BGA-juoteliitosten vikojen analysointi ja prosessin parantaminen

esittely

Ball Grid Array (BGA) -pakkaus on noussut tärkeäksi teknologiaksi elektroniikkateollisuudessa, etenkin sen käyttöönoton jälkeen 1990-luvun alussa. Tämä pakkausmenetelmä tuli välttämättömäksi, kun laitenastojen määrä perinteisissä lyijypakkauksissa lisääntyi, jolloin lyijyväli pieneni merkittävästi. Tämä johti valmistettavuuteen ja luotettavuuteen liittyviin haasteisiin laitteen juottamisen aikana, ja minimaaliset etäisyydet olivat jopa 0.3 mm (12 mil). Näiden ongelmien ratkaisemiseksi kehitettiin BGA-tekniikka, joka mahdollistaa suuremman nastamäärän verrattuna samankokoisiin Quad Flat Packages (QFP) -paketteihin.

BGA-laitteet luottavat sirun alla oleviin juotospalloihin, jotka toimivat niiden nastaina. Näiden juotospallojen suurempi jako tekee kokoamisesta helpompaa, mikä parantaa merkittävästi juottamisen kelpoisuusastetta ja ensikertalaisten onnistumisastetta.

Kaksi yleistä BGA-kotelointityyppiä ovat muovinen BGA (PBGA), jota käytetään yleisesti kuluttaja- ja viestintätuotteissa, ja keraaminen BGA ( CBGA), jota käytetään sotilassovelluksissa. Juotospallon koostumus sisältää usein 63 % tinaa (Sn) ja 37 % lyijyä (Pb) eutektista juotetta varten PBGA-laitteissa, kun taas CBGA-laitteissa käytetään korkean lämpötilan ei-eutektista juotetta, joka koostuu 10 % lyijystä ja 90 % tinasta. BGA-teknologian kehitys on johtanut myös miniatyyrikokoisten BGA-koteloiden, joita kutsutaan mikroBGA-koteloiksi (μBGA) tai sirumittakaavapakkauksiksi (CSP), kehittämiseen. Niissä on vielä pienemmät juotospallojen jaot, jopa 0.3 mm (12 mil) ja juotospallojen välinen etäisyys jopa 0.5 mm (12 mil).

Tässä artikkelissa tarkastellaan BGA-juoteliitosten hyväksymiskriteerejä, vikojen suorituskykyä ja luotettavuutta keskittyen erityisesti kiistanalaiseen virheeseen – tyhjiin. Lisäksi ehdotamme prosessiparannuksia BGA-juoteliitosten laadun parantamiseksi.

BGA-juotoksen laadun tarkastus

BGA-juotosliitosten laadun tarkastaminen on kriittinen osa elektronisten laitteiden luotettavuuden ja toimivuuden varmistamista. BGA-koteloiden ainutlaatuisen luonteen vuoksi, joissa juotospallot sijaitsevat sirun alla, perinteiset visuaaliset tarkastusmenetelmät eivät riitä. Tässä osiossa perehdytään BGA-juotosten laadun tarkastamiseen liittyviin erilaisiin tekniikoihin ja haasteisiin.

Haasteita BGA:n juotosliitostarkastuksessa

1. Luoksepääsemättömät juotosliitokset: Suurin haaste on BGA-juoteliitosten saavuttamattomuus. Toisin kuin läpireikä- tai pinta-asennuskomponenteissa, joissa juotosliitokset ovat esillä, BGA:ssa on juotospallot piilotettuina komponentin alle. Tämä tekee mahdottomaksi tarkastella niveliä visuaalisesti suoraan.
2. Rajoitettu tila: BGA:n kompakti muotoilu jättää vain vähän tilaa tarkastustyökaluille ja -tekniikoille. Tiukka juotospallojen välinen jako vaikeuttaa yksittäisten liitosten pääsyä ja tarkastamista.
3. Monimutkaisuus: Elektroniset laitteet sisältävät usein useita BGA:ita, joista jokaisessa on useita juotosliitoksia. Kaikkien näiden liitosten kattava ja tehokas tarkastus voi olla pelottava tehtävä.
4. Vian tunnistus: BGA-juoteliitoksissa olevien vikojen, kuten halkeamien, aukkojen tai epätäydellisen kastumisen, tunnistaminen vaatii erikoislaitteita ja asiantuntemusta.

BGA-juotosliitosten laadun ja luotettavuuden varmistaminen edellyttää tehokkaita tarkastustekniikoita. Lisätietoja on artikkelissa Hitsaustarkastusten tarve digitaalisella mikroskoopilla: Tarkastusmenetelmien selitys | Aktiiviaaltoinen digitaalinen mikroskooppi.

