Стандартные профили пайки

Пайка массива шариковых решеток — что такое BGA (пайка массива шариковых решеток)

BGA — это устройство поверхностного монтажа (SMD), которое выполняет электрические соединения посредством расположения шариков припоя. У него нет выводов, а упаковка содержит сборку металлических сфер, изготовленных из припоя и называемых шариками припоя. Эти шарики припоя прикреплены с обратной стороны упаковки BGA к ламинированной подложке.

Микросхема BGA крепится к подложке с помощью технологии flip-chip или проводного соединения. Внутри BGA имеет внутренние проводящие дорожки, которые соединяют подложку и чип. Кроме того, она также обеспечивает соединение между связями BGA и подложкой. Вы можете отличить пакет BGA от других пакетов, взглянув на контакты, поскольку BGA имеет металлические шарики припоя вместо гвоздей. Эти шарики припоя обеспечивают высокое количество выводов, превышающее 208 выводов.

По сравнению с другими корпусами, BGA пользуется спросом в отраслях, где используются устройства с большим количеством входов/выходов. В следующем разделе подробно рассматривается, почему следует предпочесть пакет BGA другим пакетам.

(Здесь изображен близкий вид ИС BGA)

Размер шага значительно уменьшается, поскольку электронные устройства становятся все меньше и меньше по размеру. Возникает потребность в размещении электронных компонентов на печатной плате (PCB), подобно тому, как зерна укладываются в кукурузные колосья. Поэтому увеличение количества выводов на печатной плате способствовало изобретению пайки массива шариковых решеток (BGA). Вы найдете его среди наиболее ценных упаковок продуктов.

Однако вам наверняка интересно, как лучше паять BGA или как распознать и устранить дефекты пайки. Сам BGA уменьшается в размерах, а развалившиеся шарики припоя неузнаваемы невооруженным глазом. В данной статье рассматриваются все эти моменты и многое другое. Давайте начнем.

(Здесь показан крупный план технологии BGA на печатной плате)

Пайка массива шариковых решеток — проблема повторной пайки BGA

Вам необходимо выполнить доработку, если вы неправильно паяли в первый раз. Если вы не используете доработку для удаления компонента, то вам необходимо нагреть печатную плату вокруг элемента, чтобы припой снова расплавился (десольдеринг), и сварка улучшилась.

Если вам нужно отсоединить компонент и припаять.

то доработка и ручная пайка BGA-пакетов — самые сложные части. Давайте рассмотрим их в следующем подразделе.

2 Пайка массива шариковых решеток — ручная сварка BGA

1: Отсоедините BGA и тщательно сотрите остатки припоя с площадок печатной платы.

2: Затем убедитесь, что на BGA нет влаги, так как он чувствителен к влаге.

3: Выберите небольшой шаблон BGA для печати паяльной пасты. Вы должны использовать расстояние между шариками и их диаметр для определения размера отверстия и толщины шаблона. В конце вы также должны проверить качество печати.

4: Используйте паяльник для очистки и выравнивания остатков припоя. Далее вы можете использовать плоский паяльный наконечник и демонтажную ленту. Будьте осторожны, чтобы не повредить паяльную маску и площадку.

5: Повторите шаги 2 и 3.

6: Теперь пришло время смонтировать BGA. Это поможет, если вы положите пластину для сборки поверхностной печатной платы (после печати) на верстак. После этого необходимо включить вакуумный насос, выбрав подходящую насадку. Насадка будет заглатывать чип BGA и опускать его вниз.

когда площадка печатной платы и BGA будут перекрываться. Наконец, интегрируйте чип BGA с печатной платой и выключите вакуумный насос.

7: Выберите подходящую температуру пайки оплавлением в зависимости от толщины печатной платы, размера вашего устройства и т.д. Как правило, температура BGA на 15 градусов выше, чем у традиционных SMD.

8: Теперь все готово. Последний шаг — проверка сварки BGA.

Для работы в мощных AC/DC– и DC/DC – преобразователях в компьютерах, ноутбуках, телекоммуникационных системах и бытовых приборах компанией International Rectifier разработан корпус DirectFET. Это первый серийно выпускаемый корпус для поверхностного монтажа размером SO-8 и менее, позволяющий обеспечить действительно эффективный отвод тепла от кристалла мощного MOSFET. В отличие от традиционных пластиковых корпусов DirectFET обеспечивает двустороннее охлаждение полупроводниковой структуры, позволяющее по меньшей мере удвоить номинальный ток в том же размере. Металлический корпус экранирует излучение, а практически прямой монтаж кристалла на печатную плату предельно снижает паразитные индуктивности. Топология выводов обеспечивает простоту параллельного соединения приборов.

Внешний вид и поперечный разрез прибора DirectFET представлены на рис. 1. Пассивированный кристалл имеет двустороннее расположение выводов. На нижней стороне кристалла расположены металлизированные контакты: два контакта истока и один – затвора. Контакт стока на второй поверхности кристалла соединен с медным корпусом-кожухом.

