Корпуса микросхем — Типы корпусов микросхем, их виды.

1. Преимущества BGA микросхем:

2. Виды BGA микросхем

На сегодняшний день существует множество видов микросхем в BGA-корпусах. Их можно условно разделить по следующим признакам:

2.1. Конструкция и материал корпуса

В BGA микросхемах, как уже говорилось выше, используются шарики. 

А есть еще LGA микросхемы («Land Grid Array»), в которых нет ни шариков, ни штырьков, только контактные площадки. Чаще всего LGA микросхемы используются в  компьютерной технике для процессоров.

Выбор материалов для производства BGA микросхем обусловлен, как правило, стоимостью, предъявляемыми требованиями и технологичностью пайки. 

Еще можно встретить микросхемы TBGA («Tape Ball Grid Array») с гибким пленочным основанием. Они также имеют шарики, но из высокотемпературного припоя (90Pb/10Sn), прикрепленные к корпусу методом частичного оплавления. Такие микросхемы обладают улучшенными тепловыми характеристиками.

Реже встречаются BGA микросхемы в корпусах из металла или металлокерамики.

2.2. Размер корпуса

По размерам корпуса BGA микросхемы можно разделить на стандартные и близкие к размеру кристалла (микроBGA). Последние – можно считать апогеем развития электроники на сегодняшний день.

По высоте профиля принято различать высокие и очень высокие, стандартные, низкопрофильные, тонкие и ультра тонкие корпуса BGA.

1. Методы монтажа/установки

Для наиболее точной установки BGA микросхемы на плату необходимо тщательно сориентировать ее по реперным знакам. На готовых платах, как правило, уже нанесены реперные знаки и шелкографический контур, по которым можно определить, куда именно следует установить компонент.

Если же нет ни того, ни другого, то используются специальные центрирующие рамки в виде прямоугольной металлической пластины с прямоугольным отверстием посередине. Внешний периметр рамки соответствует внешнему периметру компонента, а внутренний совпадает с границей контактных площадок на плате.

Для серийной установки BGA применяются системы видеосовмещения. Это системы, позволяющие в режиме реального времени отслеживать на мониторе и при необходимости сразу корректировать точность совмещения изображений выводов микросхемы и контактных площадок платы. Для получения изображений используются специальные камеры с высоким разрешением и призменной системой.

2. Оборудование для монтажа

Монтаж BGA микросхем может проводиться в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. В первом случае специальное оборудование не требуется (только высокая квалификация персонала), но производительность у такого монтажа очень низкая. Поэтому на производстве, как правило, используются автоматические и полуавтоматические системы. Например:

1. Методы

На сегодняшний день пайка SMD компонентов может осуществляться несколькими методами, но далеко не все из них подходят для пайки BGA. Наиболее предпочтительным методом является оплавление с использованием принудительной конвекции — когда воздух нагревается в замкнутом объеме за счет подачи дополнительного горячего воздуха со скоростью, достаточной для его перемешивания и выравнивания температуры во всем объеме.

Это и отличает конвекционный нагрев от обычного термофена, который обдувает компонент напрямую потоком воздуха с температурой, превышающей температуру ликвидуса припоя на величину — значительно большую требуемой разницы 20-30°, вызывая местный перегрев и повреждения печатного узла.

При инфракрасном методе температура в разных областях пайки может отличаться из-за разной отражающей способности различных участков, и пока самые холодные точки достигнут температуры пайки (220 град), самые горячие — оказываются перегретыми до 260 град, что на 20 град выше нормы.

2. Проблемы

Одна из основных проблем, возникающих при пайке BGA, — это обеспечение оптимальных условий для создания надежного паяного соединения (ПС). Потенциальная надежность паяных соединений, и электронного модуля в целом, должна закладываться еще на этапе проектирования (выбор материалов ЭРИ ИП, их КТЛР и так далее), а реализовываться в процессе производства после отработки и полной оптимизации параметров технологии сборки и монтажа, в том числе дозированного нанесения припойной пасты и температурно-временных режимов пайки.

Тенденция к постоянному увеличению функциональности устройств на фоне их общей миниатюризации ставит разработчиков перед еще одной проблемой — увеличение количества выводов в BGA и уменьшение интервала между ними. При этом важно сохранить качество сигнала на высоком уровне и уменьшить по возможности стоимость производства.

Но, к сожалению, эти два требования несовместимы. Уменьшение перекрёстных помех, как правило, сопровождается увеличением пространства между проводниками, что может увеличить число слоёв, плюс трассировка плотных BGA корпусов требует миниатюризации и большее количество слоёв. Чем меньше элементы и больше слоёв, тем выше стоимость платы.

