Большинство PBGA-компонентов демонстрирует сильную чувствительность к влажности. Контроль влажности необходим для предотвращения т.н. эффекта «попкорна» – вспучивания корпуса либо герметизирующего материала ЭК при пайке. Перед поставкой производится сушка BGA-компонентов и упаковка их в герметичный пакет с влагопоглотителем («dry pack»). По стандарту IPC/JEDEC Spec J-STD-020 большинство PBGA-компонентов классифицируется как относящиеся к уровням 3 и 4. В этом же стандарте указано максимальное время, которое ЭК могут провести вне защитной упаковки без накопления существенного количества влаги (т.н. «floor life») и описаны процедуры, которые необходимо проделать для сушки ЭК перед сборкой, в случае превышения этого времени.
Необходимо отметить, что компоненты продолжают накапливать влагу после монтажа. При проведении ремонта необходима сушка платы перед тем, как подвергнуть ее воздействию тепла. В противном случае, возможно массовое повреждение компонентов.

Параметры ПП

Плоскостность

На обеспечение равномерного и надежного паяного соединения BGA-компонентов и ПП значительно влияет значение деформации (прогиба) ПП. В особенности это существенно при больших размерах корпусов. Согласно стандарту ANSI/IPC-2221, максимальное значение деформации ПП для SMT-монтажа не должно превышать 0,75% на всю длину ПП [13].

Требования к покрытию

Важным фактором в обеспечении требуемого качества изделий является равномерная толщина покрытия ПП. Рекомендуется применение органического покрытия (OSP); для плат с покрытием из химического или иммерсионного золота толщина золотого покрытия должна составлять 0,15±0,05 мкм (в целях предотвращения охрупчивания паяного соединения). Для ПП с горячим лужением и выравниванием «воздушным ножом» (HASL) равномерность покрытия платы должна находиться в пределах 28 мкм [6].

Этапы сборочного процесса

Как и для прочих SMT-компонентов, монтаж BGA предусматривает выполнение типовых этапов сборочного процесса: нанесения паяльной пасты, установки компонентов, оплавления в печи, отмывки (в зависимости от типа применяемого флюса).

Нанесение паяльной пасты

При монтаже BGA-компонентов с шариками из эвтектического сплава 63Pb/37Sn, рекомендуется дополнительно наносить на КП паяльную пасту, хотя существуют технологические процессы, предусматривающие нанесение только флюса. Тем не менее, есть ряд преимуществ, которые дает нанесение пасты [4, 5]:

Смачивание. Паста работает как флюс, улучшая смачивание шарика припоя и КП платы;
Отсутствие смещения ЭК. Паста помогает удерживать компонент на своем месте в процессе оплавления;
Меньше проблем с копланарностью. Паста помогает скомпенсировать незначительные различия в копланарности шариков;
Регулировка количества припоя. Паста добавляется к общему объему припоя в паяном соединении, позволяя регулировать его количество для достижения лучших результатов;
Бо́льший зазор. Компонент без пасты будет иметь меньший (на 0,025–0,050 мм) зазор с поверхностью ПП, что может понизить термическую надежность ЭК;
Самоцентрирование. Способность ЭК к самоцентрированию будет меньше при наличии только флюса.