При проектировании печатных плат одним из главных требований является плотность монтажного поля. Размер контактных площадок для монтажа и зазоров между ними во многом определяет составляющие технологии сборочно-монтажного производства. Конструкция DirectFET обеспечивает максимальную простоту монтажа на печатной плате (рис. 2).

В отличие от разработанных ранее типов корпусов для поверхностного монтажа взаимное расположение выводов DirectFET позволяет выполнить конструкцию проводников на печатной плате в виде четырех параллельных шин, на которые удобно монтируются корпуса при параллельном соединении. Простота топологии печатной платы обеспечивает минимальный уровень паразитной индуктивности. Большие размеры контактных площадок истока (2 по 1,8×1 мм), стока (2 по 0,4×3,9 мм) и затвора (0,8×0,5 мм), расстояния между ними (более 0,6 мм) и допуска на посадку дают возможность использовать все материалы и технологии производства и монтажа печатных плат. За счет большой площади контакта и взаимного расположения контактных площадок достигается высокая механическая прочность соединения корпуса с платой, улучшенная электрическая и тепловая проводимость с корпуса на плату.

Распайка на основе массива шариковых решеток — особенности BGA

Более низкая плотность трассировки улучшает дизайн печатной платы: В таких упаковках, как четырехслойные плоские пакеты, плотность трассировки значительно выше, поскольку контакты расположены рядом. Однако BGA решает или значительно смягчает эту проблему, распределяя контакты по всей поверхности пакета.

Прочный пакет BGA: Вы, конечно, знаете, что плоские пакеты для квадратных микросхем имеют чувствительные контакты, поскольку их можно быстро разрушить, даже если быть очень осторожным. Кроме того, поскольку контакты имеют очень большой шаг, практически невозможно отремонтировать погнутые контакты. Однако в BGA такой проблемы нет. В BGA электрические соединения обеспечивают площадки и шарики припоя, которые нелегко повредить.

Более низкое термическое сопротивление: Опять же, четырехслойная плоская упаковка имеет высокое тепловое сопротивление, но BGA обеспечивает гораздо более низкое тепловое сопротивление кремниевого чипа. Если ваша интегральная схема BGA выделяет тепло, оно быстро и эффективно перейдет из упаковки на поверхность печатной платы.

Четырехслойный плоский пакет (QFP)

Улучшенные высокоскоростные характеристики: В BGA проводники находятся в нижней части корпуса микросхемы. Это означает, что длина проводников внутри микросхемы меньше. Это, в свою очередь, приводит к снижению уровня нежелательной индуктивности выводов. Нежелательная индуктивность выводов отвечает за искажение нежелательных сигналов в схемах, работающих на высокой частоте и скорости. Поэтому при использовании пакетов BGA можно добиться высоких характеристик по сравнению с их аналогами — четырехслойными плоскими пакетами (QFP).

Уменьшенная толщина пакета: При использовании BGA-пакетов вы получаете уменьшенную толщину и можете без труда изготавливать печатные платы для тонких электронных изделий, таких как смартфоны.

Практичное использование пространства печатной платы: Вы можете продуктивно использовать пространство печатной платы с помощью микросхем BGA. Вы можете выполнять электрические соединения под поверхностью этого SMD-чипа. Вам больше не нужно ограничивать связи только периферией SMD-пакетов.

Можно разрабатывать небольшие пакеты ИС: Стандартные SMD-устройства, такие как массивы штырьковых решеток и dual-in-line, имели переполненные штырьки, с крошечной площадью между ними. Это является недостатком, поскольку вы можете случайно спаять вместе два или более контактов. Тем не менее, при использовании BGA вы не столкнетесь с подобной проблемой и сможете легко изготавливать небольшие корпуса ИС.

(Здесь показан отпечаток BGA на печатной плате)

Недостатки

Как известно, не все идеально, поэтому BGA имеет несколько недостатков. Во-первых, если вы наивны и не являетесь экспертом в работе с BGA, вы столкнетесь с трудностями при проектировании и изготовлении схем. Во-вторых, иногда трудно обнаружить дефекты в корпусе BGA. В-третьих, BGA являются непроводящими. Наконец, они имеют высокую стоимость, что может быть или не быть недостатком в зависимости от вашего бюджета.

Готовое решение для создания
корпоративного сайта

Паяльная паста НИТИ АВАНГАРД ПП-62-4-89CН1

Изготавливаются в соответствии с ТУ 3439-002-07518266-2017

Оловянно-свинцовая синтетическая не коррозионная припойная паста обеспечивают хорошую смачиваемость и паяемость основных типов финишных покрытий контактных площадок печатных плат, в том числе горячее лужение олово-свинец; иммерсионное золото; иммерсионное серебро; иммерсионное олово; Отличная смачивающая способность паяльной пасты позволяет получить яркие, гладкие, блестящие паяные соединения. Обладая такими свойствами, как устойчивость к растеканию, высокая клейкость, улучшенное смачивание и низкий уровень остатков после оплавления, эта припойная паста эффективно используется на
производстве. Имеет стабильные свойства при изменении влажности.

