وذوبان اللحام بالكامل. يمكن أن تؤدي ملفات تعريف درجة الحرارة غير الكافية إلى وصلات لحام باردة أو ذوبان غير كامل.
4. تطبيق لصق جندى: ضع كمية مناسبة من معجون اللحام، مع مراعاة اللزوجة، لتأمين الجهاز مؤقتًا ومنع تجسير اللحام.
5. تصميم الوسادة الموحدة: قم بتصميم منصات PCB لحزم BGA بأحجام موحدة وتجنب عمليات التصميم الموجودة أسفل الوسادات. في الحالات التي تكون فيها العمليات الموجودة أسفل الوسادات ضرورية، استخدم جهة تصنيع PCB مناسبة وتأكد من التصميم المناسب عبر الفتحة لمنع الاختلافات في كمية القصدير والارتفاع بين الوسادات الكبيرة والصغيرة.
6. جودة قناع اللحام: قبل لحام BGA، تحقق من جودة قناع اللحام حول الوسادات وتأكد من أن المنافذ مطلية بطبقة حاجزة. إن إضافة طبقة مقاومة لحام على الجانب الآخر من لوحة PCB أثناء الإنتاج أمر غير فعال وقد يؤدي إلى مشكلات مثل قصر افتراضي ودوائر قصيرة.

من خلال معالجة هذه التوصيات والتحضير الشامل قبل لحام BGA، يمكن تقليل العيوب، ويمكن تحقيق معدل نجاح مرتفع. الهدف النهائي هو إزالة العيوب دون اللجوء إلى إعادة العمل، مما يضمن أعلى مستوى من الجودة والموثوقية في وصلات لحام BGA.

إذا كان هذا الشرط يؤثر على التوريد أو إصدار الإنتاج، فقم بمقارنته بعملية ضمان جودة لوحة الدوائر المطبوعة وتصميم الثقوب الدقيقة وتصميم HDI قبل إرسال الملفات النهائية للمراجعة.