BGA-juoteliitoksen tarkastuksen tekniikat

Näiden haasteiden voittamiseksi on kehitetty erilaisia ​​tarkastustekniikoita ja työkaluja BGA-juoteliitosten laadun arvioimiseksi. Näitä menetelmiä ovat:

1. Röntgentarkastus:

Röntgentarkastus on yleisimmin käytetty menetelmä BGA-juoteliitoksen laadun arvioimiseksi. Se tarjoaa tuhoamattoman tavan nähdä BGA-paketin sisään ja arvioida juotosliitosten eheyttä. Röntgentutkimuksia on kahta päätyyppiä:

• 2D-röntgenkuvaus: Tämä tekniikka kaappaa 2D-röntgenkuvia BGA-kokoonpanosta. Se on kustannustehokas ja voi tunnistaa ongelmia, kuten tyhjiä paikkoja ja riittämättömän juotteen. Se voi kuitenkin kärsiä päällekkäisistä juotosvarjoista, kun komponentteja on piirilevyn molemmilla puolilla, mikä tekee virheiden tarkasta paikantamisesta haastavaa.
• Röntgentomografia: Röntgentomografia, joka tunnetaan myös nimellä 3D röntgen tai tietokonetomografia (CT), tarjoaa edistyneemmän ratkaisun. Se luo BGA:sta poikkileikkauskuvia, jotka mahdollistavat juotosliitosten yksityiskohtaisen analyysin kolmessa ulottuvuudessa. Tämä tekniikka tarjoaa erinomaisen vian havaitsemisen ja paikantamisen.

2. Optinen tarkastus:

Optiset tarkastusmenetelmät sisältävät kameroiden, mikroskooppien tai endoskooppien käytön BGA-juosliitosten visuaaliseen arvioimiseen. Vaikka optiset menetelmät eivät ole yhtä tehokkaita kuin röntgentutkimus, ne ovat arvokkaita pintavikojen ja epäsäännöllisyyksien tunnistamisessa. Ne eivät kuitenkaan välttämättä havaitse piilotettuja vikoja juotosliitoksissa.

3. Ultraäänitarkastus:

Ultraäänitarkastustekniikat käyttävät ääniaaltoja arvioimaan BGA-juoteliitosten rakenteellista eheyttä. Ultraääniaallot voivat tunkeutua pakkaukseen ja antaa tietoa sisäisestä rakenteesta, mukaan lukien onteloista tai delaminaatioista. Tämä menetelmä on erityisen hyödyllinen sellaisten vikojen havaitsemiseen, jotka vaikuttavat juotosliitosten mekaaniseen lujuuteen.

4. Lämpökuvaus:

Lämpökuvauskamerat voivat havaita lämpötilan vaihtelut BGA-kokoonpanossa uudelleenvirtausjuottamisen aikana. Lämpötilaprofiilien poikkeavuudet voivat viitata vioihin, kuten riittämättömään juotos- tai kylmäjuoteliitoksiin. Vaikka tämä menetelmä on tehokas valmistusprosessin aikana, se ei välttämättä sovellu juotoksen jälkeiseen tarkastukseen.

Automatisoitujen tarkastuslaitteiden rooli

Automaattisista tarkastuslaitteista on tullut välttämättömiä nykyaikaisessa elektroniikan valmistuksessa, erityisesti kun käsitellään monimutkaisia ​​BGA-kokoonpanoja. Nämä koneet voivat nopeasti skannata ja analysoida useita BGA:ita, mikä varmistaa yhdenmukaisen laadunvalvonnan. Automaattisten BGA-tarkastuslaitteiden tärkeimmät ominaisuudet ovat:

• Nopea skannaus: Automatisoidut järjestelmät voivat tarkastaa useita BGA:ita nopeasti, mikä vähentää tuotantoaikaa ja kustannuksia.
• Vian tunnistus: Kehittyneet konenäköjärjestelmät voivat tunnistaa ja luokitella vikoja suurella tarkkuudella, mukaan lukien aukot, halkeamat ja juotospallon epäsäännöllisyydet.
• Tietojen analysointi: Automatisoidut tarkastuslaitteet luovat kattavia raportteja ja tietoja, joiden avulla valmistajat voivat seurata vikoja, tunnistaa trendejä ja parantaa juotosprosessejaan.
• Integraation helppous: Nämä järjestelmät voidaan integroida saumattomasti tuotantolinjoihin, mikä virtaviivaistaa tarkastusprosessia.
• Laatuvakuutus: Automaattinen tarkastus minimoi inhimillisten virheiden riskin ja varmistaa tasaisen laadun kaikissa BGA:issa.