Гарантия на оборудование. Техническая поддержка. Сервисное обслуживание.

В другом объеме:

• Паяльная паста АВАНГАРД ПП-62-3-89СН1
• Паяльная паста АВАНГАРД ПП-62-3-90СН1
• Паяльная паста АВАНГАРД ПП-62-5-89СН1
• Паяльная паста АВАНГАРД ПП-62-5-90СН1

• изготавливается по ТУ 3439-002-07518266-2017;
• содержит замедлитель коррозии;
• отличное качество печати;
• остатки, при необходимости, можно удалить любым из существующих способов;
• обеспечивает превосходный результат при печати в любых печах, при любой конвекции;
• содержание металла 88-91%;
• поверхностное сопротивление изоляции (соответствует требованиям ГОСТ 23752) — не менее 1010 Ом ;
• включена в ОСТ4Г 0.033.200;
• приемка ВП и ОТК.

Стандартная композиция паяльных паст

Тесты на коррозию, на образование шариков припоя, смачивание, проседание (SN 59650) – пройдены. Лабораторные тесты подтверждают не коррозионность остатков паяльной пасты, соответствующих регламенту, которые можно оставлять на плате даже под влагозащитным покрытием.

Рекомендуется стандартный профиль для пайки оплавлением оловянно-свинцовых припоев с пиковой температурой в диапазоне от 205 до 225°С в зависимости от конструкции электронного модуля с учетом его теплоемкости.

Использование вентиляции и средств персональной защиты. Храните содержащие свинец материалы только в специальных емкостях.

Транспортирование и хранение

Транспортирование припойных паст допускается любыми видами транспорта с принятыми мерами защиты от ударов при транспортировке, погрузке и разгрузке. При транспортировании продукции должна соблюдаться температура внешней среды от 0 до плюс 10°С и относительная влажность не выше 60%. Хранение припойных паст производится в холодильнике при температурах от 0 до плюс 6°С или в закрытых складских помещениях в индивидуальной таре на стеллажах или полках крышками кверху при температуре от 0 до плюс 10°С.

Автор статьи: Козин Дмитрий, технолог монтажно-сборочного производства Резонит.

Основная задача процесса оплавления паяльной пасты (пайки) – формирование интерметаллического слоя (IMC=Inter Metallic Compound), который образует физическое и электрическое соединение между контактной площадкой на печатной плате и контактом электронного компонента, и определяет надежность паяного соединения. Хороший интерметаллический слой имеет толщину всего несколько микрон (1-4 мкм).

Технологическая операция пайки является основным методом формирования паяных соединений при сборке печатных узлов (ПУ) по технологии поверхностного монтажа (SMT). Температурный профиль пайки среди всех условий данной операции является наиболее важным, определяя уровень дефектов при пайке.

Рис. 1. Основные факторы, влияющие на формирование температурного профиля пайки
Рисунок из статьи «Оптимизация температурного профиля пайки печатных плат оплавлением»

Основными факторами, влияющими на формирование температурного профиля пайки, являются (рис. 1):

• Электронные компоненты;
• Печатные платы (ПП);
• Паяльная паста;
• Оборудование (печь для пайки оплавлением).

Главные параметры данных факторов указаны в таблице:

Рис. 2. Ступенчатый (синий) и линейный (красный) температурные профили (для свинцовых припоев)
Рисунок из статьи «Оптимизация температурного профиля пайки печатных плат оплавлением»

По результатам экспериментальных паек для разработки температурного профиля следует учитывать, что реальная температура на плате будет на 20-30 С° ниже установленной в конвекционной печи.

Температурный профиль можно разделить на четыре основные стадии (рис. 3):

1.     Предварительный нагрев;

2.     Стабилизация (зона температурного выравнивания);

3.     Оплавление (пайка);

Рис. 3. Стадии температурного профиля

Рассмотрим каждую стадию отдельно. Нижеуказанные температуры соответствуют среднестатистической свинцовой паяльной пасте на основе сплавов Sn62/Pb36/Ag2 и Sn63/Pb37. При использовании конкретной паяльной пасты рекомендуется уточнять параметры температурного профиля у производителя данной пасты.

Стадия предварительного нагрева

Данный этап позволяет снизить тепловой удар на электронные компоненты и печатные платы (ПП). В процессе предварительного нагрева происходит испарение растворителя (составляющая флюса) из паяльной пасты.

При использовании свинцовых паяльных паст предварительный нагрев рекомендуется осуществлять до температуры 95-130 С°, скорость повышения температуры для ступенчатого профиля 2-4 С°/сек, для линейного – 0,5-1,3 С°/сек.

Стадия стабилизации (температурное выравнивание) необходима для активизации флюса и испарения составляющих паяльной пасты. Повышение температуры должно происходить очень медленно. Данная стадия должна обеспечить нагрев всех компонентов на плате до одинаковой температуры, что предотвращает повреждение компонентов от теплового удара.

