Аналіз дефектів і вдосконалення процесу паяних з'єднань BGA

Вступ

Упаковка Ball Grid Array (BGA) стала важливою технологією в електронній промисловості, особливо після її впровадження на початку 1990-х років. Цей метод упаковки став необхідним, оскільки кількість контактів пристрою в традиційних свинцевих упаковках зросла, що призвело до значного зменшення відстані між проводами. Це призвело до труднощів у технологічності та надійності під час паяння пристроїв, оскільки мінімальна відстань досягала лише 0.3 мм (12 mil). Для вирішення цих проблем була розроблена технологія BGA, яка дозволяє використовувати більшу кількість контактів порівняно з пакетами Quad Flat Packages (QFP) такого ж розміру.

Пристрої BGA покладаються на кульки припою під мікросхемою, які служать їхніми контактами. Більший крок цих кульок припою спрощує збірку, значно покращуючи рівень кваліфікації паяння та показники успішності пайки з першого разу.

Два поширені типи упаковки BGA: пластикова BGA (PBGA), яка зазвичай використовується в споживчих і комунікаційних продуктах, і керамічна. BGA(CBGA), що використовується у військових цілях. Композиція кулькового припою часто включає 63% олова (Sn) і 37% свинцю (Pb) для евтектичного припою в пристроях PBGA, тоді як у пристроях CBGA використовується високотемпературний неевтектичний припій, що складається з 10% Pb і 90% Sn. Еволюція технології BGA також призвела до розробки мініатюрних BGA, які називаються microBGA (μBGA) або чип-шкалами (CSP), з ще меншим кроком кульок припою до 0.3 мм (12 mil) і мінімальною відстанню кульок припою. як 0.5 мм (12 мил).

У цій статті розглядаються критерії прийнятності, характеристики дефектів і надійність паяних з’єднань BGA, з особливим акцентом на суперечливий дефект – пустоти. Крім того, ми запропонуємо вдосконалення процесу, спрямовані на підвищення якості паяних з’єднань BGA.

Перевірка якості пайки BGA

Перевірка якості паяних з'єднань Ball Grid Array (BGA) є критично важливим аспектом забезпечення надійності та функціональності електронних пристроїв. Через унікальну природу корпусів BGA, де кульки припою розташовані під мікросхемою, традиційні методи візуального контролю є недостатніми. У цьому розділі буде розглянуто різні методи та проблеми, пов'язані з перевіркою. Пайка BGA якість.

Проблеми під час перевірки паяних з’єднань BGA

1. Недоступні паяні з'єднання: Основна проблема полягає в недоступності паяних з’єднань BGA. На відміну від компонентів із наскрізним отвором або поверхневого монтажу, де паяні з’єднання відкриті, BGA мають кульки для припою, заховані під компонентом. Це унеможливлює візуальний огляд суглобів безпосередньо.
2. Обмежений простір: Компактний дизайн BGA залишає мало місця для інструментів і методів перевірки. Великий крок між кульками припою ускладнює доступ і перевірку окремих з’єднань.
3. Складність: Електронні пристрої часто містять кілька BGA, кожен з численними паяними з’єднаннями. Комплексна та ефективна перевірка всіх цих з’єднань може бути складним завданням.
4. Ідентифікація дефекту: Виявлення дефектів у паяних з’єднаннях BGA, таких як тріщини, порожнечі або неповне змочування, вимагає спеціального обладнання та досвіду.

Забезпечення якості та надійності паяних з'єднань BGA вимагає ефективних методів контролю. Для отримання додаткової інформації див. Необхідність контролю зварних швів за допомогою цифрового мікроскопа: пояснення методів контролю | Активний хвильовий цифровий мікроскоп.

Методи перевірки паяних з’єднань BGA

Щоб подолати ці проблеми, були розроблені різні методи перевірки та інструменти для оцінки якості паяних з’єднань BGA. Ці методи включають:

1. Рентгенологічний огляд:

Рентгенівський контроль є найпоширенішим методом оцінки якості паяного з’єднання BGA. Він забезпечує неруйнівний спосіб побачити внутрішню частину корпусу BGA та оцінити цілісність паяних з’єднань. Існує два основних види рентгенологічного дослідження:

• 2D рентгенівська рентгенографія: Ця техніка фіксує 2D рентгенівські зображення вузла BGA. Він є економічно ефективним і може виявити такі проблеми, як порожнечі та недостатня кількість припою. Однак він може страждати від тіней припою, що перекриваються, коли компоненти присутні з обох сторін друкованої плати, що ускладнює точне визначення дефектів.
• Рентгенівська томографія: Рентгенівська томографія, також відома як 3D рентген або комп’ютерна томографія (КТ), пропонує більш досконале рішення. Він створює зображення поперечного перерізу BGA, що дозволяє детально аналізувати паяні з’єднання в трьох вимірах. Ця техніка забезпечує чудове виявлення та локалізацію дефектів.