Многослойная печатная плата с BGA компонентом в разрезе 

При пайке BGA корпусов в шариковых выводах часто встречаются пустоты (void). Если суммарная площадь этих пустот превышает 25% от площади сечения шарикового вывода на рентгеновском снимке, то это уже считается дефектом. И он может оказывать существенное влияние на надежность паяного соединения.

Иногда эти пустоты присутствуют в шариковых выводах новых компонентов еще до пайки. Часть из них локализованы в самом шарике и являются побочными эффектами производства шариков, а часть — находятся вблизи границы шарик/контактная площадка корпуса BGA и являются следствием процесса прикрепления выводов к корпусу.

Пустоты в шариковых выводах

Для снижения вероятности появления пустот следует строго соблюдать рекомендации производителя BGA компонента, касающиеся его чувствительности к влажности; наносить достаточное количество паяльной пасты для образования качественного паяного соединения (в т.ч. использовать специальные low-void паяльные пасты); не использовать просроченные пасты; не допускать большой разницы в размерах контактной площадки и шарикового вывода.

Также среди проблем, возникающих при пайке BGA, можно выделить высокую теплоемкость массивных корпусов и печатных плат. Это создает трудности в определении оптимального температурного режима для предварительного нагрева. Наиболее эффективным в данном случае является применение массогабаритного макета изделия из стеклотекстолита или других термостойких материалов для отладки термопрофиля.

Неудовлетворительная плоскостность плат при монтаже BGA микросхем с большими линейными размерами и большим количеством выводов, а также при малых размерах шариков, приводит к увеличению брака и вероятности возникновения скрытых дефектов в процессе дальнейшей эксплуатации микросхем.

Для обеспечения необходимой плоскостности поверхности печатных плат применяют иммерсионные (ENIG, ImmAg, ImmSn, ImmBi) или другие равномерные (OSP) покрытия контактных площадок. Также многослойные платы с использованием микросхем как в BGA-корпусах, так и в других типах бызвыводных корпусов (LGA, SON, QFN и т.п.), должны изготавливаться из высокотемпературных стеклотекстолитов, имеющих высокую температуру стеклования и малые коэффициенты линейных расширений.

3. Оборудование.

Пайка BGA – довольно трудоемкий процесс, требующий высокой точности и соблюдения строгого температурного режима. Для достижения наилучшего результата на производствах используют специальное оборудование, причем как по отдельности, так и в связке друг с другом.

4.Материалы

Для качественной пайки BGA микросхем важно выбрать не только подходящее  оборудование, но и правильные паяльные материалы.  

Для монтажа SMD-компонентов, включая микросхемы в BGA корпусах, используются: 

• Паяльные пасты – это смеси частиц припоя определённого размера, флюса, регуляторов реологических свойств и других присадок, которые используются для крепления компонентов на плате. При нагреве паста плавится, образуя неразъемное паяное соединение. Пасты бывают отмывочные и безотмывочные, с содержанием галогенов и без. Для обычных пластиковых корпусов BGA специалисты рекомендуют использовать пасты на основе припоя 62Pb/32Sn/2Ag, так как они становятся текучими уже при температуре 189°С. Если использовать пасты 90Pb/10Sn, то BGA компонент может отказать при термоциклировании из-за разницы в ТКР пасты и вывода. 
• Флюсы – это жидкие или гелеобразные вещества, которые используются в процессе пайки для растворения оксидов и сульфидов, защиты паяемых поверхностей от повторного окисления, снижения поверхностного натяжения припоя. Для разных целей применяются разные флюсы: безотмывочные и водосмываемые; на органической, синтетической или канифольной основах. Требования к свойствам флюсов определены в отраслевом стандарте IPC/ANSI-J-STD-004 «Требования к флюсам для пайки». Способы нанесения флюсов тоже бывают разные: одни наносятся кисточкой, другие – вспениванием, распылением или погружением.

Для процедуры реболлинга (см.п.4.Реболлинг) рекомендуется использовать клейкие флюсы. Флюсы с высокой степенью активности лучше не использовать, так как они могут очистить трафареты до такой степени, что будет происходить смачивание их припоем при оплавлении, и вследствие этого такие трафареты станут непригодными для осуществления реболлинга и потребуют замены.

• Отмывочные материалы – это жидкости, изготовленные на водной основе или на основе органических соединений, которые используются для очистки печатных плат, трафаретов, паяльных рамок от остатков паяльных флюсов и других видов загрязнений, возникающих в процессе монтажа печатных узлов. 
• Влагозащитные материалы – это различные лаки, которые наносятся на изделия (кисточкой, распылением, погружением и т.д.), после застывания образуют пленку, защищающую изделие от влаги и конденсата. По химическому составу они делятся на: акриловые, силиконовые, уретановые, эпоксидные и поли-пара-ксилиленовые. 

