BGA Lehim Bağlantılarının Kusur Analizi ve Proses İyileştirmesi

Giriş

Bilyalı Izgara Dizisi (BGA) paketleme, özellikle 1990'ların başında piyasaya sürülmesinden bu yana elektronik endüstrisinde çok önemli bir teknoloji olarak ortaya çıktı. Geleneksel kurşunlu paketlerdeki cihaz pinlerinin sayısı arttıkça bu paketleme yöntemi gerekli hale geldi ve kurşun aralığının önemli ölçüde azalmasına neden oldu. Bu durum, minimum aralığın 0.3 mm'ye (12mil) kadar düşmesiyle cihazın lehimlenmesi sırasında üretilebilirlik ve güvenilirlik açısından zorluklara yol açtı. Bu sorunları çözmek için benzer boyutlu Dörtlü Düz Paketlere (QFP) kıyasla daha yüksek pin sayısına olanak tanıyan BGA teknolojisi geliştirildi.

BGA cihazları, pin görevi görmek için çipin altındaki lehim toplarına güvenir. Bu lehim toplarının daha büyük adımı montajı kolaylaştırır, lehimleme yeterlilik oranlarını ve ilk seferde başarı oranlarını önemli ölçüde artırır.

BGA paketlemesinin iki yaygın türü vardır: Tüketici ve iletişim ürünlerinde yaygın olarak kullanılan Plastik BGA (PBGA) ve askeri uygulamalarda kullanılan Seramik BGA ( CBGA). PBGA cihazlarında ötektik lehim için lehim topu bileşimi genellikle %63 kalay (Sn) ve %37 kurşun (Pb) içerirken, CBGA cihazları %10 Pb ve %90 Sn'den oluşan yüksek sıcaklıkta ötektik olmayan bir lehim kullanır. BGA teknolojisinin evrimi, lehim topu aralıkları 0.3 mm (12 mil) kadar düşük ve lehim topu mesafeleri 0.5 mm (12 mil) kadar düşük olan minyatür BGA'ların, yani mikroBGA'ların (μBGA) veya Çip Ölçekli Paketlerin (CSP) geliştirilmesine de yol açmıştır.

Bu makale, tartışmalı bir kusur olan boşluklara özellikle odaklanarak BGA lehim bağlantılarının kabul kriterlerini, kusur performansını ve güvenilirliğini araştırıyor. Ayrıca BGA lehim bağlantılarının kalitesini artırmaya yönelik süreç iyileştirmeleri de önereceğiz.

BGA Lehimleme Kalitesinin Denetimi

Elektronik cihazların güvenilirliğini ve işlevselliğini sağlamanın kritik bir yönü, Ball Grid Array (BGA) lehim bağlantılarının kalitesinin incelenmesidir. Lehim toplarının çipin altında konumlandırıldığı BGA paketlerinin benzersiz yapısı nedeniyle, geleneksel görsel inceleme yöntemleri yetersiz kalmaktadır. Bu bölümde, BGA lehimleme kalitesinin incelenmesiyle ilgili çeşitli teknikler ve zorluklar ele alınacaktır.

BGA Lehim Bağlantısı Denetimindeki Zorluklar

1. Erişilemeyen Lehim Bağlantıları: Birincil zorluk, BGA lehim bağlantılarına erişilememesidir. Lehim bağlantılarının açıkta olduğu açık delikli veya yüzeye montajlı bileşenlerin aksine, BGA'larda bileşenin altına gizlenmiş lehim topları bulunur. Bu, eklemlerin doğrudan görsel olarak incelenmesini imkansız hale getirir.
2. Kısıtlı alan: BGA'ların kompakt tasarımı, denetim araçlarına ve tekniklerine çok az yer bırakır. Lehim topları arasındaki sıkı aralık, tek tek bağlantı noktalarına erişmeyi ve incelemeyi zorlaştırır.
3. karmaşıklık: Elektronik cihazlar genellikle her biri çok sayıda lehim bağlantısına sahip birden fazla BGA içerir. Tüm bu bağlantıların kapsamlı ve verimli bir şekilde incelenmesi göz korkutucu bir görev olabilir.
4. Kusur Tanımlaması: BGA lehim bağlantılarındaki çatlaklar, boşluklar veya eksik ıslanma gibi kusurların belirlenmesi özel ekipman ve uzmanlık gerektirir.

BGA lehim bağlantılarının kalitesini ve güvenilirliğini sağlamak, etkili inceleme teknikleri gerektirir. Daha fazla bilgi için lütfen " Dijital Mikroskop Kullanarak Kaynak İncelemesinin Gerekliliği: İnceleme Yöntemleri Açıklaması | Aktif Dalga Dijital Mikroskop" başlıklı makaleye bakın.

