Defectanalyse en procesverbetering van BGA-soldeerverbindingen

Introductie

Ball Grid Array (BGA)-verpakkingen zijn uitgegroeid tot een cruciale technologie in de elektronica-industrie, vooral sinds de introductie ervan begin jaren negentig. Deze verpakkingsmethode werd noodzakelijk omdat het aantal apparaatpinnen in traditionele gelode verpakkingen toenam, waardoor de afstand tussen de pinnen aanzienlijk kleiner werd. Dit leidde tot uitdagingen op het gebied van maakbaarheid en betrouwbaarheid tijdens het solderen van apparaten, met een minimale tussenruimte van slechts 1990 mm (0.3 mil). Om deze problemen aan te pakken, is BGA-technologie ontwikkeld, waardoor een hoger aantal pins mogelijk is in vergelijking met Quad Flat Packages (QFP) van vergelijkbare grootte.

BGA-apparaten vertrouwen op soldeerballen onder de chip om als pinnen te dienen. De grotere steek van deze soldeerballen maakt de montage eenvoudiger, waardoor de soldeerkwalificatiepercentages en de succespercentages bij het eerste gebruik aanzienlijk worden verbeterd.

Er zijn twee veelvoorkomende typen BGA-verpakkingen: Plastic BGA (PBGA), die veel gebruikt wordt in consumenten- en communicatieproducten, en Ceramic BGA ( CBGA), die toegepast wordt in militaire toepassingen. De samenstelling van de soldeerballen in PBGA-componenten bestaat vaak uit 63% tin (Sn) en 37% lood (Pb) voor eutectisch soldeer, terwijl CBGA-componenten gebruikmaken van een niet-eutectisch soldeer dat bestand is tegen hoge temperaturen en bestaat uit 10% Pb en 90% Sn. De evolutie van de BGA-technologie heeft ook geleid tot de ontwikkeling van miniatuur-BGA's, ook wel microBGA's (μBGA) of Chip Scale Packages (CSP) genoemd, met nog kleinere afstanden tussen de soldeerballen, soms slechts 0.3 mm (12 mil), en soms zelfs maar 0.5 mm (12 mil).

Dit artikel onderzoekt de acceptatiecriteria, defectprestaties en betrouwbaarheid van BGA-soldeerverbindingen, met bijzondere aandacht voor een controversieel defect: holtes. Daarnaast zullen we procesverbeteringen voorstellen die gericht zijn op het verbeteren van de kwaliteit van BGA-soldeerverbindingen.

Inspectie van BGA-soldeerkwaliteit

Het controleren van de kwaliteit van soldeerverbindingen in Ball Grid Array (BGA)-componenten is cruciaal voor de betrouwbaarheid en functionaliteit van elektronische apparaten. Door de unieke eigenschappen van BGA-componenten, waarbij de soldeerballen zich onder de chip bevinden, zijn traditionele visuele inspectiemethoden onvoldoende. In dit hoofdstuk worden de verschillende technieken en uitdagingen besproken die gepaard gaan met het controleren van de soldeerkwaliteit van BGA-componenten.

Uitdagingen bij BGA-soldeerverbindingsinspectie

1. Ontoegankelijke soldeerverbindingen: De voornaamste uitdaging ligt in de ontoegankelijkheid van BGA-soldeerverbindingen. In tegenstelling tot componenten met doorlopende gaten of opbouwmontage waarbij soldeerverbindingen zichtbaar zijn, hebben BGA's soldeerballen verborgen onder de component. Dit maakt het onmogelijk om de gewrichten direct visueel te onderzoeken.
2. Beperkte ruimte: Het compacte ontwerp van BGA's laat weinig ruimte voor inspectietools en -technieken. De kleine afstand tussen de soldeerballen maakt het moeilijk om toegang te krijgen tot individuele verbindingen en deze te inspecteren.
3. complexiteit: Elektronische apparaten bevatten vaak meerdere BGA's, elk met talrijke soldeerverbindingen. Het uitgebreid en efficiënt inspecteren van al deze verbindingen kan een hele klus zijn.
4. Defectidentificatie: Het identificeren van defecten in BGA-soldeerverbindingen, zoals scheuren, holtes of onvolledige bevochtiging, vereist gespecialiseerde apparatuur en expertise.

Het waarborgen van de kwaliteit en betrouwbaarheid van BGA-soldeerverbindingen vereist effectieve inspectietechnieken. Raadpleeg voor meer informatie het artikel " De noodzaak van lasinspectie met een digitale microscoop: inspectiemethoden uitgelegd | Active Wave digitale microscoop".

