Analiza defektów i doskonalenie procesu połączeń lutowanych BGA

Wprowadzenie

Obudowa Ball Grid Array (BGA) stała się kluczową technologią w przemyśle elektronicznym, szczególnie od czasu jej wprowadzenia na początku lat 1990. XX wieku. Ta metoda pakowania stała się konieczna, ponieważ liczba pinów urządzeń w tradycyjnych obudowach z wyprowadzeniami wzrosła, co spowodowało znaczne zmniejszenie odstępu między wyprowadzeniami. Doprowadziło to do wyzwań w zakresie możliwości produkcji i niezawodności podczas lutowania urządzeń, przy czym minimalny odstęp wynosił zaledwie 0.3 mm (12 mil). Aby rozwiązać te problemy, opracowano technologię BGA, umożliwiającą większą liczbę pinów w porównaniu z podobnymi rozmiarami obudów Quad Flat (QFP).

Urządzenia BGA opierają się na kulkach lutowniczych pod chipem, które służą jako ich piny. Większy skok tych kulek lutowniczych ułatwia montaż, znacznie poprawiając wskaźniki kwalifikacji lutowania i wskaźniki sukcesu za pierwszym razem.

Dwa popularne typy obudów BGA to plastikowe BGA (PBGA), powszechnie stosowane w produktach konsumenckich i komunikacyjnych, oraz ceramiczne BGA ( CBGA), stosowane w zastosowaniach wojskowych. Skład kulki lutowniczej często zawiera 63% cyny (Sn) i 37% ołowiu (Pb) w przypadku lutu eutektycznego w układach PBGA, podczas gdy w układach CBGA stosuje się lut nieeutektyczny wysokotemperaturowy, składający się z 10% Pb i 90% Sn. Rozwój technologii BGA doprowadził również do rozwoju miniaturowych układów BGA, zwanych mikroBGA (μBGA) lub pakietami CSP (Chip Scale Packages), z jeszcze mniejszymi odstępami między kulkami lutowniczymi, wynoszącymi zaledwie 0.3 mm (12 mil) i zaledwie 0.5 mm (12 mil).

W tym artykule omówiono kryteria akceptacji, wydajność defektów i niezawodność połączeń lutowanych BGA, ze szczególnym uwzględnieniem kontrowersyjnego defektu – pustych przestrzeni. Ponadto zaproponujemy usprawnienia procesu mające na celu poprawę jakości połączeń lutowanych BGA.

Kontrola jakości lutowania BGA

Kontrola jakości połączeń lutowniczych układów BGA (Bul Grid Array) jest kluczowym aspektem zapewnienia niezawodności i funkcjonalności urządzeń elektronicznych. Ze względu na specyfikę obudów BGA, w których kulki lutownicze są umieszczane pod układem scalonym, tradycyjne metody kontroli wizualnej są niewystarczające. W tej sekcji omówimy różne techniki i wyzwania związane z kontrolą jakości lutowania układów BGA.

Wyzwania w inspekcji połączeń lutowanych BGA

1. Niedostępne połączenia lutowane: Głównym wyzwaniem jest niedostępność połączeń lutowanych BGA. W przeciwieństwie do elementów przewlekanych lub montowanych powierzchniowo, w których połączenia lutowane są odsłonięte, BGA mają kulki lutownicze ukryte pod elementem. Uniemożliwia to bezpośrednie wizualne zbadanie połączeń.
2. Limitowana przestrzeń: Kompaktowa konstrukcja BGA pozostawia niewiele miejsca na narzędzia i techniki inspekcyjne. Ciasny odstęp między kulkami lutowniczymi utrudnia dostęp i inspekcję poszczególnych połączeń.
3. Złożoność: Urządzenia elektroniczne często zawierają wiele układów BGA, każdy z licznymi złączami lutowniczymi. Kompleksowe i wydajne sprawdzenie wszystkich tych złączy może być zniechęcającym zadaniem.
4. Identyfikacja wady: Identyfikacja uszkodzeń połączeń lutowanych BGA, takich jak pęknięcia, puste przestrzenie czy niepełne zwilżenie, wymaga specjalistycznego sprzętu i wiedzy.

Zapewnienie jakości i niezawodności połączeń lutowanych BGA wymaga skutecznych technik kontroli. Więcej informacji można znaleźć w artykule „ Potrzeba kontroli spoin za pomocą mikroskopu cyfrowego: Wyjaśnienie metod kontroli | Mikroskop cyfrowy z falą aktywną”.