Максимальная активация флюса происходит при температуре около 150 С°, рекомендуемый диапазон температур – 150-170 С°. Рекомендуемое время стабилизации для ступенчатого профиля составляет 90-150 сек. В линейном профиле время стабилизации считается достаточным в среднем около 30 сек.

На стадии оплавления температура в печи повышается до точки расплавления припоя пасты и происходит формирование паяного соединения между платой и компонентами.

Для образования надежного паяного соединения максимальная температура пайки должна превышать на 30-40 С° точку плавления паяльной пасты и составлять 205-225 С° (на плате в точке пайки). Время, в течение которого печатная плата находится выше точки плавления (179-183 С°), должно быть в пределах 30-90 сек, в среднем 60 сек. Скорость повышения температуры в зоне оплавления должна составлять 2-4 С°/сек.

Для обеспечения максимальной прочности паяных соединений скорость охлаждения должна стремиться к максимально допустимой. Скорость охлаждения рекомендуется держать в пределах 3-4 С°/сек до температуры ниже 130 С°. Наилучшим вариантом является охлаждение до 100 С°.

Отклонение от допустимых параметров может приводить к образованию дефектов:

• Расползание пасты и образование перемычек;
• Эффект «надгробного камня»
• Образование бусинок припоя;
• Капиллярное затекание припоя;
• Отслоение припоя или контактной площадки из-за внутренних напряжений;
• Деформация паяных соединений;

Основные типы дефектов, относящиеся к пайке, механизмы образования этих дефектов и требуемые характеристики температурного профиля указаны в следующей таблице:

Теоретическое построение профиля является лишь исходной информацией для его создания. Окончательная корректировка температурного профиля производится технологом исходя из параметров печатной платы, количества печатных узлов, параметров электронных компонентов, типа используемой паяльной пасты, особенностей задействованного технологического оборудования, а также данных из результатов предварительных паек предыдущих печатных узлов.

Пайка массива шариковых решеток — процесс сварки BGA

Для сварки или пайки устройств BGA необходимо выбрать правильную температуру сварки и структуру сплава припоя. В качестве небольшого совета, вы можете убедиться, что припой BGA-чипа не полностью расплавился. Можно оставить его в полужидком состоянии, позволяя каждому шарику припоя оставаться отдельно от других шариков припоя.

(Здесь показано, как специалист укладывает шарики припоя на решетку из шариков)

2 Сварочный комплект и сварочный аппарат

К счастью, на рынке электроники имеется широкий ассортимент сварочных аппаратов и сварочных комплектов для BGA. В наш технологический век вы также можете заказать их через Интернет. При покупке сварочных аппаратов следует обратить внимание на следующие основные характеристики:

Они должны позволять вручную монтировать, паять, отпаивать и извлекать чип BGA.

3 Тщательно очистите печатную плату

Итак, теперь, когда у вас есть сварочный аппарат или комплект и вы выбрали идеальную температуру сварки для начала работы, этого еще недостаточно. Перед началом пайки BGA необходимо тщательно очистить печатную плату и BGA. Для BGA необходимо сделать поверхность гладкой. Рассмотрим в следующем разделе, как их можно очистить шаг за шагом.

4 Пайка массива шариковых решеток — метод очистки BGA

Прежде всего, необходимо установить BGA на проводящую площадку и добавить небольшое количество паяльной пасты на ее поверхность.

Затем с помощью паяльника и проволоки отделите шарик от BGA. Дайте паяльнику разжижить оловянный шарик и нагреть проницаемую проволоку, прежде чем перемещать стиральную линию по поверхности BGA. Кроме того, необходимо следить за тем, чтобы паяльник не оказывал слишком сильного давления на поверхность, так как это может привести к растрескиванию поверхности.

Используйте технический спирт для очистки поверхности BGA и фрикционные движения для удаления припоя с поверхности BGA. Часто начинайте с краев и не пренебрегайте углами. Продолжайте и продолжайте протирать. Используйте чистый растворитель для каждого BGA.

Затем, вы также можете проверить поверхность BGA на наличие не удаленных оловянных шариков и поврежденных площадок с помощью микроскопа.

Очистите поверхность BGA с помощью щетки и деионизированного спрея. Это поможет удалить с поверхности BGA остатки паяльной пасты. Оставьте BGA на воздухе для высыхания. Проверьте поверхность BGA дважды.

Для удаления влаги запекайте BGA и печатную плату в течение 10-20 часов при температуре от 80℃ до 90℃ в печи с постоянной температурой. Вы можете регулировать время и температуру запекания в зависимости от уровня влажности.

Кроме того, во время всех последующих операций надевайте антистатические перчатки или статические кольца, чтобы предотвратить ненужные сбои в работе микросхем из-за статического электричества.

