Anwendung der Oberflächenmontagetechnik (SMT) auf Ball-Grid-Array-(BGA)-Gehäuse

Die Oberflächenmontagetechnologie (SMT) spielt eine wesentliche Rolle dabei, elektronische Produkte in Richtung Miniaturisierung und geringes Gewicht zu führen. Im Bereich von elektronischen Hochpin-Gehäusen hatten QFPs (Quad Flat Packages), eine Art oberflächenmontiertes integriertes Schaltkreisgehäuse (IC-Gehäuse) mit „Möwenflügel“-Anschlüssen, die sich von jeder der vier Seiten erstrecken, einst die führende Rolle inne. Mit der schnellen Entwicklung der integrierten Halbleitertechnologie und der Mikrofertigungstechnologie nehmen jedoch sowohl die Anzahl der IC-Gatter als auch die Zahl der I/O-Anschlüsse immer weiter zu, während die Funktionen elektronischer Produkte zunehmen und ihr Volumen stetig schrumpft. Daher kann der Einsatz von QFPs die Entwicklungsanforderungen elektronischer Produkte nicht mehr erfüllen. Obwohl die QFP-Technologie ebenfalls kontinuierliche Fortschritte macht und in der Lage ist, Bauteile mit einem Pitch von nur 0,3 mm zu verarbeiten, führt der abnehmende Pitch in gewissem Maße zu einer Verringerung der Montageausbeute. Um dieses Problem erfolgreich zu lösen, entstand die BGA-Technologie (Ball Grid Array) und rückte in den breiten Fokus der Industrie.

Was ist BGA?

Als eine relativ neue Art von oberflächenmontierten Bauelementen (SMDs) verfügt BGA über kugelförmige Anschlüsse, die in Arrays an der Unterseite des Gehäuses angeordnet sind. BGA‑Bauteile können einen großen Pinabstand und eine hohe Anzahl von Pins aufweisen. Darüber hinaus können BGA‑Bauteile mittels SMT auf Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs) bestückt werden.

Struktur und Eigenschaften von BGA

Als eine neue Art von SMDs entwickelt sich BGA aus PGA (Pin-Grid-Array) und besteht im Allgemeinen aus Kernhohlraum, Grundplatte, Anschlüssen, Abdeckung und kugelförmigen Pins. Die Eigenschaften von BGA umfassen:
• Höhere Anzahl an PinsInnerhalb derselben Gehäusegröße von SMDs kann ein BGA mehr Pins haben. Im Allgemeinen verfügt ein BGA-Bauteil über mehr als 400 kugelförmige Pins. Zum Beispiel kann ein BGA mit einer Fläche von 32 mm × 32 mm bis zu 576 Pins tragen, während ein QFP mit derselben Fläche nur 184 Pins aufnehmen kann.
• Kleinere MontageflächeMit der Anzahl der Pins beansprucht BGA eine kleinere Montagefläche. Wenn man zum Beispiel ein QFP mit 304 Pins mit einem BGA mit 313 Pins vergleicht, obwohl Letzteres mehr Pins aufweist, nimmt es ein um ein Drittel kleineres Areal ein.
• Geringere Bauhöhe. Die Aufbauhöhe von BGAs ist geringer als die Summe aus Gehäusedicke und Lötkugehöhe. Zum Beispiel beträgt die Höhe eines QFP mit 208 oder 304 Pins 3,78 mm, während die eines BGA mit 225 oder 313 Pins nur 2,13 mm beträgt. Darüber hinaus verringert sich die Aufbauhöhe eines BGA nach dem Löten, da seine LötkugeIn während des Lötvorgangs schmelzen.
• Größerer Pin-Abstand. Basierend auf dem von JEDEC veröffentlichten physischen Standard für BGAs sollte der Pinabstand zwischen den Lötbällen in BGAs 1,5 mm, 1,27 mm oder 1,0 mm betragen. Bei gleicher Gehäusegröße und gleicher Pinanzahl beträgt der Pinabstand für QFP 0,5 mm, während er für BGA 1,5 mm beträgt.
• Hervorragende Wärmeableitung. Die Temperatur von BGA-Gehäuseschaltungen liegt näher an der Umgebungstemperatur, und die Betriebstemperatur der Chips ist niedriger als bei allen anderen SMD-Bauteilen.
• Kompatibilität mit SMTDas BGA-Gehäuse ist mit standardmäßiger SMT kompatibel. Außerdem weisen BGA-Bauteile aufgrund ihres größeren Pin-Abstands und ihrer hervorragenden Koplanarität keine Probleme mit verbogenen Pins auf, und die entsprechende Montagetechnologie ist einfacher als bei anderen SMD-Bestückungen mit Anschlüssen.
• Bessere elektrische LeistungDa BGA-Komponenten kürzere Pins und eine höhere Montagezuverlässigkeit aufweisen, bieten sie eine bessere elektrische Leistung, was insbesondere dann gilt, wenn sie in höheren Frequenzbereichen eingesetzt werden.
• Niedrigere HerstellungskostenDa BGA-Gehäuse eine kleinere Bestückungsfläche und eine höhere Bestückungsdichte ermöglichen, werden die Herstellungskosten reduziert. Besonders mit zunehmender Verbreitung und höherem Ausstoß von BGA-Gehäusen wird die Reduzierung der Herstellungskosten deutlich sichtbar werden.
• Höhere Zuverlässigkeit und weniger QualitätsmängelDa bei BGA-Gehäusen die Lötperlen das Löten übernehmen, richten sich die schmelzenden Lötperlen aufgrund der Oberflächenspannung automatisch aus. Selbst wenn ein Versatz von 50 % zwischen Lötperlen und Pads auftritt, kann ein hervorragendes Lötergebnis erzielt werden.