Techniki kontroli połączeń lutowanych BGA

Aby przezwyciężyć te wyzwania, opracowano różne techniki i narzędzia inspekcyjne do oceny jakości połączeń lutowanych BGA. Metody te obejmują:

1. Badanie rentgenowskie:

Kontrola rentgenowska jest najpowszechniej stosowaną metodą oceny jakości połączeń lutowanych BGA. Zapewnia nieniszczący sposób na zajrzenie do wnętrza obudowy BGA i ocenę integralności połączeń lutowanych. Istnieją dwa główne typy kontroli rentgenowskiej:

• Radiografia rentgenowska 2D: Ta technika rejestruje dwuwymiarowe obrazy rentgenowskie zespołu BGA. Jest opłacalna i może identyfikować problemy, takie jak puste przestrzenie i niewystarczająca ilość lutu. Może jednak powodować nakładanie się cieni lutu, gdy komponenty są obecne po obu stronach płytki PCB, co utrudnia dokładne zlokalizowanie defektów.
• Tomografia rentgenowska: Tomografia rentgenowska, znana również jako 3D X-ray lub tomografia komputerowa (CT), oferuje bardziej zaawansowane rozwiązanie. Tworzy obrazy przekrojowe BGA, umożliwiając szczegółową analizę połączeń lutowanych w trzech wymiarach. Ta technika oferuje lepszą detekcję i lokalizację defektów.

2. Kontrola optyczna:

Metody optycznej inspekcji obejmują użycie kamer, mikroskopów lub endoskopów do wizualnej oceny połączeń lutowanych BGA. Choć nie są tak skuteczne jak inspekcja rentgenowska, metody optyczne są cenne w identyfikacji defektów powierzchni i nieprawidłowości. Mogą jednak nie wykryć ukrytych defektów w połączeniach lutowanych.

3. Kontrola ultradźwiękowa:

Techniki inspekcji ultradźwiękowej wykorzystują fale dźwiękowe do oceny integralności strukturalnej połączeń lutowanych BGA. Fale ultradźwiękowe mogą przenikać przez obudowę i dostarczać informacji o strukturze wewnętrznej, w tym o obecności pustych przestrzeni lub rozwarstwień. Ta metoda jest szczególnie przydatna do wykrywania defektów, które wpływają na wytrzymałość mechaniczną połączeń lutowanych.

4. Obrazowanie termowizyjne:

Kamery termowizyjne mogą wykrywać zmiany temperatury w całym zespole BGA podczas lutowania rozpływowego. Anomalie w profilach temperaturowych mogą wskazywać na wady, takie jak niewystarczająca ilość lutu lub zimne połączenia lutownicze. Chociaż ta metoda jest skuteczna w trakcie procesu produkcyjnego, może nie nadawać się do kontroli po lutowaniu.

Rola zautomatyzowanego sprzętu inspekcyjnego

Zautomatyzowany sprzęt inspekcyjny stał się niezbędny w nowoczesnej produkcji elektroniki, zwłaszcza w przypadku złożonych zespołów BGA. Maszyny te mogą szybko skanować i analizować wiele układów BGA, zapewniając spójną kontrolę jakości. Kluczowe cechy zautomatyzowanego sprzętu inspekcyjnego BGA obejmują:

• Szybkie skanowanie: Zautomatyzowane systemy mogą szybko sprawdzić wiele układów BGA, co skraca czas i obniża koszty produkcji.
• Rozpoznawanie wad: Zaawansowane systemy wizyjne umożliwiają identyfikację i klasyfikację usterek z dużą dokładnością, w tym pustych przestrzeni, pęknięć i nieprawidłowości w kształcie kulek lutowniczych.
• Analiza danych: Zautomatyzowany sprzęt kontrolny generuje kompleksowe raporty i dane, umożliwiając producentom śledzenie wad, identyfikację trendów i usprawnianie procesów lutowania.
• Łatwość integracji: Systemy te można bezproblemowo zintegrować z liniami produkcyjnymi, usprawniając proces kontroli.
• Zapewnienie jakości: Zautomatyzowana kontrola minimalizuje ryzyko błędu ludzkiego i gwarantuje spójną jakość wszystkich układów BGA.

Kryteria akceptacji dla połączeń lutowanych BGA

Aby dokładnie ocenić jakość połączeń lutowanych BGA, niezbędne są jasne kryteria akceptacji. Norma IPC-A-610C zawiera szczegółowe wytyczne dotyczące akceptacji połączeń lutowanych BGA. Preferowane połączenia lutowane BGA powinny wykazywać pewne cechy: powinny być gładkie, okrągłe, mieć wyraźne granice i być wolne od pustych przestrzeni. Średnica, objętość, skala szarości i kontrast wszystkich połączeń lutowanych powinny być spójne, z wyrównanymi pozycjami, bez przesunięć, skręceń lub kulek lutowniczych.