2 Пайка массива шариковых решеток — проверка паяных соединений BGA

Производители печатных плат не используют оптические методы для проверки BGA, поскольку паяные соединения под компонентами BGA визуально не видны. Электрическая оценка не очень точна, так как она показывает только электрическую проводимость BGA только в данный момент. Она не оценивает срок службы солдата. Паяный шов может разрушаться со временем.

Метод рентгеновского контроля

Рентгеновские лучи контролируют паяные соединения BGA. Рентгеновский анализ позволяет увидеть паяные соединения под деталями. Поэтому в промышленности широко используется технология автоматического рентгеновского контроля (AXI) для контроля BGA.

3 Пайка массива шариковых решеток — основной процесс сварки BGA

Одной из основных проблем с BGA была возможность успешной сварки или пайки. Кроме того, поскольку на обратной стороне BGA-чипа вместо выводов имеются площадки, очень важно соблюдать правильный метод сварки.

К счастью, методы сварки BGA показали, что они более эффективны, чем стандартные четырехсторонние плоские площадки. Необходимо лишь правильно настроить процесс. Отныне это означает, что сборка прототипов печатных плат и производство сборки печатных плат в широких масштабах.

Перед началом процесса сварки BGA необходимо тщательно выбрать размер припоя и шарика, а также высоту свертывания. Вы будете нагревать шарики припоя, и когда они расплавятся, поверхностное натяжение позволит им правильно подогнать BGA к печатной плате. После этого припой остынет и застынет, подготавливая печатную плату BGA.

Однако такой нагрев шариков припоя не так прост, как кажется. Для этого необходимо использовать методы пайки оплавлением. Это крайне важно, поскольку необходимо обеспечить расплавление припоя под чипом BGA. Для этого необходимо, чтобы температура всей сборки превышала температуру точки плавления. В конечном счете, только процессы пайки оплавлением могут это сделать.

4 Пайка массива шариковых решеток — пайка BGA оплавлением

Итак, теперь, когда вы знаете, почему необходимо использовать процедуру пайки оплавлением, перейдем к тому, какой тип флюса следует использовать. По сути, существует два вида флюса: водорастворимый и неочищаемый. Вы можете использовать неочищающий флюс, если у вас нет возможности промыть печатную плату деионизированной водой на заключительных этапах пайки оплавлением и сборки печатной платы. Возможно, вы не захотите обрабатывать плату, если она содержит ЖК-дисплеи, кристаллы или более чувствительные к воде детали.

С другой стороны, вы можете использовать водорастворимый флюс, если собираетесь промывать печатную плату деионизированной водой. Стоит отметить, что тип флюса определяет уровень активности между изменением активности и паяльной пастой, независимо от того, какой тип флюса вы используете.

Выбор припоя

Наконец, после выбора флюса также важно выбрать правильный припой. Недостаточный отжиг, неадекватная замена и низкая печать трафарета могут привести к поломке открытых шариков припоя.

Пайка массивов шариковых решеток — дефекты припоя в BGA

Мы только что упоминали слово «отказ открытого шарика припоя». Это тип дефекта припоя, который также известен как доступное паяное соединение или незакрытый шарик. Его причиной является недостаточный нагрев при пайке. Прерывистое соединение BGA (BIC) — это еще один вид дефекта припоя. Он затрагивает все размеры шага и является чрезвычайно опасным, поскольку часто имеет нерегулярный характер. Он может привести к потере OEM-производителями тысяч долларов, скрытых в потерянном производственном времени и задержке выпуска продукта.

Тем не менее, как следует из названия, BIC разрушаются лишь изредка. Поскольку их трудно найти, BIC создают цепную реакцию, отправляя неуловимую, трудно отслеживаемую дилемму дизайна в несколько инженерных групп OEM и, наконец, в правление.

Помимо нераскрывшихся шариков и BIC, вы также должны отбирать короткие, открытые и треснувшие шарики BGA.

Как и в случае с несклеившимися шариками и BIC

причиной этих дефектов является слабый тепловой профиль для дожигания.

Тепловой профиль определяет температурный диапазон, в котором вы будете нагревать печатную плату во время пайки оплавлением, а также время, проведенное платой при любой температуре. Если вы правильно подключите все температурные зоны термопрофиля, результатом будет полная пайка. Затем вы можете проверить его с помощью рентгеновского контроля BGA.

Пайка массива шариковых решеток — распространенные типы BGA

Пластиковые BGA (PBGA) являются наиболее востребованными BGA благодаря своей низкой стоимости. Они имеют шаг шариков размером от 1 мм до 1,27 мм. Эти BGA имеют многослойную подложку из стеклосмеси, корпус с пластиковым покрытием и гравированные медные дорожки. С ними вы получите предварительно сформированные шарики припоя и повышенную температурную стабильность.

Если вы задаетесь вопросом об их применении, вы можете использовать их для устройств, требующих производительности среднего и высокого уровня. Таким устройствам необходимы низкая индуктивность, высокий уровень надежности и простота монтажа на поверхность. Пластиковые пакеты также имеют дополнительные медные слои, что может способствовать повышению уровня рассеиваемой мощности.