Реболлинг

Восстановление шариковых выводов может проводиться двумя способами: раскладыванием шариков и путем нанесения паяльной пасты через трафарет. И в том, и другом случае при проведении операции вручную последовательность действий примерно одинаковая: 

Для этого могут понадобиться следующие материалы и инструменты:

Рассмотрим пошагово процедуру реболлинга.

1. Подготовка BGA компонента

2. Флюсование

Для флюсования BGA микросхем рекомендуется использовать клейкий флюс, так как он поможет в последующем прикреплении шариковых выводов. Наносить флюс можно специальной щеточкой.

3. Нанесение пасты/раскладывание новых шариков через трафарет

Для реболлинга используются специальные стальные BGA трафареты с отверстиями, выполненными с шагом 1.0, 1.27 и 1.5мм. Через эти трафареты можно наносить паяльную пасту или точно распределять шарики. 

При заполнении апертур трафарета шариками, необходимо убедиться, что на каждой контактной площадке компонента установлен шариковый вывод. При нанесении пасты – что все апертуры заполнены пастой. Паяльная паста наносится на трафарет с помощью специального шпателя.

Затем по поверхности трафарета проводят каучуковым ракелем, удаляя излишки пасты. Важно, чтобы трафарет при этом плотно прилегал к поверхности корпуса. Для закрепления трафарета на корпусе используются специальные механические приспособления — фиксаторы.

4. Оплавление

Далее BGA c уложенными шариками помещается в печь оплавления. При использовании пасты некоторые производители рекомендуют использовать вместо традиционной печи оплавления ремонтную станцию с подачей горячего воздуха и маленьким соплом (7х7 или 12х12 мм).

Оплавление паяльной пасты с помощью горячего воздуха

После оплавления следует дождаться полного охлаждения компонента. Оно должно происходить при температуре окружающей среды, принудительное охлаждение не допускается.

5. Очистка, сушка

Методы контроля качества

Так как визуальный контроль качества паяных соединений между BGA и печатной платой затруднен в силу особенностей конструкции данного вида микросхем, для контроля качества изделий с BGA применяются другие методы: как разрушающие, так и неразрушающие. 

К разрушающим методам относятся:

Тестирование на отрыв

К неразрушающим методам относятся:

Дефект, обнаруженный при оптическом контроле

Пример дефектов, обнаруженных с помощью рентгеновского контроля

Для расширения тестового покрытия применяют методы периферийного сканирования. За счет встроенных регистров, ячеек периферийного сканирования, контролллера и специализированного TAP порта микросхема может самостоятельно проверить себя. Таким образом, повышается тестовое покрытия изделий BGA до 100%.

Dip корпус

DIP ( англ. Dual In-Line Package)  —  корпус с двумя рядами выводов по длинным сторонам микросхемы. Раньше, да наверное и сейчас, корпус DIP был самым популярным корпусом для многовыводных микросхем. Выглядит он вот так:

В зависимости от количества выводов микросхемы, после слова «DIP» ставится количество ее выводов. Например, микросхема, а точнее, микроконтроллер atmega8 имеет 28 выводов:

Следовательно, ее корпус будет называться DIP28.

 А вот у этой микросхемы корпус будет называться DIP16.

Чтобы не считать каждый раз количество выводов, можно их сосчитать только на одной стороне микросхемы и тупо умножить на два. 

В основном в корпусе DIP в Советском Союзе производили логические микросхемы, операционные усилители и тд. Сейчас же корпус DIP также не теряет своей актуальности и в нем до сих пор делают различные микросхемы, начиная от простых аналоговых и заканчивая микроконтроллерами.

Корпус DIP может быть выполнен из пластика (что в большинстве случаев) и называется он PDIP, а также из керамики — CDIP. На ощупь корпус CDIP твердый как камень, и это неудивительно, так как он сделан из керамики.

Пример CDIP корпуса.

Имеются также модификации DIP корпуса: HDIP, SDIP.

HDIP(Heat-dissipatingDIP) — теплорассеивающий DIP. Такие микросхемы пропускают через себя большой ток, поэтому сильно нагреваются.

SDIP (Small DIP) — маленький DIP. Микросхема в корпусе DIP, но c  маленьким расстоянием между ножками микросхемы:

Pga корпус

PGA(Pin Grid Array) — матрица из штырьковых выводов. Представляет из себя прямоугольный или квадратный корпус, в нижней части которого расположены выводы-штырьки

Такие микросхемы устанавливаются также в специальные кроватки, которые зажимают выводы микросхемы с помощью специального рычажка.

В корпусе PGA  в основном делают процессоры на ваши персональные компьютеры.

