Анализ дефектов и улучшение процесса паяных соединений BGA

Введение

Упаковка Ball Grid Array (BGA) стала важнейшей технологией в электронной промышленности, особенно с момента ее появления в начале 1990-х годов. Этот метод упаковки стал необходим, поскольку количество контактов устройства в традиционных корпусах с выводами увеличилось, в результате чего расстояние между выводами значительно уменьшилось. Это привело к проблемам с технологичностью и надежностью при пайке устройств, поскольку минимальное расстояние достигало всего 0.3 мм (12 мил). Для решения этих проблем была разработана технология BGA, позволяющая увеличить количество контактов по сравнению с корпусами Quad Flat (QFP) аналогичного размера.

В устройствах BGA в качестве контактов используются шарики припоя под чипом. Больший шаг шариков припоя облегчает сборку, значительно повышая уровень квалификации паяльщиков и процент успешных результатов с первого раза.

Существует два распространенных типа корпусов BGA: пластиковые BGA (PBGA), широко используемые в потребительских и коммуникационных продуктах, и керамические BGA ( CBGA), применяемые в военной сфере. В устройствах PBGA состав припоя часто включает 63% олова (Sn) и 37% свинца (Pb) для эвтектического припоя, в то время как в устройствах CBGA используется высокотемпературный неэвтектический припой, состоящий из 10% Pb и 90% Sn. Развитие технологии BGA также привело к разработке миниатюрных BGA, называемых микроBGA (μBGA) или корпусами масштаба чипа (CSP), с еще меньшим шагом припоя — всего 0.3 мм (12 мил) и расстоянием между припоями — всего 0.5 мм (12 мил).

В этой статье рассматриваются критерии приемки, характеристики дефектов и надежность паяных соединений BGA, уделяя особое внимание спорному дефекту – пустотам. Кроме того, мы предложим усовершенствования процесса, направленные на повышение качества паяных соединений BGA.

Проверка качества пайки BGA

Проверка качества паяных соединений в корпусах BGA (Ball Grid Array) является критически важным аспектом обеспечения надежности и функциональности электронных устройств. Из-за уникальной природы корпусов BGA, где шарики припоя расположены под микросхемой, традиционные методы визуального контроля недостаточны. В этом разделе будут рассмотрены различные методы и проблемы, связанные с проверкой качества пайки BGA.

Проблемы при проверке паяных соединений BGA

1. Недоступные паяные соединения: Основная проблема заключается в недоступности паяных соединений BGA. В отличие от компонентов для сквозного монтажа или поверхностного монтажа, где паяные соединения открыты, у BGA шарики припоя спрятаны под компонентом. Это делает невозможным непосредственный визуальный осмотр стыков.
2. Ограниченное пространство: Компактная конструкция BGA оставляет мало места для инструментов и методов проверки. Малый шаг между шариками припоя затрудняет доступ и проверку отдельных соединений.
3. Сложность: Электронные устройства часто содержат несколько BGA, каждый из которых имеет множество паяных соединений. Комплексная и эффективная проверка всех этих соединений может оказаться непростой задачей.
4. Идентификация дефекта: Выявление дефектов паяных соединений BGA, таких как трещины, пустоты или неполное смачивание, требует специального оборудования и опыта.

Для обеспечения качества и надежности паяных соединений BGA необходимы эффективные методы контроля. Более подробную информацию можно найти в статье « Необходимость контроля сварных швов с помощью цифрового микроскопа: объяснение методов контроля | Цифровой микроскоп Active Wave».

Методы проверки паяных соединений BGA

Чтобы преодолеть эти проблемы, были разработаны различные методы и инструменты проверки качества паяных соединений BGA. Эти методы включают в себя:

1. Рентгеновское обследование:

Рентгеновский контроль является наиболее широко используемым методом оценки качества паяных соединений BGA. Он обеспечивает неразрушающий способ заглянуть внутрь корпуса BGA и оценить целостность паяных соединений. Существует два основных типа рентгеновского контроля:

• 2D рентгенография: Этот метод позволяет получить 2D-рентгеновские изображения сборки BGA. Это экономически эффективно и позволяет выявить такие проблемы, как пустоты и недостаточный припой. Однако может возникнуть проблема с перекрывающимися тенями припоя, когда компоненты присутствуют на обеих сторонах печатной платы, что затрудняет точное обнаружение дефектов.
• Рентгеновская томография: Рентгеновская томография, также известная как 3D-рентген или компьютерная томография (КТ), предлагает более совершенное решение. Он создает изображения поперечного сечения BGA, что позволяет детально анализировать паяные соединения в трех измерениях. Этот метод обеспечивает превосходное обнаружение и локализацию дефектов.