Podczas gdy preferowany standard stawia wysokie wymagania, w przypadku kwalifikowanych połączeń lutowanych stosuje się nieco łagodniejsze kryteria. W przypadku wyrównanych pozycji połączenie lutowane BGA może mieć przesunięcie do 25% względem padu. Kulka lutownicza nie powinna przekraczać 25% odległości między najbliższymi kulkami lutowniczymi.

Typowe wady połączeń lutowanych BGA

Pomimo przestrzegania kryteriów akceptacji, połączenia lutowane BGA mogą wykazywać różne wady. Wady te obejmują:

1. Połączenia lutowane:Dzieje się tak, gdy lut nie łączy się prawidłowo, co powoduje przerwy w obwodach lub słabe połączenia.
2. Obwody otwarte:Całkowite przerwanie połączenia lutowanego prowadzi do otwarcia obwodów, zakłócając łączność elektryczną.
3. Brakujące kulki lutownicze:Niekompletne lub brakujące kulki lutownicze mogą powodować niestabilne połączenia.
4. Duże pustki:Pusty w spoinie lutowniczej mogą osłabić jej integralność strukturalną i potencjalnie doprowadzić do awarii.
5. Duże kulki lutownicze: Zbyt duże kulki lutownicze mogą powodować powstawanie nieregularnych połączeń i kolidować z sąsiednimi elementami.
6. Rozmyte krawędzie:Źle zdefiniowane granice spoin lutowniczych mogą wskazywać na nieoptymalne lutowanie.

Kontrowersyjna wada – pustka

Jednym z aspektów połączeń lutowniczych BGA, który pozostaje przedmiotem debaty, są kryteria akceptacji pustych przestrzeni. Puste przestrzenie to puste przestrzenie lub wnęki w połączeniu lutowniczym. Podczas gdy puste przestrzenie nie są unikalne dla BGA i mogą wpływać na połączenia lutownicze w innych typach opakowań, stanowią szczególne wyzwanie dla BGA. W przeciwieństwie do innych opakowań, wszystkie połączenia lutownicze BGA są ukryte pod chipem, co sprawia, że ​​kontrola rentgenowska jest podstawową metodą wykrywania pustych przestrzeni.

Wpływ pustych przestrzeni na niezawodność układów BGA jest kwestią niepewności i sporów. Niektórzy twierdzą, że małe, nieuniknione puste przestrzenie mogą faktycznie zwiększać niezawodność. Norma IPC-7095 zatytułowana „Proces projektowania i montażu w celu realizacji układów BGA” uznaje potencjalne korzyści wynikające z ograniczonej liczby pustych przestrzeni, ale podkreśla potrzebę zdefiniowanych norm w celu określenia dopuszczalnych rozmiarów pustych przestrzeni.

Pozycja i przyczyna powstawania pustych przestrzeni

Pustki w połączeniach lutowniczych BGA mogą ujawniać się w trzech głównych warstwach:

1. Warstwa komponentów:Ta warstwa znajduje się najbliżej elementu BGA i często powstają w niej puste przestrzenie spowodowane pęcherzykami powietrza lub ulatniającym się gazem topnikowym podczas lutowania rozpływowego.
2. Warstwa podkładki:Pusty w tej warstwie mogą być wynikiem ulatniania się topnika w paście lutowniczej nałożonej na pad, co powoduje ucieczkę gazu i tworzenie się pustych przestrzeni po ostygnięciu.
3. Warstwa kulki lutowniczej:Puste przestrzenie w kulkach lutowniczych mogą powstać przed lutowaniem, potencjalnie z powodu procesu produkcyjnego kulek lutowniczych, problemów z materiałem pasty lutowniczej lub konstrukcją płytki drukowanej.

Na przykład, jeśli otwór przelotowy jest zaprojektowany pod padem, powietrze z zewnątrz może dostać się do stopionej kulki lutowniczej przez otwór przelotowy podczas lutowania. Może to spowodować powstanie pustki w kulce lutowniczej po zakończeniu procesu lutowania i ostygnięciu lutu.

Profil temperatury reflow podczas lutowania odgrywa znaczącą rolę w tworzeniu się pustych przestrzeni. Eutektyczne składy lutownicze, takie jak 63% Sn i 37% Pb, są bardziej podatne na powstawanie pustych przestrzeni, podczas gdy kulki lutownicze o składzie o wysokiej temperaturze topnienia, takie jak 10% Pb i 90% Sn, o temperaturze topnienia 302°C, mają tendencję do wykazywania mniejszej liczby pustych przestrzeni, ponieważ nie topią się podczas procesu lutowania przepływowego.

