Cовтест АТЕ — Самый полный материал в интернете о BGA микросхемах

1) BGA – это большая функциональность в малых размерах. То есть на ограниченной 

площади можно разместить большое количество выводов с соблюдением достаточного расстояния между ними; 

2) выводы находятся не по бокам, а непосредственно под корпусом, поэтому их длина минимальна, что сказывается на их индуктивности. Чем меньше паразитных наводок на электрическую сеть, тем лучше сигнал;

3) малые габариты способствуют миниатюризации изделий, размер многих микроBGA-компонентов приближается к размеру кристалла;

4) в отличие от выводных корпусов — BGA имеют меньшее тепловое сопротивление между корпусом и платой;

5) с использованием шариков отпадает проблема компланарности выводов, как у корпусов QFP, например;

6) есть возможность многочипового исполнения, благодаря технологии Flip-Chip, – получается своего рода «компонент в компоненте», что обеспечивает еще более высокую плотность монтажа и очень короткие электрические связи, поскольку вывод располагается непосредственно в необходимой точке кристалла.

Однако, стоит отметить, что некоторые из перечисленных преимуществ накладывают и определенные требования к использованию BGA-микросхем. Например:

   — малая длина выводов характеризуется, в том числе, и механической жесткостью этих выводов, делая BGA микросхему очень уязвимой при ударе;

    — отсутствие выводов, подверженных изгибу, компенсируется особыми требованиями,  которые предъявляются к плоскостности платы и ее покрытию. Так, плата должна быть идеально ровной, а в качестве покрытия желательно использовать такие материалы, как иммерсионное золото, серебро, олово или OSP.

1.2. Виды BGA микросхем

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

1.2.1. Конструкция и материал корпуса

Микросхемы в корпусах BGA берут свое начало от PGA микросхем («Pin grid array»), которые представляют собой корпуса с матрицей

штырьковых выводов

. Они и сейчас используются, в основном – в персональных компьютерах. 

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. 

Наибольшее распространения получили 

BGA микросхемы в пластиковом корпусе (PBGA)

. Они поставляются с припаянными к выводам шариками из эвтектического припоя (63Sn/37Pb). Этого припоя вполне достаточно для образования качественного соединения, и наносить дополнительно паяльную пасту на контактные площадки нет необходимости (на контактные площадки наносится только флюс). К недостаткам PBGA можно отнести чувствительность к влажности (обязательна классификация MSL (Moisture Sensitivity Level)). Согласно международному стандарту IPC/JEDEC J-STD-020D, при работе с такими компонентами необходимо следить за условиями хранения и временным интервалом от вскрытия упаковки с ЭРЭ до оплавления в составе изделия. Требуемые условия хранения могут обеспечиваться 

шкафами сухого хранения

 или повторной 

вакуумной упаковкой

.

Также существуют

BGA микросхемы в керамическом корпусе (СBGA)

. Они герметичны и практически не чувствительны к влажности. Керамика используется в основном там, где необходим большой теплоотвод или предъявляются высокие требования к качеству плоскости подложки, например, при упаковке перевернутых кристаллов. У керамических BGA шарики изготовлены из тугоплавкого припоя (90Pb/10SN). Эти шарики не оплавляются во время пайки и выполняют только роль опоры для компонента. При монтаже керамических корпусов без паяльной пасты не обойтись. Это необходимо для прочного соединения выводов в виде шариков или столбиков с контактными площадками. Для нанесения пасты используются дозаторы или специальные трафареты BGA.

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.

1.2.2. 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.

1.2.3. 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.

Микросхемы в корпусах BGA берут свое начало от PGA микросхем («Pin grid array»), которые представляют собой корпуса с матрицей

штырьковых выводов

. Они и сейчас используются, в основном – в персональных компьютерах. 

Наибольшее распространения получили 

BGA микросхемы в пластиковом корпусе (PBGA)

. Они поставляются с припаянными к выводам шариками из эвтектического припоя (63Sn/37Pb). Этого припоя вполне достаточно для образования качественного соединения, и наносить дополнительно паяльную пасту на контактные площадки нет необходимости (на контактные площадки наносится только флюс). К недостаткам PBGA можно отнести чувствительность к влажности (обязательна классификация MSL (Moisture Sensitivity Level)). Согласно международному стандарту IPC/JEDEC J-STD-020D, при работе с такими компонентами необходимо следить за условиями хранения и временным интервалом от вскрытия упаковки с ЭРЭ до оплавления в составе изделия. Требуемые условия хранения могут обеспечиваться 

шкафами сухого хранения

 или повторной 

вакуумной упаковкой

.