Trotz einiger offensichtlicher Vorteile von BGA-Gehäusen werden während der SMT-Bestückung einige Nachteile deutlich, darunter:
• Lötstellen sind schwer zu inspizieren. Die Inspektion von Lötstellen erfordert Röntgenprüfgeräte, was zu höheren Kosten führt.
• Bei der Nacharbeit von BGAs müssen weitere Schwierigkeiten überwunden werdenDa BGA-Bauteile über in einem Raster angeordnete Lotkugeln auf der Leiterplatte montiert werden, ist eine Nacharbeit schwieriger.
• Teilweise BGA-Gehäuse sind so empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, dass vor ihrer Verwendung eine Entfeuchtung erforderlich ist.

Vergleich zwischen QFP und BGA

In diesem Abschnitt werden QFP und BGA anhand mehrerer Tabellen in Bezug auf Verbindungdichte, Pinabstand, Pinanzahl und Montagefehlerquote miteinander verglichen.

Tabelle 1 Vergleich der Verbindungsdichte zwischen QFP und BGA

Tabelle 2 Vergleich von Pinabstand und Pinanzahl zwischen QFP und BGA

Tabelle 3 Vergleich der Montagefehlerquote zwischen QFP und BGA

Tabelle 4 Vergleich der Anschlussstruktur zwischen QFP und BGA (Hinweis: √ - Ausgezeichnet; Ο - Gut; Δ - Durchschnittlich)

Vergleich zwischen QFP und BGA

Im Vergleich zutraditionelle SMT-BestückungDank seines großen Pin-Abstands und der hervorragenden Koplanarität der Pins ermöglicht BGA eine einfachere Montagetechnologie. Die Anforderungen an die BGA-Montage werden im Folgenden in diesem Abschnitt erläutert.