Керамические BGA

Керамические BGA (CBGA) относятся к самым ранним типам BGA. Он поставляется в керамическом пакете прямоугольной или квадратной формы, в котором для создания внешних электрических соединений используются шарики припоя, а не выводы. CBGA располагаются в сетке, присутствующей на обратной стороне корпуса коробки. Их можно использовать в ноутбуках, телекоммуникационных системах и устройствах для тестирования.

BGA с гибкой лентой

В этом типе BGA гибкая лента, чип и шарики припоя расположены на обратной стороне металлического теплораспределителя. Этот теплораспределитель служит в качестве несущей и жесткой основы пакета BGA с гибкой лентой. Микросхема соединяется с дорожками ленты с помощью проволочного соединения, а затем помещается в оболочку. Если вы хотите сравнить их с QPFA и PBGA, то их надежность, электрические и тепловые характеристики действительно лучше. Их можно использовать в решениях, требующих высоких тепловых характеристик без теплоотводов.

Высокопрофильные металлические BGA с высокой теплопроводностью

Подобно BGA с гибким отводом, вы также можете достичь более высоких электрических и тепловых характеристик с помощью высокопрофильных BGA с металлической вершиной с высокой теплопроводностью. Их конструкция в некоторой степени схожа с BGA с гибкой лентой. Микросхема крепится на обратной стороне пробки или теплораспределителя, достигая верхней части пакета. Таким образом, благодаря медному теплораспределителю, достигающему верха пакета, вы получаете значительно меньшее тепловое сопротивление, а поверхность пакета свободно доступна для воздушного потока.

Если вам также необходимо использовать теплоотвод или другие пассивные или активные устройства терморегулирования, вы можете соединить теплоотвод с ними. Кроме того, если вы разработаете дополнительные плоскости заземления и питания, вы получите улучшенные электрические характеристики. При использовании этого типа BGA-пакетов недостаток, заключающийся в том, что BGA-пакеты трудно проверить, больше не действует. Его верхняя поверхность обладает высокой отражательной способностью, поэтому системы технического зрения обеспечивают лучшую производительность при использовании рассеянного источника освещения, а не поляризованного.

Пакет со шкалой чипа

Пакет BGA получил свое название потому, что его можно спроектировать в соответствии с требованиями к размерам микросхемы. Любой пакет BGA является пакетом масштаба микросхемы (CSP), если он соответствует спецификациям вашей микросхемы и является устройством поверхностного монтажа. Их можно использовать в смартфонах, интеллектуальных устройствах, ноутбуках и других современных компактных электронных устройствах.

Резюме

В этой статье мы представили технологию BGA, ее различные типы, преимущества и недостатки. Далее мы объяснили, какие сварочные наборы и аппараты вы можете приобрести для их пайки. И, если вы плохо паяли, как можно переделать BGA.

Мы также сравнили BGA с традиционными устройствами поверхностного монтажа. Наконец, мы также представили дефекты пайки, чтобы вы могли их избежать. Если вам все еще нужна дополнительная информация.

связанная с технологией BGA, вы можете связаться с нами и обсудить ее вместе.

Для улучшения качества паяльных соединений и снижения их переходного сопротивления на выводы элементов и на проводники печатных плат наносят функциональные покрытия — паяльные пасты. В нашей стране наибольшее распространение получили два метода нанесения паяльной пасты – метод дозирования и метод трафаретной печати. Производитель рекомендует наносить паяльную пасту методом трафаретной печати. Для нанесения паяльной пасты методом трафаретной печати рекомендуется использовать паяльные пасты с содержанием металлической составляющей 88–91%. Оптимальная вязкость в зависимости от размеров частиц припоя должна составлять 600–1000 ксП. Наиболее часто используют трафареты толщиной 150–250 мкм. Рекомендуемый размер окон в трафарете составляет 75–90% от размера контактной площадки. На рис. 3 показано оптимальное количество пасты, нанесенной на контактные площадки печатной платы.

Для нанесения паяльной пасты могут использоваться ракели различной конструкции из различных материалов, в том числе стальные, пластмассовые или полиуретановые. После нанесения паяльной пасты на печатную плату рекомендуется произвести очистку трафарета с нижней стороны для предотвращения образования перемычек и шариков припоя в процессе пайки.

Пайка с применением паяльной пасты осуществляется в специальных печах с конвекционным или инфракрасным методом нагрева. При ремонте пайку можно производить с помощью термофена. Для ручного монтажа транзисторов в корпусе DirectFET компания выпускает «MicroStencil Kit» – набор из 25 трафаретов плюс ракель для нанесения паяльной пасты. На рис. 4 приведен внешний вид трафаретов и ракеля для монтажа транзисторов в корпусе DirectFET на плату.

Режимы пайки печатных узлов определяются температурным профилем (рис. 5).