Для шариков из высокотемпературного сплава (как правило, 90Pb/10Sn с температурой ликвидуса 302°С), не оплавляющегося в печи, особенно критичным является нанесение достаточного количества паяльной пасты. Так, для монтажа CBGA с толщиной слоя пасты 200 мкм (8 mil) необходимо нанесение 7000 mil³ пасты (номинально) и 4800 mil³ (минимально требуемый объем) [17].
Настоятельно рекомендуется [8] использовать пасту с флюсом, не требующим отмывки, так как отмывка под корпусами BGA может быть затруднена. Допускается использование паст с водосмываемым флюсом [6].
На процесс нанесения пасты существенно влияют характеристики трафаретов, включая метод их производства. Существуют три типовых метода производства трафаретов: химическое травление, лазерная резка, аддитивный метод (гальванопластика, гальваническое осаждение никеля на гибкую подложку – медную фольгу). Рекомендуется применение трафаретов, выполненных лазерной резкой (электрополированных либо покрытых никелем и электрополированных), преимущественно из нержавеющей стали, либо никелевых, выполненных гальванопластикой [1, 6]. Форма апертур должна быть конической (уклон конуса 5°). Толщина трафарета – 100-200 мкм (4-8 mil) в зависимости от рекомендаций производителя ЭК [1, 4, 5, 6].
Рекомендации, касающиеся формы и размеров апертур трафарета, у различных производителей ЭК, паяльных материалов и трафаретов могут существенно различаться. Применяется круглая, квадратная (в т.ч. со скругленными углами), овальная и ромбовидная форма апертур. Круглая форма является доминирующей. Например, по данным [9] для BGA с шагом выводов 1,27 мм рекомендуются круглые КП диаметром 0,8 мм с диаметром апертуры 0,75 мм; 1 мм – КП диаметром 0,38 мм и апертурой 0,35 мм; 0,5 мм – 0,3 и 0,28 мм соответственно. Fairchild [4] рекомендует квадратные апертуры шириной 0,30 мм для 300 мкм-шариков и 0,38 для 400 мкм. Ряд производителей отмечает необходимость, чтобы размер отпечатка пасты был равен КП или был чуть больше, что необходимо для получения максимальной высоты и объема паяного соединения. Рекомендуемый размер апертур в этом случае на 0,1 мм больше, чем размер КП для обеспечения перекрытия по 0,05 мм с каждой стороны. Такое нанесение пасты на паяльную маску не приводит к появлению проблем с надежностью и выходом годных [5]. Подробные сведения о конструировании трафаретов можно найти в международном стандарте IPC-7525 (Stencil Design Guidelines, Руководящие указания по конструированию трафаретов) [14].
Неравномерное нанесение и размытие паяльной пасты может привести к замыканиям после оплавления. Недостаточное количество пасты ведет к непропаям, избыточное – к образованию перемычек и других дефектов.
Для получения отпечатков требуемого качества, соотношение размеров трафарета рекомендуется принимать > 1,5. Для BGA/CSP-компонентов, а также в случае апертур круглой формы, корректное отделение трафарета обеспечивается правильным подбором размера шариков припоя (типа пасты) и соотношения площадей трафарета, значения которого должны превышать 0,66.
Для любых апертур необходимо, чтобы по крайней мере 4-5 частиц припоя умещалось вдоль сторон апертуры (достигается правильным выбором типа пасты). Для BGA-компонентов рекомендуется применение паст типа 3 по классификации IPC/EIA J-STD-005 (диаметр частиц припоя 25-45 мкм) при шаге выводов > 0,65 мм, для шага 0,5 и меньше – паст типа 4 (20-38 мкм) [1]. Для ЭК с большим шагом выводов (1,27; 1,5) допускается использование пасты типа 2 (45-75 мкм) [17].

Установка компонентов

Монтажные автоматы

Автоматизированный монтаж BGA-компонентов производится на стандартном оборудовании для поверхностного монтажа компонентов, к которому предъявляется ряд дополнительных требований. Особенности выбора автоматов для установки BGA-компонентов приведены ниже.