Technieken voor BGA-soldeerverbindingsinspectie

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, zijn er verschillende inspectietechnieken en hulpmiddelen ontwikkeld om de kwaliteit van BGA-soldeerverbindingen te beoordelen. Deze methoden omvatten:

1. Röntgeninspectie:

Röntgeninspectie is de meest gebruikte methode voor het evalueren van de kwaliteit van de BGA-soldeerverbindingen. Het biedt een niet-destructieve manier om in het BGA-pakket te kijken en de integriteit van soldeerverbindingen te beoordelen. Er zijn twee hoofdtypen röntgeninspectie:

• 2D röntgenradiografie: Met deze techniek worden 2D-röntgenbeelden van de BGA-assemblage vastgelegd. Het is kosteneffectief en kan problemen zoals holtes en onvoldoende soldeer identificeren. Het kan echter last hebben van overlappende soldeerschaduwen wanneer componenten aan beide zijden van de PCB aanwezig zijn, waardoor het een uitdaging wordt om defecten nauwkeurig te lokaliseren.
• Röntgentomografie: Röntgentomografie, ook wel 3D-röntgen- of computertomografie (CT) genoemd, biedt een geavanceerdere oplossing. Het creëert dwarsdoorsnedebeelden van de BGA, waardoor gedetailleerde analyse van soldeerverbindingen in drie dimensies mogelijk is. Deze techniek biedt superieure detectie en lokalisatie van defecten.

2. Optische inspectie:

Optische inspectiemethoden omvatten het gebruik van camera's, microscopen of endoscopen om BGA-soldeerverbindingen visueel te beoordelen. Hoewel ze niet zo krachtig zijn als röntgeninspectie, zijn optische methoden waardevol voor het identificeren van oppervlaktedefecten en onregelmatigheden. Het is echter mogelijk dat ze verborgen defecten in soldeerverbindingen niet detecteren.

3. Ultrasone inspectie:

Ultrasone inspectietechnieken maken gebruik van geluidsgolven om de structurele integriteit van BGA-soldeerverbindingen te evalueren. Ultrasone golven kunnen de verpakking binnendringen en informatie verschaffen over de interne structuur, inclusief de aanwezigheid van holtes of delaminaties. Deze methode is vooral nuttig voor het opsporen van defecten die de mechanische sterkte van soldeerverbindingen beïnvloeden.

4. Thermische beeldvorming:

Warmtebeeldcamera's kunnen tijdens reflow-solderen temperatuurvariaties in de BGA-assemblage detecteren. Afwijkingen in temperatuurprofielen kunnen wijzen op defecten zoals onvoldoende soldeer- of koude soldeerverbindingen. Hoewel deze methode effectief is tijdens het productieproces, is deze mogelijk niet geschikt voor inspectie na het solderen.

De rol van geautomatiseerde inspectieapparatuur

Geautomatiseerde inspectieapparatuur is essentieel geworden in de moderne elektronicaproductie, vooral als het gaat om complexe BGA-assemblages. Deze machines kunnen snel meerdere BGA's scannen en analyseren, waardoor een consistente kwaliteitscontrole wordt gegarandeerd. De belangrijkste kenmerken van geautomatiseerde BGA-inspectieapparatuur zijn onder meer:

• Scannen op hoge snelheid: Geautomatiseerde systemen kunnen talloze BGA's snel inspecteren, waardoor de productietijd en -kosten worden verminderd.
• Defectherkenning: Geavanceerde machine vision-systemen kunnen defecten met hoge nauwkeurigheid identificeren en classificeren, inclusief holtes, scheuren en onregelmatigheden in de soldeerbal.
• Data analyse: Geautomatiseerde inspectieapparatuur genereert uitgebreide rapporten en gegevens, waardoor fabrikanten defecten kunnen opsporen, trends kunnen identificeren en hun soldeerprocessen kunnen verbeteren.
• Eenvoudige integratie: Deze systemen kunnen naadloos worden geïntegreerd in productielijnen, waardoor het inspectieproces wordt gestroomlijnd.
• Kwaliteitsverzekering: Geautomatiseerde inspectie minimaliseert het risico op menselijke fouten en zorgt voor een consistente kwaliteit in alle BGA's.