BGA Lehim Bağlantısı Denetimi Teknikleri

Bu zorlukların üstesinden gelmek için BGA lehim bağlantılarının kalitesini değerlendirmek üzere çeşitli denetim teknikleri ve araçları geliştirilmiştir. Bu yöntemler şunları içerir:

1. X-ışını Muayenesi:

X-ışını incelemesi, BGA lehim bağlantı kalitesini değerlendirmek için en yaygın kullanılan yöntemdir. BGA paketinin içini görmenin ve lehim bağlantılarının bütünlüğünü değerlendirmenin tahribatsız bir yolunu sağlar. İki temel X-ışını muayenesi türü vardır:

• 2D Röntgen Radyografisi: Bu teknik, BGA düzeneğinin 2 boyutlu X-ışını görüntülerini yakalar. Uygun maliyetlidir ve boşluklar ve yetersiz lehim gibi sorunları tespit edebilir. Bununla birlikte, bileşenler PCB'nin her iki tarafında da mevcut olduğunda, lehim gölgelerinin üst üste binmesi sorunu yaşanabilir, bu da kusurların tam olarak tespit edilmesini zorlaştırır.
• Röntgen Tomografisi: 3D X-ray veya bilgisayarlı tomografi (CT) olarak da bilinen X-ışını tomografisi daha gelişmiş bir çözüm sunar. BGA'nın kesit görüntülerini oluşturarak lehim bağlantılarının üç boyutlu ayrıntılı analizine olanak tanır. Bu teknik üstün kusur tespiti ve lokalizasyonu sunar.

2. Optik Muayene:

Optik inceleme yöntemleri, BGA lehim bağlantılarını görsel olarak değerlendirmek için kameraların, mikroskopların veya endoskopların kullanımını içerir. Optik yöntemler, X-ışını muayenesi kadar güçlü olmasa da, yüzey kusurlarını ve düzensizliklerini tespit etmede değerlidir. Ancak lehim bağlantılarındaki gizli kusurları tespit edemeyebilirler.

3. Ultrasonik Muayene:

Ultrasonik inceleme teknikleri, BGA lehim bağlantılarının yapısal bütünlüğünü değerlendirmek için ses dalgalarını kullanır. Ultrasonik dalgalar pakete nüfuz edebilir ve boşlukların veya katmanlara ayrılmaların varlığı da dahil olmak üzere iç yapı hakkında bilgi sağlayabilir. Bu yöntem özellikle lehim bağlantılarının mekanik mukavemetini etkileyen kusurların tespit edilmesinde kullanışlıdır.

4. Termal Görüntüleme:

Termal görüntüleme kameraları, yeniden akışlı lehimleme sırasında BGA düzeneğindeki sıcaklık değişikliklerini tespit edebilir. Sıcaklık profillerindeki anormallikler, yetersiz lehim veya soğuk lehim bağlantıları gibi kusurları gösterebilir. Bu yöntem üretim sürecinde etkili olsa da lehim sonrası inceleme için uygun olmayabilir.

Otomatik Denetim Ekipmanlarının Rolü

Otomatik denetim ekipmanı, modern elektronik üretiminde, özellikle de karmaşık BGA düzenekleriyle uğraşırken vazgeçilmez hale geldi. Bu makineler birden fazla BGA'yı hızla tarayıp analiz edebilir ve tutarlı kalite kontrolü sağlar. Otomatik BGA inceleme ekipmanının temel özellikleri şunları içerir:

• Yüksek Hızlı Tarama: Otomatik sistemler çok sayıda BGA'yı hızlı bir şekilde denetleyerek üretim süresini ve maliyetlerini azaltabilir.
• Kusur Tanıma: Gelişmiş yapay görme sistemleri boşluklar, çatlaklar ve lehim topu düzensizlikleri dahil olmak üzere kusurları yüksek doğrulukla tanımlayabilir ve sınıflandırabilir.
• Veri analizi: Otomatik denetim ekipmanı kapsamlı raporlar ve veriler oluşturarak üreticilerin kusurları izlemesine, eğilimleri belirlemesine ve lehimleme süreçlerini iyileştirmesine olanak tanır.
• Entegrasyon Kolaylığı: Bu sistemler üretim hatlarına sorunsuz bir şekilde entegre edilerek denetim sürecini kolaylaştırabilir.
• Kalite güvencesi: Otomatik denetim, insan hatası riskini en aza indirir ve tüm BGA'larda tutarlı kalite sağlar.