Приведем параметры четырех основных стадий процесса пайки.

• Стадия предварительного нагрева позволяет снизить тепловой удар на электронные компоненты и печатные платы. В процессе предварительного нагрева происходит испарение растворителя из паяльной пасты. При использовании паяльных паст на основе наиболее распространенных сплавов Sn62/Pb36/Ag2 и Sn63/Pb37 предварительный нагрев рекомендуется осуществлять до температуры 95–130 °С, скорость повышения температуры для традиционного профиля – 2–4 °С/с, для нового – 0,5–1 °С/с.
  Высокая скорость предварительного нагрева в традиционном профиле может приводить к преждевременному испарению растворителя, входящего в состав паяльной пасты, и к целому ряду дефектов: повреждению компонентов за счет теплового удара, разбрызгиванию шариков припоя и возникновению перемычек припоя.Стадия стабилизации позволяет активизировать флюсующую составляющую и удалить избыток влаги из паяльной пасты. Повышение температуры на этой стадии происходит очень медленно. Стадию стабилизации также называют «стадией температурного выравнивания», т. к. эта стадия должна обеспечивать нагрев всех компонентов на плате до одинаковой температуры.
  Максимальная активация флюса происходит при температуре около 150 °С. Если стадия стабилизации проводится недостаточное время, результатом могут быть дефекты типа «холодная пайка» и эффект «надгробного камня». Подобные дефекты наблюдаются, как правило, в печах с инфракрасной системой нагрева. Рекомендуемое время стабилизации для традиционного профиля составляет 90–150 с. В новом профиле время стабилизации 30 сек. считается достаточным. В конце зоны стабилизации температура обычно достигает 50–70 °С. В случае длительного времени или высокой температуры стадии стабилизации флюс может потерять защитные свойства, его активность снижается, это приводит к ухудшению паяемости и разбрызгиванию шариков припоя на стадии пайки.Стадия оплавления. На стадии оплавления температура повышается до расплавления паяльной пасты и происходит формирование паяного соединения. Для образования надежного паяного соединения максимальная температура пайки должна на 30–40 °С превышать точку плавления паяльной пасты и составлять 205–225 °С (на плате). Время, в течение которого печатная плата находится выше точки плавления (179–183 °С), должно быть в пределах 30–90 сек, предпочтительно не более 60 сек. Скорость повышения температуры в зоне оплавления должна составлять 2–4 °С/с. Помните, что низкая температура пайки обеспечивает слабую смачиваемость, особенно для компонентов с плохой паяемостью.Стадия охлаждения важна наравне с другими стадиями. Для обеспечения максимальной прочности паяных соединений скорость охлаждения должна быть максимальной. В то же время высокая скорость охлаждения может вызвать термоудар по электронным компонентам. Рекомендуемая скорость охлаждения — 3–4 °С/сек до температуры ниже 130 °С.
• Стадия предварительного нагрева позволяет снизить тепловой удар на электронные компоненты и печатные платы. В процессе предварительного нагрева происходит испарение растворителя из паяльной пасты. При использовании паяльных паст на основе наиболее распространенных сплавов Sn62/Pb36/Ag2 и Sn63/Pb37 предварительный нагрев рекомендуется осуществлять до температуры 95–130 °С, скорость повышения температуры для традиционного профиля – 2–4 °С/с, для нового – 0,5–1 °С/с.
  Высокая скорость предварительного нагрева в традиционном профиле может приводить к преждевременному испарению растворителя, входящего в состав паяльной пасты, и к целому ряду дефектов: повреждению компонентов за счет теплового удара, разбрызгиванию шариков припоя и возникновению перемычек припоя.
• Стадия стабилизации позволяет активизировать флюсующую составляющую и удалить избыток влаги из паяльной пасты. Повышение температуры на этой стадии происходит очень медленно. Стадию стабилизации также называют «стадией температурного выравнивания», т. к. эта стадия должна обеспечивать нагрев всех компонентов на плате до одинаковой температуры.
  Максимальная активация флюса происходит при температуре около 150 °С. Если стадия стабилизации проводится недостаточное время, результатом могут быть дефекты типа «холодная пайка» и эффект «надгробного камня». Подобные дефекты наблюдаются, как правило, в печах с инфракрасной системой нагрева. Рекомендуемое время стабилизации для традиционного профиля составляет 90–150 с. В новом профиле время стабилизации 30 сек. считается достаточным. В конце зоны стабилизации температура обычно достигает 50–70 °С. В случае длительного времени или высокой температуры стадии стабилизации флюс может потерять защитные свойства, его активность снижается, это приводит к ухудшению паяемости и разбрызгиванию шариков припоя на стадии пайки.
• Стадия оплавления. На стадии оплавления температура повышается до расплавления паяльной пасты и происходит формирование паяного соединения. Для образования надежного паяного соединения максимальная температура пайки должна на 30–40 °С превышать точку плавления паяльной пасты и составлять 205–225 °С (на плате). Время, в течение которого печатная плата находится выше точки плавления (179–183 °С), должно быть в пределах 30–90 сек, предпочтительно не более 60 сек. Скорость повышения температуры в зоне оплавления должна составлять 2–4 °С/с. Помните, что низкая температура пайки обеспечивает слабую смачиваемость, особенно для компонентов с плохой паяемостью.
• Стадия охлаждения важна наравне с другими стадиями. Для обеспечения максимальной прочности паяных соединений скорость охлаждения должна быть максимальной. В то же время высокая скорость охлаждения может вызвать термоудар по электронным компонентам. Рекомендуемая скорость охлаждения — 3–4 °С/сек до температуры ниже 130 °С.