BGA-juoteliitosten hyväksymiskriteerit

Selkeät hyväksymiskriteerit ovat välttämättömiä BGA-juoteliitosten laadun arvioimiseksi tarkasti. IPC-A-610C tarjoaa erityisiä ohjeita BGA-juoteliitoksen hyväksymisestä. Suosituilla BGA-juoteliitoksilla tulee olla tietyt ominaisuudet: niiden tulee olla sileitä, pyöreitä, niissä on oltava selkeät rajat ja niissä ei saa olla onteloita. Kaikkien juotosliitosten halkaisijan, tilavuuden, harmaasävyjen ja kontrastin tulee olla yhdenmukaisia, ja niiden asennot on kohdistettu, ilman siirtymiä, kiertymiä tai juotospalloja.

Vaikka suositeltu standardi asettaa korkealle tasolle, päteviä juotosliitoksia koskevat hieman kevennetyt kriteerit. Kohdistetuissa asennoissa BGA-juoteliitoksen poikkeama voi olla jopa 25 % suhteessa tyynyyn. Juotospallo ei saa ylittää 25 % lähimpien juotospallojen välisestä etäisyydestä.

BGA-juoteliitosten tyypilliset viat

Hyväksymiskriteerien noudattamisesta huolimatta BGA-juoteliitoksissa voi esiintyä erilaisia ​​vikoja. Näitä vikoja ovat mm.

1. Juotosliitokset: Näitä esiintyy, kun juotos ei liity kunnolla, mikä johtaa aukipiireihin tai huonoihin liitäntöihin.
2. Avoimet piirit: Täydelliset katkokset juotosliitoksessa johtavat avoimiin piireihin, mikä häiritsee sähköliitäntää.
3. Puuttuvat juotospallot: Epätäydelliset tai puuttuvat juotospallot voivat aiheuttaa epäluotettavia liitoksia.
4. Suuret tyhjiöt: Juotosliitoksen sisällä olevat aukot voivat heikentää sen rakenteellista eheyttä ja mahdollisesti johtaa vaurioon.
5. Suuret juotospallot: Ylisuuret juotospallot voivat luoda epäsäännöllisiä liitoksia ja häiritä viereisiä komponentteja.
6. Sumeat reunat: Huonosti määritellyt juotosliitosrajat voivat viitata epäoptimaaliseen juottoon.

Kiistanalainen vika – mitätön

Yksi BGA-juoteliitosten näkökohta, joka on edelleen keskustelun aihe, on tyhjien tilojen hyväksymiskriteerit. Tyhjät ovat tyhjiä tiloja tai onteloita juotosliitoksessa. Vaikka ontelot eivät ole ainutlaatuisia BGA:lle ja voivat vaikuttaa muiden pakkaustyyppien juotosliitoksiin, ne asettavat erityisiä haasteita BGA:lle. Toisin kuin muut paketit, kaikki BGA-juoteliitokset ovat piilossa sirun alla, joten röntgentutkimus on ensisijainen menetelmä aukkojen havaitsemiseen.

Onteloiden vaikutus BGA:n luotettavuuteen on epävarma ja kiistanalainen. Jotkut väittävät, että pienet, väistämättömät aukot voivat itse asiassa parantaa luotettavuutta. IPC-7095-standardi, jonka otsikko on "Design and Assembly Process for Realizing BGA", tunnustaa rajallisten tyhjien tilojen mahdolliset edut, mutta korostaa määriteltyjen standardien tarvetta hyväksyttävien aukkokokojen määrittämiseksi.

Tyhjöiden sijainti ja syy

Tyhjät BGA-juoteliitoksissa voivat ilmetä kolmessa ensisijaisessa kerroksessa:

1. Komponenttikerros: Tämä kerros on lähinnä BGA-komponenttia, ja siinä on usein ilmakuplien tai haihtuneen vuokaasun aiheuttamia tyhjiä tiloja uudelleenvirtausjuottamisen aikana.
2. Pad Layer: Tämän kerroksen huokoset voivat johtua tyynylle levitetyn juotospastan juoksutteen haihtumisen seurauksena, jolloin kaasu pääsee karkaamaan ja muodostaa tyhjiä tiloja jäähtymisen jälkeen.
3. Juotospallokerros: Juotospalloissa voi tapahtua tyhjenemistä ennen juottamista, mahdollisesti juotospallon valmistusprosessin, juotospastan materiaaliongelmien tai piirilevyn suunnittelun vuoksi.

Jos esimerkiksi tyynyn alle on suunniteltu läpivientireikä, ulkopuolelta ilma voi päästä sulaan juotospalloon läpivientireiän kautta juottamisen aikana. Tämä voi luoda tyhjän juotospallon, kun juotosprosessi on valmis ja juote on jäähtynyt.