Также существуют

BGA микросхемы в керамическом корпусе (СBGA)

. Они герметичны и практически не чувствительны к влажности. Керамика используется в основном там, где необходим большой теплоотвод или предъявляются высокие требования к качеству плоскости подложки, например, при упаковке перевернутых кристаллов. У керамических BGA шарики изготовлены из тугоплавкого припоя (90Pb/10SN). Эти шарики не оплавляются во время пайки и выполняют только роль опоры для компонента. При монтаже керамических корпусов без паяльной пасты не обойтись. Это необходимо для прочного соединения выводов в виде шариков или столбиков с контактными площадками. Для нанесения пасты используются дозаторы или специальные трафареты BGA.

• полуавтоматический ремонтный центр BGA ProfPlacer, который обеспечивает высокую точность и 100-процентную повторяемость монтажа BGA-компонентов, исключая влияние человеческого фактора. Для точного позиционирования чипа и платы в нем есть лазерный целеуказатель, встроенный в установочную головку. После захвата чипа CCD-камера выезжает над платой. Изображения с нее передаются на 15”TFT LCD монитор, где можно увидеть, как происходит наложение выводов микросхемы и контактных площадок. Корректировка процесса совмещения производится с помощью микрометрических винтов. После позиционирования компонента начинается пайка (по заранее выбранной программе).

• автомат для установки SMD компонентов на печатные платы Quadra DVC EVO, оснащенный двумя установочными головками. В нем применяется цифровое видеоцентрирование компонентов «на лету». Также он может быть дополнительно укомплектован дозирующей головкой для нанесения паяльной пасты или клея на печатные платы. Эти и другие возможности Quadra DVC EVO позволяют устанавливать с его помощью широкий перечень SMD-компонентов, включая BGA микросхемы.
• интеллектуальный высокоточный модульный автомат для установки SMT компонентов RS-1. Он оснащен головкой с восемью вакуумными наконечниками, которая может перестраиваться по высоте расположения от поверхности платы в диапазоне 1-25 мм в зависимости от типоразмеров устанавливаемых компонентов, что значительно расширило его функциональные возможности и увеличило производительность. Также он имеет лазерную систему центрирования, разрешающая способность которой в несколько раз выше стандартных видеосистем центрирования. Это позволяет устанавливать даже самые малые компоненты, такие как 0250125. Кроме того, лазерная система центрирования позволяет осуществлять 3D измерения компонентов. Автомат RS-1, благодаря модульной конструкции, по своим возможностям  во многом опережает время и при установке дополнительных модулей обеспечивает надёжную защиту инвестиций предприятия на многие годы. Например, при установке для видеоцентрирования камеры сверхвысокого разрешения он способен устанавливать микросхемы с минимальным шагом выводов 0,1 мм с разрешением 5.2мкм. 

Предприятие «Совтест АТЕ» может предложить несколько моделей 

установок для монтажа BGA

 микросхем. Все они обладают высокой точностью и 100%-ной повторяемостью, но отличаются  друг от друга по способу нагрева, размеру рабочего стола и способу совмещения компонента и платы. 

. Они предназначены для монтажа и демонтажа таких компонентов, как SOIC, QFP, PLCC, BGA и многих других. Горячий воздух обеспечивает требуемый режим нагрева для паяльных материалов. Широкий выбор наконечников позволяет подобрать необходимый размер, чтобы обеспечить качественный процесс пайки;

. Это специализированное оборудование, предназначенное для равномерного и аккуратного нагрева печатных плат во время их сборки и ремонта. Термостол серии TMT-PH имеет инфракрасный кварцевый подогреватель. Область нагрева: от 130 до 310 мм, а диапазон температур: от 50 до 400 °C .

Конвекционная система для монтажа/демонтажа BGA-компонентов представляет собой технический комплекс, предназначенный для высококачественного монтажа и замены BGA-компонентов с шагом до 1 мм, а при определенном опыте применения — и с меньшим шагом. Управление процессом нагрева осуществляется по термопрофилю, который создается и записывается в память системы с помощью обычного компьютера. Чтобы исключить коробление платы, а также в целях уменьшения теплоотвода при пайке многослойных плат используется нижний подогреватель. Диапазон температур: от 176 до 482°С.