Окончательный выбор режимов производится технологом исходя из конструкции печатной платы, типа и размеров компонентов, количества компонентов на печатной плате, особенностей используемого оборудования, результатов экспериментальных паек, типа паяльной пасты. Следует также учитывать, что реальная температура на плате в процессе пайки будет на 20–30 °С ниже установленной в печи.

Выбор температурного режима пайки бессвинцовых паяльных паст в значительной степени зависит от типа и состава флюса, входящего в паяльную пасту. Рекомендуемые профили пайки смотрите в описании конкретных типов флюса.

Процесс оплавления бессвинцовых паяльных паст имеет те же стадии, что и при пайке традиционных паст со сплавом олово — свинец. Физические процессы, протекающие на каждой из стадий, описаны выше. На рис. 6 приведен типовой пример профиля для бессвинцовой пайки оплавления.

Рекомендуемые параметры основных стадий процесса.

• Стадия предварительного нагрева. Нагрев до 130 °C должен проходить при скорости не более чем 2 °C/секунду. Более высокая скорость нагрева может приводить к растеканию отпечатков паяльной пасты или разбрызгиванию шариков припоя.
• Стадия стабилизации. Протекает в диапазоне температур 130–165 °C в течение 60–120 секунд в зависимости от конструкции печатного узла, требований компонентной базы и характеристик печей оплавления. Далее следует участок нагрева от 165 °C до точки плавления бессвинцового сплава 217°C при скорости 2 °C/с. Важно, чтобы длительность этой стадии не превышала 30 секунд во избежание преждевременного истощения флюса. Флюсующая составляющая должна сохранять активность в течение этой стадии для гарантированного полного сплавления частиц припоя на стадии оплавления.
• Стадия оплавления. Пиковая температура пайки составляет 230–250 °C. Время нахождения при пиковой температуре не критично, однако важно, чтобы время нахождения выше 217 °C, точки плавления бессвинцового сплава, было не более 30–50 секунд. Это определяет внешний вид паяных соединений. Более длительное нахождение паяльной пасты на стадии оплавления может приводить к плохому смачиванию контактных площадок из-за процессов реокисления и обугливанию флюса.
• Стадия охлаждения. Рекомендуемая скорость охлаждения – 3 °C/сек. Более быстрое охлаждение может повредить печатный узел и компоненты. Более медленное охлаждение будет увеличивать матовость поверхности паяного соединения.

Компания рекомендует использовать свинцовосодержащие пасты для приборов DirectFET с суффиксом PbF, прибор без суффикса PbF не рекомендуется для использования свинцовосодержащими пастами.

Охлаждение

Одной из возможных мер по обеспечению нормального теплового режима корпуса DirectFET может стать применение радиатора, который увеличивает теплоотдающую поверхность прибора. Для систем воздушного охлаждения широко используют ребристые и игольчато-штыревые и пластинчатые радиаторы. Сайт компании предлагает расчет радиатора с помощью DirectFET® Rating Calculator, в результате расчета будет выбран тип радиатора и его параметры.

Способы крепления радиаторов на печатной плате

• Механический метод (рис. 8). Радиатор жестко крепится с помощью винтов с гайкой. Усилие сжатия регулируется втулкой.
• Метод нажимного штифта (рис. 9). Данный метод может применяться только для миниатюрных радиаторов, т. к. такое крепление не выдерживает вибрацию.
• Метод крепления S-образными клипсами (рис. 10).
• Метод адгезива (рис. 11). В качестве адгезива применяют двухкомпонентные компаунды, предназначенные для обеспечение теплоотвода от греющегося источника, которые обладают высокой эластичностью, химической инертностью и хорошей адгезией к металлам. Для увеличения механической прочности устанавливают штифты.
• Метод VRM Clips (рис. 12). С помощью хомутов стягиваются два радиатора.

Таким образом, высокоэффективный корпус DirectFET позволяет разработчикам существенно уменьшить рабочую площадь печатной платы, эффективно и достаточно просто отводить тепло. Приемлемая цена, высокая надежность делает эти изделия весьма привлекательными для широкого круга разработчиков.

• Башкиров В. DirectFET – прорыв в технологии.
• www.irf.com
• Медведев А. Проблемы технологии бессвинцовой пайки.
• www.efd-inc.com /ссылка утрачена/