Uudelleenvirtauslämpötilaprofiililla juottamisen aikana on merkittävä rooli huokosten muodostumisessa. Eutektiset juotoskoostumukset, kuten 63 % Sn ja 37 % Pb, ovat herkempiä huokoille, kun taas juotospalloissa, joiden sulamispiste on korkea, kuten 10 % Pb ja 90 % Sn, sulamispiste 302 °C, on yleensä vähemmän tyhjiä tiloja, koska ne eivät sula virtausjuottoprosessin aikana.

Mitätöidyt hyväksymiskriteerit

Tyhjyys juotosliitoksessa voi johtaa jännitykseen lämpösyklin aikana, mikä saattaa aiheuttaa kutistumista ja laajenemista. Onteloiden sijainti ja koko voivat vaikuttaa juotosliitosten luotettavuuteen. Ontelot voivat kuitenkin myös vähentää mekaanista rasitusta tarjoamalla ylimääräistä tilaa juotosliitokselle.

IPC-7095 määrittelee erityiset hyväksymiskriteerit onteloille ottaen huomioon sekä niiden sijainnin että koon. Huolimatta niiden sijainnista juotospallossa, tyynykerroksessa tai komponenttikerroksessa, onteloiden koko ja määrä määräävät niiden vaikutuksen laatuun ja luotettavuuteen. Pienet ontelot juotospallojen sisällä ovat sallittuja, ja tyhjän tilan suhteellinen juotospallon tila on kriittinen tekijä. Esimerkiksi tyhjiö, jonka halkaisija on 50 % juotospallon halkaisijasta, vie 25 % juotospallon pinta-alasta.

IPC-standardit määrittelevät, että tyynykerroksessa olevat tyhjät tilat eivät saa ylittää 10 % juotepallon pinta-alasta. Yli 25 %:n tyhjiöt katsotaan viaksi, mikä vaarantaa mekaanisen ja sähköisen luotettavuuden. Jos tyhjiöt ovat 10–25 %, suositellaan prosessin parannuksia niiden poistamiseksi tai vähentämiseksi.

Päätelmät ja ehdotukset prosessin parantamiseksi

Onnistunut BGA-juotto edellyttää useita kriittisiä tekijöitä ja parhaiden käytäntöjen noudattamista. Juotosliitoksen laadun parantamiseksi ja vikojen minimoimiseksi on otettava huomioon seuraavat suositukset:

1. Juotospastan laatu: Varmista, että käytät tuoretta, tasaisesti sekoitettua juotospastaa tahnan ja komponenttien tarkalla sijoittelulla.
2. Komponenttien valmistus: Muovipakattujen PBGA-laitteiden esikuivaus 100°C:ssa 6-8 tuntia ennen juottamista, mieluiten typellä, voi olla hyödyllistä.
3. Reflow-lämpötilaprofiili: Suunnittele uudelleenvirtauslämpötilaprofiili huolellisesti varmistaaksesi tasaisen kuumennuksen ja täydellisen juotteen sulamisen. Riittämättömät lämpötilaprofiilit voivat johtaa kylmiin juotosliitoksiin tai epätäydelliseen sulamiseen.
4. Juotospastasovellus: Levitä viskositeetti huomioon ottaen sopiva määrä juotospastaa kiinnittääksesi laitteen väliaikaisesti ja estääksesi juotossillan muodostumisen.
5. Yhdenmukainen tyynyn muotoilu: Suunnittele tasakokoiset PCB-levyt BGA-pakkauksille ja vältä prosessien suunnittelua levyjen alla. Tapauksissa, joissa käsittelyt tyynyjen alla ovat välttämättömiä, käytä sopivaa piirilevyn valmistajaa ja varmista oikea läpivientireikien suunnittelu, jotta vältytään tinan määrässä ja korkeudessa suurten ja pienten tyynyjen välillä.
6. Juotosmaskin laatu: Ennen BGA-juottoa tarkista tyynyjen ympärillä olevan juotosmaskin laatu ja varmista, että läpiviennit on päällystetty suojakalvolla. Juotosestokalvon lisääminen piirilevyn vastakkaiselle puolelle tuotannon aikana on tehotonta ja voi johtaa ongelmiin, kuten virtuaalisiin oikosulkuihin ja oikosulkuihin.

Noudattamalla näitä suosituksia ja valmistautumalla perusteellisesti ennen BGA-juottamista vikoja voidaan minimoida ja saavuttaa korkea päästönopeus. Lopullisena tavoitteena on poistaa viat ilman uudelleenkäsittelyä, mikä varmistaa BGA-juoteliitosten korkeimman laadun ja luotettavuuden.

Jos tämä vaatimus vaikuttaa hankintaan tai tuotantoon, vertaa sitä piirilevyjen laadunvarmistusprosessiin sekä mikrovia- ja HDI-suunnitteluun ennen lopullisten tiedostojen lähettämistä tarkastettavaksi.