2. Оптический осмотр:

Методы оптического контроля включают использование камер, микроскопов или эндоскопов для визуальной оценки паяных соединений BGA. Хотя оптические методы не так эффективны, как рентгеновский контроль, они полезны для выявления поверхностных дефектов и неровностей. Однако они не могут обнаружить скрытые дефекты в паяных соединениях.

3. Ультразвуковой контроль:

Методы ультразвукового контроля используют звуковые волны для оценки структурной целостности паяных соединений BGA. Ультразвуковые волны могут проникать в упаковку и предоставлять информацию о внутренней структуре, включая наличие пустот или расслоений. Этот метод особенно полезен для обнаружения дефектов, влияющих на механическую прочность паяных соединений.

4. Тепловизионное изображение:

Тепловизионные камеры могут обнаруживать изменения температуры в сборке BGA во время пайки оплавлением. Аномалии температурных профилей могут указывать на такие дефекты, как недостаточная пайка или соединения холодной пайкой. Хотя этот метод эффективен во время производственного процесса, он может оказаться непригодным для проверки после пайки.

Роль автоматизированного инспекционного оборудования

Автоматизированное контрольное оборудование стало незаменимым в современном производстве электроники, особенно при работе со сложными сборками BGA. Эти машины могут быстро сканировать и анализировать несколько BGA, обеспечивая постоянный контроль качества. Ключевые особенности автоматизированного оборудования для проверки BGA включают в себя:

• Высокоскоростное сканирование: Автоматизированные системы могут быстро проверять многочисленные BGA, сокращая время и затраты на производство.
• Распознавание дефектов: Передовые системы машинного зрения могут с высокой точностью идентифицировать и классифицировать дефекты, включая пустоты, трещины и неровности шариков припоя.
• Анализ данных: Автоматизированное инспекционное оборудование генерирует подробные отчеты и данные, позволяющие производителям отслеживать дефекты, выявлять тенденции и улучшать процессы пайки.
• Легкость интеграции: Эти системы можно легко интегрировать в производственные линии, упрощая процесс проверки.
• Обеспечение качества: Автоматизированный контроль сводит к минимуму риск человеческой ошибки и обеспечивает стабильное качество всех BGA.

Критерии приемки паяных соединений BGA

Для точной оценки качества паяных соединений BGA необходимы четкие критерии приемки. IPC-A-610C содержит конкретные рекомендации по приемке паяных соединений BGA. Предпочтительные паяные соединения BGA должны обладать определенными характеристиками: они должны быть гладкими, круглыми, иметь четкие границы и не иметь пустот. Диаметр, объем, оттенки серого и контрастность всех паяных соединений должны быть одинаковыми, с выровненными положениями, без смещения, скручивания или шариков припоя.

Хотя предпочтительный стандарт устанавливает высокую планку, к квалифицированным паяным соединениям применяются несколько смягченные критерии. В совмещенных положениях паяное соединение BGA может иметь смещение до 25% относительно площадки. Шарик припоя не должен превышать 25% расстояния между ближайшими шариками припоя.

Типичные дефекты паяных соединений BGA

Несмотря на соблюдение критериев приемки, паяные соединения BGA могут иметь различные дефекты. К этим дефектам относятся:

1. Паяные соединения: Это происходит, когда припой не скрепляется должным образом, что приводит к разрыву цепи или плохим контактам.
2. Открытые схемы: Полные разрывы паяного соединения приводят к разрыву цепи, нарушая электрическое соединение.
3. Отсутствуют шарики припоя: Неполные или отсутствующие шарики припоя могут привести к ненадежным соединениям.
4. Большие пустоты: Пустоты внутри паяного соединения могут ослабить его структурную целостность и потенциально привести к выходу из строя.
5. Большие шарики припоя: Шарики припоя слишком большого размера могут создавать неровные соединения и мешать соседним компонентам.
6. Нечеткие края: Плохо определенные границы паяных соединений могут указывать на неоптимальную пайку.

Спорный дефект – Void

Одним из аспектов паяных соединений BGA, который остается предметом споров, являются критерии приемлемости пустот. Пустоты — это пустые пространства или полости внутри паяного соединения. Хотя пустоты не являются уникальными для BGA и могут влиять на паяные соединения в других типах упаковки, они создают особые проблемы для BGA. В отличие от других корпусов, все паяные соединения BGA скрыты под чипом, что делает рентгеновский контроль основным методом обнаружения пустот.

Влияние пустот на надежность BGA является предметом неопределенности и споров. Некоторые утверждают, что небольшие, неизбежные пустоты могут фактически повысить надежность. Стандарт IPC-7095, озаглавленный «Процесс проектирования и сборки для реализации BGA», признает потенциальные преимущества ограниченного количества пустот, но подчеркивает необходимость определенных стандартов для определения приемлемых размеров пустот.