Acceptatiecriteria voor BGA-soldeerverbindingen

Om de kwaliteit van BGA-soldeerverbindingen nauwkeurig te kunnen beoordelen, zijn duidelijke acceptatiecriteria essentieel. IPC-A-610C biedt specifieke richtlijnen voor de acceptatie van BGA-soldeerverbindingen. De geprefereerde BGA-soldeerverbindingen moeten bepaalde kenmerken vertonen: ze moeten glad en rond zijn, duidelijke grenzen hebben en vrij zijn van holtes. De diameter, het volume, de grijstinten en het contrast van alle soldeerverbindingen moeten consistent zijn, met uitgelijnde posities, zonder offset, draaiing of soldeerbolletjes.

Hoewel de voorkeursnorm de lat hoog legt, gelden er enigszins versoepelde criteria voor gekwalificeerde soldeerverbindingen. Voor uitgelijnde posities kan een BGA-soldeerverbinding een offset van maximaal 25% hebben ten opzichte van het kussen. De soldeerkogel mag niet groter zijn dan 25% van de afstand tussen de dichtstbijzijnde soldeerkogels.

Typische defecten van BGA-soldeerverbindingen

Ondanks het naleven van de acceptatiecriteria kunnen BGA-soldeerverbindingen verschillende gebreken vertonen. Deze gebreken omvatten:

1. Soldeerverbindingen: Deze treden op wanneer het soldeersel niet goed hecht, wat resulteert in open circuits of slechte verbindingen.
2. Open circuits: Volledige breuken in de soldeerverbinding leiden tot open circuits, waardoor de elektrische connectiviteit wordt verstoord.
3. Ontbrekende soldeerballen: Onvolledige of ontbrekende soldeerbolletjes kunnen tot onbetrouwbare verbindingen leiden.
4. Grote leegtes: Holten in de soldeerverbinding kunnen de structurele integriteit ervan verzwakken en mogelijk tot defecten leiden.
5. Grote soldeerballen: Te grote soldeerballen kunnen onregelmatige verbindingen veroorzaken en aangrenzende componenten verstoren.
6. Vage randen: Slecht gedefinieerde soldeernaadgrenzen kunnen duiden op suboptimaal solderen.

Een controversieel defect – ongeldig

Een aspect van BGA-soldeerverbindingen dat onderwerp van discussie blijft, zijn de acceptatiecriteria voor holtes. Holten zijn lege ruimtes of holtes in de soldeerverbinding. Hoewel holtes niet uniek zijn voor BGA's en soldeerverbindingen in andere verpakkingstypen kunnen aantasten, vormen ze bijzondere uitdagingen voor BGA's. In tegenstelling tot andere pakketten zijn alle BGA-soldeerverbindingen verborgen onder de chip, waardoor röntgeninspectie de belangrijkste methode is voor detectie van holtes.

De impact van leemtes op de betrouwbaarheid van BGA's is een kwestie van onzekerheid en controverse. Sommigen beweren dat kleine, onvermijdelijke holtes de betrouwbaarheid daadwerkelijk kunnen vergroten. De IPC-7095-standaard, getiteld ‘Design and Assembly Process for Realizing BGA’, erkent de potentiële voordelen van beperkte vides, maar benadrukt de noodzaak van gedefinieerde standaarden om aanvaardbare videgroottes te bepalen.

De positie en oorzaak van leegtes

Holten in BGA-soldeerverbindingen kunnen zich in drie primaire lagen manifesteren:

1. Componentenlaag: Deze laag bevindt zich het dichtst bij de BGA-component en vertoont vaak holtes als gevolg van luchtbellen of vervluchtigd fluxgas tijdens reflow-solderen.
2. Padlaag: Holten in deze laag kunnen het gevolg zijn van de vervluchtiging van de flux in de soldeerpasta die op het kussentje wordt aangebracht, waardoor gas ontsnapt en na afkoeling holten vormen.
3. Soldeerballaag: Het kan voorkomen dat soldeerballen leeglopen vóór het solderen, mogelijk als gevolg van het productieproces van de soldeerballen, problemen met het materiaal van de soldeerpasta of het ontwerp van de printplaat.

Als er bijvoorbeeld een via-gat onder het kussen is ontworpen, kan tijdens het solderen lucht van buitenaf via het via-gat in de gesmolten soldeerbal binnendringen. Hierdoor kan er een leegte in de soldeerbal ontstaan ​​zodra het soldeerproces is voltooid en het soldeer is afgekoeld.

Het reflow-temperatuurprofiel tijdens het solderen speelt een belangrijke rol bij de vorming van holtes. Eutectische soldeersamenstellingen zoals 63% Sn en 37% Pb zijn gevoeliger voor holtes, terwijl soldeerballen met een samenstelling met een hoog smeltpunt zoals 10% Pb en 90% Sn, met een smeltpunt van 302°C, de neiging hebben minder te vertonen holtes omdat ze niet smelten tijdens het soldeerproces.