Plcc корпус

PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) и СLCC(Ceramic Leaded Chip Carrier) — соответственно пластиковый и керамический корпус с расположенными по краям контактами, предназначенными для установки в специальную панельку, в народе называемую «кроваткой». Типичным представителем является микросхема BIOS в ваших компьютерах.

Вот так примерно выглядит «кроватка» для таких микросхем

А вот так микросхема «лежит» в кроватке.

Иногда такие микросхемы называют QFJ, как вы уже догадались, из-за выводов в форме буквы «J»

Ну и количество выводов ставится после названия корпуса, например PLCC32.

Qfp корпус

QFP(Quad Flat Package) — четырехугольный плоский корпус. Главное отличие от собрата SOIC в том, что выводы размещены на всех сторонах такой микросхемы

Модификации:

PQFP —  пластиковый корпус QFP.  CQFP — керамический корпус QFP.  HQFP — теплорассеивающий корпус QFP.

TQFP(Thin Quad Flat Pack) — тонкий корпус QFP. Его толщина намного меньше, чем у его собрата QFP

Sip корпус

SIP корпус (Single In line Package) — плоский корпус с выводами с одной стороны. Очень удобен при монтаже и занимает мало места. Количество выводов также пишется после названия корпуса. Например, микруха снизу в корпусе SIP8.

У SIP тоже есть модификации — это HSIP (Heat-dissipating SIP). То есть тот же самый корпус, но уже с радиатором

Soic корпус

Самым большим представителем этого класса микросхем являются микросхемы в корпусе SOIC  (Small-Outline Integrated Circuit)  — маленькая микросхема с выводами по длинным сторонам. Она очень напоминает DIP, но обратите внимание на ее выводы. Они параллельны поверхности самого корпуса:

Вот так они запаиваются на плате:

Ну и как обычно, цифра после «SOIC» обозначает количество выводов этой микросхемы. На фото выше микросхемы в корпусе SOIC16.

Sop корпус

SOP (Small Outline Package) — то же самое, что и SOIC.

Модификации корпуса SOP:

PSOP — пластиковый корпус SOP. Чаще всего именно он и используется.

HSOP  — теплорассеивающий SOP. Маленькие радиаторы посередине служат для отвода тепла.

SSOP(Shrink Small Outline Package) — » сморщенный» SOP. То есть еще меньше, чем SOP корпус

TSSOP(Thin Shrink Small Outline Package) — тонкий SSOP. Тот же самый SSOP, но «размазанный» скалкой. Его толщина меньше, чем у SSOP. В основном в корпусе TSSOP делают микросхемы, которые прилично нагреваются. Поэтому, площадь у таких микросхем больше, чем у обычных. Короче говоря, корпус-радиатор).

SOJ — тот же SOP, но ножки загнуты в форме буквы «J» под саму микросхему.  В честь таких ножек и назвали корпус SOJ:

Ну и как обычно, количество выводов обозначается после типа корпуса, например SOIC16, SSOP28, TSSOP48 и тд.

Zip корпус

ZIP (Zigzag In line Package) — плоский корпус с выводами, расположенными зигзагообразно. На фото ниже корпус ZIP6. Цифра — это количество выводов:

Ну и корпус  с радиатором HZIP:

Только что мы с вами рассмотрели основной класс In line Package микросхем. Эти микросхемы предназначены для сквозного монтажа в отверстиях в печатной плате.

[quads id=1]

Например, микросхема DIP14, установленная на  печатной плате

и  ее выводы с обратной стороны платы, уже без припоя.

Кто-то все таки умудряется запаять микросхемы DIP, как микросхемы для поверхностного монтажа (о них чуть ниже), загнув выводы под углом в 90 градусов, или полностью их выпрямив. Это извращение), но работает).

Переходим к другому классу микросхем — микросхемы для поверхностного монтажа или, так называемыеSMD компоненты. Еще их называют планарными радиокомпонентами.

Такие микросхемы запаиваются на поверхность печатной платы, под выделенные для них печатные проводники. Видите прямоугольные дорожки в ряд? Это печатные проводники или в народе пятачки.  Вот именно на них запаиваются планарные микросхемы.

Как паяют «мосты» и чипы на материнских платах с помощью паяльной станции

2.3. Шаг выводов

В зависимости от шага выводов BGA микросхемы делятся на стандартные и BGA с малым шагом (fine-pitch). Шаг выводов у стандартных BGA составляет 1,5; 1,27; 1,0 мм, а у BGA с малым шагом — 0,8; 0,75; 0,65; 0,5; 0,4 мм. Сейчас планируются к выпуску также BGA с очень малым шагом — 0,3 мм и 0,25 мм.