Обеспечение достаточной точности монтажа. Несколько снижает требование к точности монтажа BGA-компонентов эффект самоцентрирования, вызванный силами поверхностного натяжения оплавленного припоя, что позволяет скомпенсировать до 50% смещения компонента относительно диаметра КП. По данным [1], максимально допустимое смещение BGA-компонента составляет 30%. Таким образом, допустимое относительное смещение КП и шарикового вывода составляет не более 150 мкм (для шага вывода 0,5 мм – не более 100 мкм). Такая точность установки в настоящее время обеспечивается широкой номенклатурой монтажных автоматов. Точность установки компонентов, достигаемая при установке BGA-компонентов, по данным различных производителей составляет ±(20-50) мкм (3s).
Система технического зрения (СТЗ). Обязательно наличие СТЗ с поддержкой распознавания реперных знаков, в том числе локальных (часто применяемых для дополнительной коррекции расположения знакоместа под монтаж BGA-компонентов), нижним расположением камеры распознавания, развитыми алгоритмами и возможностями настройки параметров освещения (отражения, яркости, контраста, затенения, порога и допуска распознавания и пр.). Применяемые системы технического зрения автоматов можно разделить на две большие группы по критерию объекта распознавания: оценивающие смещение корпуса ЭК и оценивающие координаты отдельных шариков из матрицы BGA-компонента. Для точной установки BGA-компонентов, в особенности компонентов с малым шагом, необходима вторая разновидность СТЗ. Это устраняет погрешности, связанные с расположением шариков относительно кромок корпуса. По данным [5] для BGA-компонентов с большим шагом выводов (≥1мм) достаточно наличия у автомата СТЗ первого типа (суммарная погрешность совмещения в самом худшем случае составит 0,175 мм). В качестве дополнительной опции возможно применение специальной камеры, регистрирующей копланарность выводов ЭК.
Ограничения на размер корпуса и шаг выводов. Для каждой модели автомата ограничен максимальный размер корпуса и шаг выводов компонента, с которым данный автомат может работать (типичные значения для базовых конфигураций оборудования до 35х35 мм). Как правило, существует возможность заказа дополнительных опций (камер распознавания с широким полем зрения), если необходимо устанавливать более крупные компоненты, и прецизионных сборочных головок для установки ЭК с малым шагом выводов.
Распознавание BGA-компонентов «на лету». Значительно увеличивает производительность сборки возможность распознавания BGA-компонентов «на лету», что должно обеспечиваться как СТЗ автомата, так и конструкцией вакуумных захватов, предотвращающих смещение и потерю компонента при быстром перемещении сборочной головки.
Усилие монтажа по оси Z. Особенное внимание следует уделить правильному подбору усилия по оси Z при монтаже BGA-компонента на ПП. Слишком большое усилие приведет к выдавливанию пасты из-под шариков припоя и образованию перемычек при последующей пайке. Для погружения шариков на 0,025-0,050 мм в паяльную пасту рекомендованное максимальное усилие прижима составляет 3 Н [7]. С другой стороны, малое усилие может привести к неточному центрированию компонента и появлению непропаев.

Ручная высокоточная установка BGA-компонентов производится с помощью полуавтоматов (микроустановщиков) либо комбинированных систем, совмещающих устройство монтажа и пайки.

Монтажные полуавтоматы

Полуавтомат для установки BGA-компонентов, как правило, содержит монтажную головку с вакуумным пинцетом, приводом подъема/опускания и рукояткой точного вращения компонента; устройство фиксации ПП с обеспечением точного позиционирования ПП по осям X и Y посредством микрошаговых винтов; оптическую систему, включающую в себя CCD-камеру и блок подсветки; монитор для непосредственного наблюдения процесса совмещения шариковых выводов и КП. При этом ЭК захватывается вручную вакуумным пинцетом, и производится совмещение изображений ЭК и посадочного места на ПП, путем перемещения столика с зафиксированной платой по X,Y и вращением по Z вплоть до совпадения изображений шариков и КП на мониторе. Видеокамера с помощью призмы, помещенной между платой и поднятым над ней компонентом, позволяет оператору наблюдать на экране монитора одновременно изображения поверхности платы и компонента со стороны выводов. После этого монтажная головка перемещается строго вертикально в крайнюю нижнюю позицию, и ручкой плавной доводки производится окончательный монтаж BGA-компонента на ПП с предварительно нанесенным на нее гелевым флюсом или паяльной пастой. Некоторые системы имеют раздельную регулировку грубого и точного совмещения, а также позволяют осуществить монтаж предварительно совмещенного ЭК простым нажатием одной кнопки. Рабочий столик может располагаться на аэростатических опорах. Двухцветная иллюминация облегчает совмещение шариков и посадочного места. Такие системы, в зависимости от сложности исполнения, обеспечивают монтаж BGA-компонентов с шагом выводов вплоть до 0,3 мм.