BGA Lehim Bağlantıları için Kabul Kriterleri

BGA lehim bağlantılarının kalitesini doğru bir şekilde değerlendirmek için açık kabul kriterleri önemlidir. IPC-A-610C, BGA lehim bağlantısının kabulü için özel yönergeler sağlar. Tercih edilen BGA lehim bağlantılarının belirli özellikler sergilemesi gerekir: pürüzsüz, yuvarlak olmalı, sınırları net olmalı ve boşluk içermemelidir. Tüm lehim bağlantılarının çapı, hacmi, gri tonlaması ve kontrastı tutarlı olmalı, hizalanmış konumlarda olmalı, kayma, bükülme veya lehim topları olmamalıdır.

Tercih edilen standart yüksek bir çıta belirlerken, nitelikli lehim bağlantıları için biraz gevşetilmiş kriterler geçerlidir. Hizalanmış konumlar için, bir BGA lehim bağlantısı yastığa göre %25'e kadar bir kaymaya sahip olabilir. Lehim topu en yakın lehim topları arasındaki mesafenin %25'ini geçmemelidir.

BGA Lehim Bağlantılarının Tipik Kusurları

Kabul kriterlerine uyulmasına rağmen BGA lehim bağlantıları çeşitli kusurlar sergileyebilir. Bu kusurlar şunları içerir:

1. Lehim Bağlantıları: Bunlar, lehim düzgün bir şekilde bağlanmadığında meydana gelir ve açık devrelere veya zayıf bağlantılara neden olur.
2. Açık Devreler: Lehim bağlantısındaki tamamen kopmalar devrelerin açılmasına ve elektrik bağlantısının bozulmasına neden olur.
3. Eksik Lehim Topları: Eksik veya eksik lehim topları güvenilmez bağlantılara neden olabilir.
4. Büyük Boşluklar: Lehim bağlantısındaki boşluklar yapısal bütünlüğünü zayıflatabilir ve potansiyel olarak arızaya yol açabilir.
5. Büyük Lehim Topları: Büyük boyutlu lehim topları düzensiz bağlantılar oluşturabilir ve komşu bileşenlere müdahale edebilir.
6. Bulanık Kenarlar: Kötü tanımlanmış lehim bağlantı sınırları, yetersiz lehimlemenin göstergesi olabilir.

Tartışmalı Bir Kusur – Geçersiz

BGA lehim bağlantılarının tartışma konusu olmaya devam eden bir yönü de boşlukların kabul kriterleridir. Boşluklar lehim bağlantısı içindeki boş alanlar veya oyuklardır. Boşluklar BGA'lara özgü olmasa da ve diğer ambalaj türlerindeki lehim bağlantılarını etkileyebilse de BGA'lar için özel zorluklar oluşturur. Diğer paketlerden farklı olarak, tüm BGA lehim bağlantıları çipin altında gizlidir, bu da X-ışını incelemesini boşluk tespiti için birincil yöntem haline getirir.

Boşlukların BGA'ların güvenilirliği üzerindeki etkisi bir belirsizlik ve tartışma konusudur. Bazıları küçük, kaçınılmaz boşlukların aslında güvenilirliği artırabileceğini iddia ediyor. 'BGA'yı Gerçekleştirmek için Tasarım ve Montaj Süreci' başlıklı IPC-7095 standardı, sınırlı boşlukların potansiyel faydalarını kabul eder ancak kabul edilebilir boşluk boyutlarını belirlemek için tanımlanmış standartlara duyulan ihtiyacı vurgular.

Boşlukların Konumu ve Nedeni

BGA lehim bağlantılarındaki boşluklar üç ana katmanda ortaya çıkabilir:

1. Bileşen Katmanı: Bu katman BGA bileşenine en yakın olanıdır ve yeniden akışlı lehimleme sırasında sıklıkla hava kabarcıkları veya uçucu akı gazı nedeniyle boşluklarla karşılaşır.
2. Tampon Katmanı: Bu katmandaki boşluklar, pede uygulanan lehim pastasındaki lehim pastasının buharlaşması sonucu gazın kaçmasına ve soğuduktan sonra boşluklar oluşmasına neden olabilir.
3. Lehim Topu Katmanı: Lehimleme öncesinde lehim toplarında boşluklar meydana gelebilir; bu durum muhtemelen lehim topu üretim süreci, lehim pastası malzemesi sorunları veya devre kartı tasarımı nedeniyle olabilir.

Örneğin, pedin altında bir geçiş deliği tasarlanmışsa, lehimleme sırasında dışarıdan gelen hava, geçiş deliğinden erimiş lehim topunun içine girebilir. Bu, lehimleme işlemi tamamlandıktan ve lehim soğuduktan sonra lehim topu içinde bir boşluk yaratabilir.