Kryteria akceptacji nieważności

Obecność pustych przestrzeni w spoinie lutowniczej może prowadzić do naprężeń podczas cyklu termicznego, potencjalnie powodując kurczenie się i rozszerzanie. Lokalizacja i rozmiar pustych przestrzeni mogą mieć wpływ na niezawodność spoin lutowniczych. Jednak puste przestrzenie mogą również zmniejszać naprężenia mechaniczne, zapewniając dodatkową przestrzeń w spoinie lutowniczej.

Norma IPC-7095 określa szczegółowe kryteria akceptacji dla pustych przestrzeni, biorąc pod uwagę zarówno ich położenie, jak i rozmiar. Niezależnie od ich położenia w obrębie kulki lutowniczej, warstwy padu lub warstwy komponentu, rozmiar i ilość pustych przestrzeni determinują ich wpływ na jakość i niezawodność. Małe puste przestrzenie wewnątrz kulek lutowniczych są dopuszczalne, przy czym przestrzeń pustej przestrzeni w stosunku do przestrzeni kulki lutowniczej stanowi czynnik krytyczny. Na przykład pusta przestrzeń o średnicy wynoszącej 50% średnicy kulki lutowniczej zajmuje 25% powierzchni kulki lutowniczej.

Normy IPC określają, że puste przestrzenie w warstwie padu nie powinny przekraczać 10% powierzchni kulki lutowniczej. Puste przestrzenie przekraczające 25% są uważane za wady, stwarzające ryzyko dla niezawodności mechanicznej i elektrycznej. W przypadku pustych przestrzeni mieszczących się w zakresie od 10% do 25% zaleca się udoskonalenie procesu w celu ich wyeliminowania lub zmniejszenia.

Wnioski i sugestie dotyczące usprawnienia procesu

Osiągnięcie udanego lutowania BGA wymaga kilku krytycznych czynników i przestrzegania najlepszych praktyk. Aby poprawić jakość połączenia lutowanego i zminimalizować wady, należy wziąć pod uwagę następujące zalecenia:

1. Jakość pasty lutowniczej: Należy zadbać o stosowanie świeżej, równomiernie wymieszanej pasty lutowniczej oraz o dokładne rozmieszczenie pasty i komponentów.
2. Przygotowanie komponentów:W przypadku układów PBGA w opakowaniach z tworzywa sztucznego korzystne może być wstępne suszenie w temperaturze 100°C przez 6–8 godzin przed lutowaniem, najlepiej w atmosferze azotu.
3. Profil temperatury reflow: Starannie zaprojektuj profil temperatury reflow, aby zapewnić równomierne nagrzewanie i całkowite stopienie lutu. Nieodpowiednie profile temperatury mogą prowadzić do zimnych połączeń lutowniczych lub niepełnego stopienia.
4. Aplikacja pasty lutowniczej: Nanieść odpowiednią ilość pasty lutowniczej, biorąc pod uwagę jej lepkość, aby tymczasowo zabezpieczyć urządzenie i zapobiec tworzeniu się mostków lutowniczych.
5. Jednolita konstrukcja podkładki: Projektuj pady PCB dla pakietów BGA o jednolitych rozmiarach i unikaj projektowania procesów pod padami. W przypadkach, gdy procesy pod padami są konieczne, skorzystaj z usług odpowiedniego producenta PCB i zapewnij właściwą konstrukcję otworu przelotowego, aby zapobiec różnicom w ilości cyny i wysokości między dużymi i małymi padami.
6. Jakość maski lutowniczej: Przed lutowaniem BGA sprawdź jakość maski lutowniczej wokół padów i upewnij się, że przelotki są pokryte warstwą barierową. Dodanie warstwy lutowniczej po przeciwnej stronie PCB podczas produkcji jest nieskuteczne i może prowadzić do problemów, takich jak wirtualne zwarcia i krótkie spięć.

Dzięki zastosowaniu się do tych zaleceń i dokładnemu przygotowaniu przed lutowaniem BGA można zminimalizować wady i osiągnąć wysoki wskaźnik powodzenia. Ostatecznym celem jest wyeliminowanie wad bez uciekania się do przeróbek, zapewniając najwyższy poziom jakości i niezawodności połączeń lutowanych BGA.

Jeżeli wymagania te mają wpływ na zaopatrzenie lub uruchomienie produkcji, przed wysłaniem plików końcowych do oceny należy je porównać z procesem zapewnienia jakości PCB oraz projektem mikroprzelotek i HDI .