2. Оптичний огляд:

Методи оптичної перевірки включають використання камер, мікроскопів або ендоскопів для візуальної оцінки паяних з’єднань BGA. Хоча оптичні методи не такі потужні, як рентгенівський контроль, вони цінні для виявлення поверхневих дефектів і нерівностей. Однак вони можуть не виявити приховані дефекти в паяних з’єднаннях.

3. Ультразвуковий контроль:

Методи ультразвукового контролю використовують звукові хвилі для оцінки структурної цілісності паяних з’єднань BGA. Ультразвукові хвилі можуть проникати через пакет і надавати інформацію про внутрішню структуру, включаючи наявність пустот або розшарувань. Цей метод особливо корисний для виявлення дефектів, які впливають на механічну міцність паяних з’єднань.

4. Тепловізор:

Тепловізори можуть виявляти коливання температури в зборі BGA під час пайки оплавленням. Аномалії температурних профілів можуть вказувати на такі дефекти, як недостатня кількість пайки або холодні паяні з’єднання. Хоча цей метод ефективний під час виробничого процесу, він може бути непридатним для перевірки після пайки.

Роль автоматизованого інспекційного обладнання

Автоматизоване обладнання для перевірки стало необхідним у сучасному виробництві електроніки, особливо при роботі зі складними вузлами BGA. Ці машини можуть швидко сканувати та аналізувати кілька BGA, забезпечуючи послідовний контроль якості. Основні характеристики автоматизованого обладнання для перевірки BGA включають:

• Високошвидкісне сканування: Автоматизовані системи можуть швидко перевіряти численні BGA, скорочуючи час виробництва та витрати.
• Розпізнавання дефектів: Удосконалені системи машинного зору можуть з високою точністю ідентифікувати та класифікувати дефекти, включаючи пустоти, тріщини та нерівності кульок припою.
• Аналіз даних: Автоматизоване обладнання для перевірки створює вичерпні звіти та дані, що дозволяє виробникам відстежувати дефекти, визначати тенденції та покращувати процеси паяння.
• Простота інтеграції: Ці системи можна легко інтегрувати у виробничі лінії, оптимізуючи процес перевірки.
• Гарантія якості: Автоматизована перевірка мінімізує ризик людської помилки та забезпечує стабільну якість усіх BGA.

Критерії прийнятності паяних з’єднань BGA

Для точної оцінки якості паяних з’єднань BGA необхідні чіткі критерії прийнятності. IPC-A-610C надає конкретні вказівки щодо прийняття паяних з’єднань BGA. Переважні паяні з’єднання BGA повинні мати певні характеристики: вони повинні бути гладкими, круглими, мати чіткі межі та бути без пустот. Діаметр, об’єм, відтінки сірого та контрастність усіх паяних з’єднань мають бути узгодженими, з вирівняними позиціями, без зміщення, скручування чи паяних кульок.

Хоча бажаний стандарт встановлює високу планку, до кваліфікованих паяних з’єднань застосовуються трохи пом’якшені критерії. Для вирівняних положень пайка BGA може мати зсув до 25% відносно майданчика. Кулька припою не повинна перевищувати 25% відстані між найближчими кульками припою.

Типові дефекти паяних з'єднань BGA

Незважаючи на дотримання критеріїв приймання, паяні з’єднання BGA можуть мати різноманітні дефекти. Ці дефекти включають:

1. Паяні з'єднання: Це відбувається, коли припій не з’єднується належним чином, що призводить до розриву ланцюга або поганого з’єднання.
2. Відкриті схеми: Повні розриви паяного з’єднання призводять до розривів ланцюгів, порушуючи електричне з’єднання.
3. Відсутні кульки припою: Неповні або відсутні кульки припою можуть призвести до ненадійних з’єднань.
4. Великі порожнечі: Порожнечі в паяному з’єднанні можуть послабити його структурну цілісність і потенційно призвести до поломки.
5. Великі кульки припою: Великі кульки припою можуть створювати нерівні з’єднання та заважати сусіднім компонентам.
6. Нечіткі краї: Погано визначені межі паяного з’єднання можуть свідчити про неоптимальне паяння.

Суперечливий дефект – недійсність

Одним з аспектів паяних з’єднань BGA, який залишається предметом дискусій, є критерії прийнятності пустот. Порожнечі — це порожні простори або порожнини всередині паяного з’єднання. Хоча порожнечі не є унікальними для BGA і можуть впливати на паяні з’єднання в інших типах упаковки, вони створюють особливі проблеми для BGA. На відміну від інших пакетів, усі паяні з’єднання BGA приховані під мікросхемою, що робить рентгенівський огляд основним методом виявлення пустот.

Вплив пустот на надійність BGA є питанням невизначеності та суперечок. Деякі стверджують, що невеликі неминучі порожнечі можуть насправді підвищити надійність. Стандарт IPC-7095 під назвою «Процес проектування та складання для реалізації BGA» визнає потенційні переваги обмежених пустот, але наголошує на необхідності визначених стандартів для визначення прийнятних розмірів пустот.