Lehimleme sırasındaki yeniden akış sıcaklık profili boşluk oluşumunda önemli bir rol oynar. %63 Sn ve %37 Pb gibi ötektik lehim bileşimleri boşluklara daha duyarlıyken, erime noktası 10°C olan %90 Pb ve %302 Sn gibi yüksek erime noktalı bileşime sahip lehim topları daha az boşluk sergileme eğilimindedir. Akış lehimleme işlemi sırasında erimedikleri için boşluklar vardır.

Geçersiz Kabul Kriterleri

Lehim bağlantısındaki boşluk varlığı, termal döngü sırasında gerilime yol açarak potansiyel olarak büzülme ve genleşmeye neden olabilir. Boşlukların konumu ve boyutu lehim bağlantılarının güvenilirliğini etkileyebilir. Bununla birlikte boşluklar, lehim bağlantısı içinde ekstra alan sağlayarak mekanik stresi de azaltabilir.

IPC-7095, hem konumlarını hem de boyutlarını dikkate alarak boşluklar için özel kabul kriterlerini özetlemektedir. Lehim topu, ped katmanı veya bileşen katmanı içindeki konumlarına bakılmaksızın boşlukların boyutu ve miktarı, bunların kalite ve güvenilirlik üzerindeki etkisini belirler. Lehim toplarının içindeki küçük boşluklara izin verilebilir; boşluğun lehim topunun alanına göre olan alanı kritik bir faktör olarak hizmet eder. Örneğin lehim topu çapının %50'si kadar çapa sahip bir boşluk, lehim topu alanının %25'ini kaplar.

IPC standartları, ped katmanındaki boşlukların lehim topu alanının %10'unu geçmemesi gerektiğini belirtir. %25'i aşan boşluklar kusur olarak kabul edilir ve mekanik ve elektriksel güvenilirlik açısından risk oluşturur. %10 ila %25 aralığına giren boşluklar için, bunları ortadan kaldırmak veya azaltmak amacıyla süreç iyileştirmeleri önerilir.

Sonuç ve Süreç İyileştirmeye Yönelik Öneriler

Başarılı BGA lehimleme işlemine ulaşmak, birkaç kritik faktörü ve en iyi uygulamalara bağlılığı gerektirir. Lehim bağlantı kalitesini artırmak ve kusurları en aza indirmek için aşağıdaki öneriler dikkate alınmalıdır:

1. Lehim Pastası Kalitesi: Macun ve bileşenlerin doğru konumlandırılmasıyla taze, eşit şekilde karıştırılmış lehim pastasının kullanılmasını sağlayın.
2. Bileşen Hazırlığı: Plastik ambalajlı PBGA cihazları için lehimlemeden önce 100°C'de 6-8 saat, tercihen nitrojen ile ön kurutma faydalı olabilir.
3. Yeniden Akış Sıcaklık Profili: Eşit ısıtma ve lehimin tamamen erimesini sağlamak için yeniden akış sıcaklığı profilini dikkatlice tasarlayın. Yetersiz sıcaklık profilleri soğuk lehim bağlantılarına veya eksik erimeye yol açabilir.
4. Lehim Pastası Uygulaması: Cihazı geçici olarak sabitlemek ve lehim köprülemesini önlemek için viskoziteyi dikkate alarak uygun miktarda lehim pastası uygulayın.
5. Düzgün Ped Tasarımı: BGA paketleri için PCB pedlerini aynı boyutlarda tasarlayın ve pedlerin altındaki tasarım süreçlerinden kaçının. Pedlerin altında işlem yapılmasının gerekli olduğu durumlarda, uygun bir PCB üreticisi kullanın ve büyük ve küçük pedler arasındaki kalay miktarı ve yükseklik farklılıklarını önlemek için uygun delik tasarımı sağlayın.
6. Lehim Maskesi Kalitesi: BGA lehimlemeden önce pedlerin etrafındaki lehim maskesinin kalitesini doğrulayın ve viaların bariyer film ile kaplandığından emin olun. Üretim sırasında PCB'nin karşı tarafına lehim dirençli film eklemek etkisizdir ve sanal kısa devre ve kısa devre gibi sorunlara yol açabilir.

Bu önerileri dikkate alarak ve BGA lehimleme öncesinde iyice hazırlanarak kusurlar en aza indirilebilir ve yüksek bir geçiş hızı elde edilebilir. Nihai hedef, yeniden çalışmaya başvurmadan kusurları ortadan kaldırarak BGA lehim bağlantılarında en yüksek düzeyde kalite ve güvenilirliği sağlamaktır.

Bu gereklilik tedarik veya üretim sürecini etkiliyorsa, son dosyaları incelemeye göndermeden önce PCB kalite güvence süreci ve mikrovia ve HDI tasarımıyla karşılaştırın .