• Feuchtigkeitsbeständigkeitsprinzip für BGA

Einige BGA‑Bauteile sind aufgrund des Epoxidharzes im Klebstoff in der BGA‑Kernkammer so feuchtigkeitsempfindlich, dass dieses im Alltag zur Feuchtigkeitsaufnahme neigt und später verdampft, wobei im Epoxidharz große Spannungen entstehen. Wasserdampf führt zur Bildung von Blasen an der Unterseite, was zu Rissen zwischen der Kernkammer und der Basis führt. Daher ist es notwendig, vor der Verwendung von BGA‑Bauteilen eine Entfeuchtung durchzuführen. Aufgrund des stetigen technischen Fortschritts und des wachsenden Bewusstseins der Menschen für Entfeuchtung haben einige BGA‑Gehäuse inzwischen eine qualifizierte Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe erreicht, sodass sie 48 Stunden lang in einer Umgebung von 30 °C und 60 % relativer Luftfeuchtigkeit gelagert werden können, ohne dass während des Lötens Risse entstehen. Einige BGA‑Bauteile, wie zum Beispiel CBGA (Ceramic Ball Grid Array), sind nicht mehr feuchtigkeitsempfindlich. Daher sollten Entfeuchtungsverfahren für BGAs entsprechend ihrer Klassifizierung sowie der Umgebungs‑Temperatur und ‑Luftfeuchtigkeit durchgeführt werden. Außerdem muss die Entfeuchtung gemäß den Verpackungshinweisen und der Lagerdauer erfolgen.

• BGA-Lotkugelbeschichtung und -druck

BGA-Lötperlen sind in der Regel 25 mm*0,0254 mm hoch und haben einen Durchmesser von 30 mm*0,0254 mm. Verschiedene Arten von BGA-Bauteilen weisen unterschiedliche Legierungszusammensetzungen auf. Allgemein gesprochen verwenden TBGA, CBGA und CGA Lote mit hohem Schmelzpunkt, während die meisten BGAs auf Lote mit niedrigem Schmelzpunkt angewiesen sind. Hochtemperatur-Lötperlen werden hauptsächlich eingesetzt, um ein übermäßiges Einsacken der Lötperlen zu verhindern. Das Beschichten und Bedrucken von BGA-Lötperlen bezeichnet den Prozess, bei dem Flussmittel oder Lotpaste auf Lötperlen aufgebracht wird, die anschließend auf der Leiterplatte (PCB) befestigt werden. Ziel ist es, Oxide auf dem Pad zu entfernen und durch das Aufschmelzen des Lots gute Verbindungen zwischen den Lötperlen und der Leiterplatte herzustellen.

• BGA-Montage

Dank des größeren Pin-Abstands lassen sich BGA-Bauteile leichter auf Leiterplatten montieren. Bis jetzt können einige fortschrittliche Bestückungsautomaten BGA-Bauteile bestücken. Darüber hinaus können sich BGA-Bauteile selbst ausrichten, und selbst ein Fehler von 50 % ist noch tolerierbar, sodass die Bestückungsgenauigkeit nicht streng geregelt werden muss.

• Reflow-Löten von BGA

Im Reflow-Lötofen wird das BGA erhitzt, wobei die Lotkugeln oder die Lötpaste schmelzen, um Verbindungen herzustellen. Um hervorragende Verbindungen zu erhalten, ist es notwendig, die Temperaturkurve im Ofen zu optimieren, und die Optimierungsmethode entspricht der für andere SMDs. Es ist bemerkenswert, dass die Bestandteile der Lotkugeln bekannt sein sollten, um die Temperaturkurve des Reflow-Lötens festzulegen.

• BGA-Inspektion

Die BGA-Inspektion umfasst die Lötqualitätsprüfung und die Funktionsprüfung. Erstere bezieht sich auf die Lötqualitätsprüfung der Lotkugeln und der Leiterplattenpads. Die Anordnungsweise von BGAs erschwert die visuelle Inspektion, sodass eine Röntgeninspektion erforderlich ist. Die Funktionsprüfung sollte an eingebauten Geräten durchgeführt werden, was einem SMD-Test mit anderen Gehäusetypen entspricht.

• BGA-Nacharbeit

Ähnlich wie bei der BGA-Inspektion ist auch die Nacharbeit an BGAs gleichermaßen schwierig durchzuführen und erfordert professionelle Nacharbeitswerkzeuge und -ausrüstung. Im Prozess der Nacharbeit müssen zunächst defekte BGAs entfernt werden, anschließend sind Modifikationen an den PCB-Pads vorzunehmen, auf die Flussmittel aufgetragen wird. Neue BGAs müssen vorverarbeitet werden, und es sollte ein sofortiger Lötvorgang durchgeführt werden.

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