Положение и причина пустот

Пустоты в паяных соединениях BGA могут проявляться в трех основных слоях:

1. Слой компонента: этот слой находится ближе всего к компоненту BGA и в нем часто возникают пустоты из-за пузырьков воздуха или летучих флюсов во время пайки оплавлением.
2. Слой пэда: Пустоты в этом слое могут возникнуть в результате испарения флюса из паяльной пасты, нанесенной на площадку, что приводит к выходу газа и образованию пустот после охлаждения.
3. Слой шарика припоя: Пустоты в шариках припоя могут возникнуть перед пайкой, возможно, из-за процесса изготовления шариков припоя, проблем с материалом паяльной пасты или конструкции печатной платы.

Например, если под контактной площадкой предусмотрено сквозное отверстие, воздух снаружи может попасть в расплавленный шарик припоя через сквозное отверстие во время пайки. После завершения процесса пайки и остывания припоя внутри шарика припоя может образоваться пустота.

Профиль температуры оплавления во время пайки играет важную роль в образовании пустот. Эвтектические составы припоя, такие как 63% Sn и 37% Pb, более подвержены образованию пустот, в то время как шарики припоя с высокой температурой плавления, такие как 10% Pb и 90% Sn, с температурой плавления 302°C, имеют тенденцию образовывать меньше пустот. пустоты, поскольку они не плавятся в процессе пайки потоком.

Критерии приемлемости пустоты

Наличие пустот внутри паяного соединения может привести к напряжению во время термоциклирования, что может привести к усадке и расширению. Расположение и размер пустот могут повлиять на надежность паяных соединений. Однако пустоты также могут снизить механическое напряжение, обеспечивая дополнительное пространство внутри паяного соединения.

IPC-7095 определяет конкретные критерии приемлемости пустот с учетом их положения и размера. Независимо от их расположения внутри шарика припоя, слоя контактной площадки или слоя компонента, размер и количество пустот определяют их влияние на качество и надежность. Небольшие пустоты внутри шариков припоя допускаются, при этом решающим фактором является расстояние между пустотами и пространством шариков припоя. Например, полость диаметром 50 % от диаметра шарика припоя занимает 25 % площади шарика припоя.

Стандарты IPC определяют, что пустоты в слое контактной площадки не должны превышать 10 % площади шарика припоя. Пустоты, превышающие 25%, считаются дефектами, создающими угрозу механической и электрической надежности. Если пустоты находятся в диапазоне от 10% до 25%, рекомендуется усовершенствовать процесс для их устранения или уменьшения.

Выводы и предложения по улучшению процесса

Достижение успешной пайки BGA включает в себя несколько важных факторов и соблюдение передового опыта. Для повышения качества паяного соединения и минимизации дефектов следует учитывать следующие рекомендации:

1. Качество паяльной пасты: Обеспечьте использование свежей, равномерно перемешанной паяльной пасты с точным расположением пасты и компонентов.
2. Подготовка компонентов: Для устройств PBGA в пластиковой упаковке может оказаться полезной предварительная сушка при 100°C в течение 6–8 часов перед пайкой, предпочтительно в азоте.
3. Профиль температуры оплавления: Тщательно спланируйте температурный профиль оплавления, чтобы обеспечить равномерный нагрев и полное плавление припоя. Неправильные температурные профили могут привести к холодной пайке или неполному плавлению.
4. Нанесение паяльной пасты: Нанесите необходимое количество паяльной пасты, учитывая ее вязкость, для временной фиксации устройства и предотвращения образования мостиков припоя.
5. Единый дизайн колодки: Разрабатывайте площадки печатных плат для корпусов BGA одинаковых размеров и избегайте проектирования процессов под площадками. В тех случаях, когда необходимы обработки под контактными площадками, воспользуйтесь услугами соответствующего производителя печатной платы и убедитесь, что конструкция сквозных отверстий правильна, чтобы предотвратить разницу в количестве олова и высоте между большими и маленькими контактными площадками.
6. Качество паяльной маски: Перед пайкой BGA проверьте качество паяльной маски вокруг площадок и убедитесь, что переходные отверстия покрыты защитной пленкой. Добавление паяльной резистивной пленки на противоположную сторону печатной платы во время производства неэффективно и может привести к таким проблемам, как виртуальное короткое замыкание и короткое замыкание.

Следуя этим рекомендациям и тщательно подготавливаясь перед пайкой BGA, можно свести к минимуму дефекты и добиться высокой скорости прохождения. Конечная цель – устранить дефекты, не прибегая к доработкам, обеспечив высочайший уровень качества и надежности паяных соединений BGA.

Если это требование влияет на процесс закупки или выпуска продукции, сравните его с процессом обеспечения качества печатных плат , а также с проектированием микропереходных отверстий и разъемов высокой плотности (HDI), прежде чем отправлять окончательные файлы на проверку.