. Это неконвейерные печи, которые предназначены для пайки печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры с применением паяльных паст в условиях мелкосерийного и единичного производства и при изготовлении опытных образцов. Может использоваться также для отверждения клея. Конвекционный метод передачи тепла обеспечивает равномерный, щадящий нагрев плат, исключающий появление теневых эффектов. Нагрев в печи производится с обеих сторон.

Данные печи отличаются высокой стабильностью температуры, которая не зависит от производительности (скорости конвейера), веса и габаритных размеров печатной платы.  Применяются на средне и крупносерийном сборочно-монтажном производстве для оплавления паяльной пасты на печатных платах.

Реболлинг — это повторное нанесение (восстановление) шариковых выводов электронных BGA-компонентов. Применяется, как правило, при проведении ремонтно-восстановительных работ, а также для повторного использования демонтированного BGA компонента на другой плате.  Сначала производится демонтаж компонента, затем непосредственно процедура реболлинга, а дальше следует монтаж компонента на печатную плату. Монтаж и демонтаж компонентов можно производить как в ручном, так и в автоматическом и полуавтоматическом режимах (с использованием 

BGA ProfPlacer

, например). А процесс реболлинга часто проводится вручную, особенно, если речь идет о небольших ремонтных мастерских. Для реболлинга в промышленных масштабах используются автоматические установки, такие как 

SB2-Jet

. 

1. Подготовка BGA компонента
2. Флюсование
3. Нанесение пасты/раскладывание новых шариков
4. Оплавление
5. Очистка и сушка

• Паяльная станция с вакуумным отсосом припоя
• Шарики припоя/паяльная паста
• BGA трафарет и ракель
• Держатель для трафарета
• Флюс
• Отмывочная жидкость
• Деионизованная вода (для вымачивания трафарета и очистки от флюса)
• Поддон для очистки
• Щетка для очистки
• Пинцет
• Печь оплавления или система пайки

Чтобы подготовить BGA микросхемы к реболлингу, необходимо сначала удалить частично оплавленные выводы и остатков припоя с контактных площадок корпуса. Для этого на контактные площадки наносится флюс, затем при помощи горячего воздуха поверхность компонента нагревается (используется специальная насадка паяльной станции), а с помощью другой насадки – вакуумного отсоса – удаляется припой.  После удаления припоя поверхность BGA компонента очищается от остатков флюса с помощью специальной отмывочной жидкости или салфетки, смоченной в изопропиловом спирте. Также завершить процесс очистки компонента можно, смочив его деионизированной водой и просушив горячим воздухом.

Далее BGA компонент вынимается из фиксатора.  Фиксатор очищается от остатков флюса. Для этого его вымачивают в деионизированной воде в течение ~15 мин., затем чистят специальной щеткой, ополаскивают и сушат в воздушном потоке. Для достижения наилучших результатов специалисты рекомендуют использовать 

установки ультразвуковой очистки

.

• Снятие микрошлифа —  метод, позволяющий оценить микроструктуру паяных соединений, определить результат физико-химических процессов пайки в слоях интерметаллидов, образовавшихся на границе контактирующих металлов: ведь именно этими слоями определяется долговременная прочность паяного соединения

• Воздействие механических нагрузок. К механическим нагрузкам относится тест на растяжение (отрыв), который позволяет оценить прочность пайки как интегрального показателя качества. При безупречном соблюдении технологии пайки BGA во время теста произойдет обрыв контактной площадки, а не вывода BGA, так как паяное соединение между выводом BGA и контактной площадкой окажется прочнее соединения контактной площадки с платой

• Эндоскопия. С помощью эндоскопа можно заглянуть под корпус BGA  и визуально оценить качество паяных соединений. Однако, его доступ ограничен, поэтому хорошо рассмотреть все 100% паяных соединений невозможно. 

• Рентгенография– это метод, который долгое время был единственным из неразрушающих. Он позволяет выявить широкий спектр типовых дефектов, которые могут образоваться в ходе пайки: межвыводные перемычки, смещения или пустоты. Но есть ряд дефектов, в обнаружении которых рентгеновский контроль бессилен. Например, микротрещины между выводами BGA и контактными площадками. 

• Электрический контроль позволяет выявить целый ряд различных дефектов (короткие замыкания, непропаи, залипание в «0» или «1» и др.). К тому же это единственный метод, позволяющий судить о работоспособности изделий или микросхем. В зависимости от задач и серии, может использоваться различное оборудование (адаптерные системы, тестеры с подвижными пробниками и др). При этом основной проблемой тестирования BGA является отсутствие полноценного доступа ко всем выводам микросхем.