Комбинированные системы (монтаж + пайка)

Комбинированные системы, помимо функций точного позиционирования и установки ЭК, осуществляют также пайку установленного компонента. Выводы BGA-компонентов недоступны для контактной пайки, поэтому преимущественно применяемый метод нагрева – активная конвекция в замкнутом объеме (передача тепла осуществляется с помощью нагретого воздуха, перемещающегося во внутренней полости сопла). Метод получил распространение благодаря равномерному распределению тепла и корректному измерению температуры. Сопла снабжены отверстиями, направляющие вытесняемый из сопла горячий воздух вверх, что предотвращает растекание воздуха по плате и нагрев соседних компонентов. Возможна быстрая замена BGA-сопел посредством специального адаптера.
Применение промышленного фена для пайки BGA-компонентов при своей простоте и дешевизне реализации чревато локальными перегревами ЭК и платы, паразитным нагревом соседних ЭК вплоть до отпаивания и сдувания их с ПП, потерей прочности окружающих паяных соединений из-за отжига припоя, рисками повреждения ЭК струей электризованного воздуха. Вследствие вышесказанного, применение фена для пайки BGA-компонентов крайне не рекомендуется. Альтернативным способом пайки является применение средневолнового (т.н. «темного») ИК-излучения («Dark» IR), которое, в отличие от коротковолнового, обеспечивает более равномерное распределение температур, позволяет получать достоверную информацию с термодатчиков, а также сглаживает различия в коэффициентах отражения/поглощения светлых и темных материалов [10]. При этом соседние компоненты должны быть закрыты тепловыми отражателями, сделанными, например, из фольги.
Управление процессом нагрева осуществляется по термопрофилю. Пайка без соблюдения термопрофиля приведет к перегреву корпуса BGA, так как его корпус нагреется быстрее, чем выводы, контактирующие с более холодной платой. Для подготовки термопрофиля используются термодатчики (обычно 1-3), устанавливаемые в нужных местах платы, в том числе один – обязательно в непосредственной близости от шариков BGA-компонента. Коррекция профиля осуществляется во многих моделях оборудования интерактивно, в виде графика реальной температуры в зоне пайки на мониторе. Создание библиотеки термопрофилей осуществляется на компьютере, затем нужный профиль переписывается в память системы и отрабатывается в дальнейшем независимо и автоматически. Законы протекания процессов оплавления здесь такие же, что и в промышленных конвекционных печах.
Чтобы исключить коробление платы, а также в целях уменьшения теплоотвода при пайке плат с большой теплоемкостью используется нижний подогреватель, который может представлять собой керамическую пластину либо также быть конвекционным или инфракрасным. Конвекция позволяет нагревать плату гораздо большей площади, а также оперативно корректировать термопрофиль во время первой пайки.

Пайка

Наиболее предпочтительным методом пайки BGA-компонентов является оплавление с использованием принудительной конвекции. Некоторые производители [4] рекомендуют применение защитной атмосферы, другие [1] не считают это условие необходимым. Производители ЭК, как правило, не дают специальных рекомендаций по созданию профилей оплавления BGA-компонентов, поэтому для них справедливы все положения, принимаемые обычно во внимание при создании термопрофиля. При размещении термодатчиков рекомендуется, чтобы один из них располагался максимально близко к внутренним рядам матрицы шариковых выводов.
Шариковые выводы BGA-компонентов, изготовленные из высокотемпературного сплава с точкой плавления выше 300°С, не оплавляются в печи. Это позволяет контролировать осадку компонента и обеспечивает более предсказуемую структуру паяного соединения при выборе из широкого диапазона паяльных паст, включая бессвинцовые. Следует отметить, что шарики из высокотемпературного сплава требуют более точного контроля времени оплавления пасты, так как хуже смачиваются припоем, чем шарики из эвтектического сплава.
Некоторые BGA-компоненты с эвтектическими шариками демонстрируют избыточную осадку после оплавления, что может быть вызвано большим весом ЭК, геометрией КП, длительным временем пайки. Осадка может привести к перемычкам (особенно в углах корпуса). Предельно допустимое уменьшение высоты шариков составляет 25% от первоначального диаметра. Для предотвращения данного дефекта следует контролировать объем и форму отпечатка пасты в соответствии с номинальным значением зазора между применяемым ЭК и ПП, а также температурный профиль.
Распространенным дефектом при пайке BGA-компонентов являются пустоты. Особенно данный дефект характерен для микроBGA-корпусов. Так как объем паяного соединения для BGA-компонентов существенно меньше, чем для выводных, образование пустот представляет собой более сильную угрозу надежности электрического контакта. Для снижения вероятности появления пустот следует принимать следующие меры [5, 11]:

Чувствительность к влажности. Строго соблюдать рекомендации производителя ЭК, касающиеся отношения компонентов к влажности.
Количество и качество пасты. Наносить достаточное количество паяльной пасты для образования качественного паяного соединения; не использовать пасты с истекшим сроком годности; может потребоваться 100%-инспекция качества нанесения пасты на КП перед монтажом.
Геометрия ПП. Не допускать большой разницы в размерах КП и шарикового вывода.
Корректный профиль оплавления. Появление пустот возможно как при использовании RSS, так и RTS-профилей оплавления (для RTS отмечено слегка большее количество дефектов). Особое внимание следует уделить этапу удаления растворителя из паяльной пасты, как определяющему в противодействии образованию пустот, не допуская чрезмерно быстрого нагрева. Компании-производителя паяльной пасты разрабатывают специальные профили оплавления, минимизирующие эффект пустот (например, LSP-профиль компании AIM, [11]).
Пребывание пасты на воздухе. Рекомендуется, чтобы временной интервал между нанесением пасты и оплавлением был не более 45 мин. (оптимально 30 мин.), что предотвратит высушивание паяльной пасты. Следует отметить, что данные некоторых производителей по возможному времени пребывания пасты на открытом воздухе (6-12 часов) относятся к 500-граммовым банкам с пастой, а не к тонкому ее слою, подвергающемуся сушке значительно быстрее [5].

Список использованных источников

Tessera μBGA Package/Tessera, Inc. www.tessera.com
Infineon. Recommendations for Printed Circuit Board Assembly of Infineon BGA/LBGA Packages/ Additional Information, DS1 – Jan. 2007. www.infineon.com
SMT Assembly Guidelines for Fairchild’s Microcouplers™ (Ball Grid Array)/Fairchild Semiconductors – 2004. www.fairchildsemi.com
Guidelines for Using Fairchild’s BGA Packages. AN-7001/Fairchild Semiconductors – 2004. www.fairchildsemi.com
Ball Grid Array (BGA) Packaging. Intel Packaging Databook, ch. 14/Intel – 2000. www.intel.com
BGA (Ball Grid Array). AN-1126/National Semiconductor – 2003. www.national.com
Laminate CSP/FBGA. AN-1125/National Semiconductor – 2003. www.national.com
Implementing Xilinx Flip-Chip BGA Packages/Xilinx – 2006. www.xilinx.com
Powder Choice Stencil Design Guidelines/Indium Corporation. www.indium.com
Mark Cannon. BGA Repair: A Better Understanding can Reduce Fears, Guarantee Process Control and Save Money. ERSA Technical Article/ERSA GmbH – 2000. www.ersa.com
Reducing BGA Voiding Through Process Optimization/AIM Corp. www.aimsolder.com
IPC/JEDEC J-STD-020C. Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Non-hermetic Solid State Surface Mount Devices. Generic Standard on Printed Board Design – 2004. www.jedec.org
ANSI/IPC-2221. Generic Standard on Printed Board Design – 2003. www.ipc.org
IPC-7525A. Stencil Design Guideline – 2007. www.ipc.org
ANSI/EIA 481-C-2003. 8 MM THROUGH 200 MM EMBOSSED CARRIER TAPING AND 8 MM & 12 MM PUNCHED CARRIER TAPING OF SURFACE MOUNT COMPONENTS FOR AUTOMATIC HANDLING – 2003. http://global.ihs.com
JEDEC PUBLICATION 95, DESIGN GUIDE 4.10. Generic Matrix Tray for Handling and Shipping – 2002. www.jedec.org
Ray P. Prasad. Surface Mount Technology – Principles and Practice. 2nd ed. — Kluwer Academic Publishers, Boston, USA, 2002. — 772 p.

Страницы статьи: 1 2 3

все статьи

Скоро!

Чувствительность к влажности