Ongeldige acceptatiecriteria

De aanwezigheid van holtes in een soldeerverbinding kan leiden tot spanning tijdens thermische cycli, waardoor mogelijk krimp en uitzetting ontstaat. De locatie en grootte van holtes kunnen de betrouwbaarheid van soldeerverbindingen beïnvloeden. Holten kunnen echter ook de mechanische spanning verminderen door extra ruimte binnen de soldeerverbinding te creëren.

IPC-7095 schetst specifieke acceptatiecriteria voor holtes, rekening houdend met zowel hun positie als hun grootte. Ongeacht hun locatie binnen de soldeerbal, padlaag of componentlaag, bepalen de grootte en hoeveelheid van de holtes hun impact op de kwaliteit en betrouwbaarheid. Kleine holtes in soldeerballen zijn toegestaan, waarbij de ruimte van de holte ten opzichte van de ruimte van de soldeerbol als kritische factor dient. Een leegte met een diameter van 50% van de diameter van de soldeerbal beslaat bijvoorbeeld 25% van het oppervlak van de soldeerbal.

IPC-normen specificeren dat holtes in de padlaag niet groter mogen zijn dan 10% van het oppervlak van de soldeerbal. Leegtes van meer dan 25% worden beschouwd als defecten en vormen een risico voor de mechanische en elektrische betrouwbaarheid. Voor holtes die binnen het bereik van 10% tot 25% vallen, worden procesverbeteringen aanbevolen om deze te elimineren of te verminderen.

Conclusie en suggesties voor procesverbetering

Om succesvol BGA-solderen te bereiken, zijn verschillende kritische factoren en het naleven van best practices betrokken. Om de kwaliteit van de soldeerverbinding te verbeteren en defecten te minimaliseren, moeten de volgende aanbevelingen in acht worden genomen:

1. Kwaliteit van soldeerpasta: Zorg voor het gebruik van verse, gelijkmatig geroerde soldeerpasta met nauwkeurige positionering van de pasta en componenten.
2. Component voorbereiding: Voor in plastic verpakte PBGA-apparaten kan het nuttig zijn om 100-6 uur voor te drogen bij 8°C voordat u gaat solderen, bij voorkeur met stikstof.
3. Reflow-temperatuurprofiel: Ontwerp het reflow-temperatuurprofiel zorgvuldig om een ​​gelijkmatige verwarming en volledig smelten van het soldeer te garanderen. Ontoereikende temperatuurprofielen kunnen leiden tot koude soldeerverbindingen of onvolledig smelten.
4. Toepassing soldeerpasta: Breng een geschikte hoeveelheid soldeerpasta aan, rekening houdend met de viscositeit, om het apparaat tijdelijk vast te zetten en soldeerbruggen te voorkomen.
5. Uniform padontwerp: Ontwerp PCB-pads voor BGA-pakketten met uniforme afmetingen en vermijd ontwerpprocessen onder de pads. In gevallen waarin processen onder de pads nodig zijn, gebruik dan een geschikte PCB-fabrikant en zorg voor een goed ontwerp van de via-gaten om verschillen in tinhoeveelheid en hoogte tussen grote en kleine pads te voorkomen.
6. Soldeermaskerkwaliteit: Controleer vóór het BGA-solderen de kwaliteit van het soldeermasker rond de pads en zorg ervoor dat de via's zijn bedekt met een barrièrefilm. Het toevoegen van soldeerbeschermingsfilm aan de andere kant van de PCB tijdens de productie is niet effectief en kan leiden tot problemen zoals virtuele kortsluiting en kortsluiting.

Door deze aanbevelingen op te volgen en u grondig voor te bereiden voordat u met BGA-solderen begint, kunnen defecten tot een minimum worden beperkt en kan een hoog slagingspercentage worden bereikt. Het uiteindelijke doel is om defecten te elimineren zonder toevlucht te nemen tot herbewerking, waardoor het hoogste niveau van kwaliteit en betrouwbaarheid in BGA-soldeerverbindingen wordt gegarandeerd.

Als deze eis van invloed is op de inkoop of de productievrijgave, vergelijk deze dan met het kwaliteitscontroleproces van de printplaat en het ontwerp van de microvia's en HDI's voordat u de definitieve bestanden ter beoordeling verzendt.