Положення та причина пустот

Порожнечі в паяних з’єднаннях BGA можуть проявлятися в трьох основних шарах:

1. Рівень компонентів: Цей шар найближче до компонента BGA і часто має порожнечі через бульбашки повітря або випаруваний флюс під час пайки оплавленням.
2. Шар колодки: Порожнечі в цьому шарі можуть виникнути внаслідок випаровування флюсу в паяльній пасті, нанесеній на контактну площадку, що спричиняє вихід газу та утворення пустот після охолодження.
3. Кульковий шар припою: Пустота в кульках припою може виникнути перед паянням, можливо через процес виготовлення кульок припою, проблеми з матеріалом паяльної пасти або конструкцію друкованої плати.

Наприклад, якщо під прокладкою передбачено прохідний отвір, повітря ззовні може потрапити в розплавлену кульку припою через прохідний отвір під час пайки. Це може створити порожнечу в кульці припою, коли процес паяння завершиться й припій охолоне.

Профіль температури оплавлення під час пайки відіграє значну роль в утворенні пустот. Композиції евтектичних припоїв, такі як 63% Sn і 37% Pb, більш сприйнятливі до утворення пустот, тоді як кульки припою з композицією з високою температурою плавлення, наприклад 10% Pb і 90% Sn, з температурою плавлення 302°C, як правило, демонструють менше порожнечі, оскільки вони не плавляться під час процесу проточної пайки.

Критерії недійсності

Наявність порожнеч у паяному з’єднанні може призвести до напруги під час термічного циклу, потенційно спричиняючи усадку та розширення. Розташування та розмір пустот можуть впливати на надійність паяних з’єднань. Проте порожнечі також можуть зменшити механічну напругу, забезпечуючи додатковий простір у паяному з’єднанні.

IPC-7095 описує конкретні критерії прийнятності пустот, враховуючи як їх розташування, так і розмір. Незалежно від їх розташування в кульці припою, шарі контактної площадки або шарі компонента, розмір і кількість пустот визначають їхній вплив на якість і надійність. Невеликі порожнечі всередині кульок припою допустимі, причому простір пустоти відносно простору кульки припою є критичним фактором. Наприклад, порожнеча з діаметром, що становить 50% діаметра кульки припою, займає 25% площі кульки припою.

Стандарти IPC визначають, що порожнечі в шарі прокладки не повинні перевищувати 10% площі кульки припою. Пустоти, що перевищують 25%, вважаються дефектами, що становлять ризик для механічної та електричної надійності. Для порожнеч, які потрапляють у діапазон від 10% до 25%, рекомендується вдосконалити процес, щоб усунути або зменшити їх.

Висновки та пропозиції щодо вдосконалення процесу

Досягнення успішного паяння BGA включає кілька важливих факторів і дотримання найкращих практик. Щоб підвищити якість спаювання і мінімізувати дефекти, слід враховувати наступні рекомендації:

1. Якість паяльної пасти: Забезпечте використання свіжої, рівномірно розмішаної паяльної пасти з точним розташуванням пасти та компонентів.
2. Підготовка компонентів: Для пристроїв PBGA у пластиковій упаковці може бути корисним попереднє сушіння при 100°C протягом 6-8 годин перед паянням, бажано з азотом.
3. Температурний профіль оплавлення: Ретельно спроектуйте профіль температури оплавлення, щоб забезпечити рівномірний нагрів і повне розплавлення припою. Неадекватні температурні профілі можуть призвести до холодних паяних з'єднань або неповного розплавлення.
4. Нанесення паяльної пасти: Нанесіть відповідну кількість паяльної пасти, враховуючи в’язкість, щоб тимчасово закріпити пристрій і запобігти утворенню припою.
5. Уніфікований дизайн колодки: розробляйте контактні площадки для друкованих плат для корпусів BGA з однаковими розмірами та уникайте проектування процесів під майданчиками. У випадках, коли необхідні процеси під колодками, використовуйте відповідного виробника друкованої плати та забезпечте правильну конструкцію наскрізного отвору, щоб запобігти різниці у кількості та висоті олова між великими та малими контактними площадками.
6. Якість паяльної маски: Перед паянням BGA перевірте якість паяльної маски навколо колодок і переконайтеся, що отвори покриті бар’єрною плівкою. Додавання плівки для припою на протилежній стороні друкованої плати під час виробництва є неефективним і може призвести до таких проблем, як віртуальні короткі замикання.

Дотримуючись цих рекомендацій і ретельно підготувавшись перед паянням BGA, можна мінімізувати кількість дефектів і досягти високого рівня проходження. Кінцевою метою є усунення дефектів, не вдаючись до переробки, забезпечуючи найвищий рівень якості та надійності паяних з’єднань BGA.

Якщо ця вимога впливає на постачання або випуск продукції, порівняйте її з Процес забезпечення якості друкованих плат та мікровіда та дизайн HDI перед надсиланням остаточних файлів на перевірку.