Die Durchsteckmontage-Technologie (THT), die in den 60er-Jahren mit dem Aufkommen der ICs (integrierte Schaltungen) zu florieren begann, ist nach und nach durch die erste Generation der SMT (Surface-Mount-Technologie) ersetzt worden, die bereits in den 80er-Jahren zusammen mit der rasanten Entwicklung der LSI in der späten Phase der 70er-Jahre auf den Plan trat. Periphere Gehäuseformen sind zum Mainstream der Elektronikgehäuse geworden, wobei QFP (Quad Flat Package) ein Beispiel darstellt. Die 90er-Jahre waren Zeuge der Feinrasterung von QFP, was die Leiterplattenbestückungstechnik vor zahlreiche Herausforderungen stellte. Trotz des Aufkommens der Fine-Pitch-Technologie (FPT) weist die Leiterplattenbestückung mit einem Rastermaß von weniger als 0,4 mm nach wie vor viele technische Probleme auf, die gelöst werden müssen. Als optimale Lösung wurde in der frühen Phase der 90er-Jahre die zweite Generation der SMT eingeführt, nämlich das BGA-Gehäuse (Ball Grid Array). Anschließend rückte das Chip-Scale Package (CSP) in den 1990er-Jahren in den Fokus. Insbesondere wenn Flip-Chip-(FC-)Technologie eingesetzt wird, beginnt PBGA (Plastic Ball Grid Array) in Supercomputern und Workstations Anwendung zu finden und wird nach und nach praktisch einsetzbar. Die dritte Generation der SMT ist die Direct-Chip-Assembly (DCA), die aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Kosten und KGD usw. nur in speziellen Bereichen eingesetzt wird. In den letzten Jahren sind Wafer-Level-Packaging (WLP) und fortschrittliche FC-Technologien zur dritten Generation der SMT hinzugekommen, um den Anforderungen an eine hohe Pinzahl und hohe Leistung von Halbleitern gerecht zu werden. Daher lässt sich schlussfolgern, dass IC-Gehäuse im 21stDas Jahrhundert wird sich in Richtung hoher Dichte, feiner Teilung, hoher Flexibilität, hoher Zuverlässigkeit und Vielfalt entwickeln. Daher ist es von großer Bedeutung, sich der Unterschiede zwischen QFP und BGA sowie ihrer Entwicklungstendenzen bewusst zu sein.
PQFP weist offensichtlich Wettbewerbsvorteile im IC-Gehäusemarkt auf. Heutzutage entwickelt sich die Elektronikverkapselung hin zu Gehäusen wie BGA, CSP und ultrafeinem Pitch-QFP aufgrund ihres hohen Mehrwerts. Mit der ständig steigenden Pin-Anzahl gilt: Wenn die Pin-Anzahl höher als 200 ist und der Pin-Abstand kleiner als 0,5 mm, beträgt der Pin-Abstand bei Gehäusen mit 300 Pins ungefähr 0,3 mm. Je kleiner der Pin-Abstand ist, desto exponentiell höher wird der Produktausschuss. Wenn der Pin-Abstand kleiner wird, tritt Brückenbildung beim Löten wesentlich leichter auf. Beträgt der Pin-Abstand 0,3 mm, führen bereits wenige Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 15 μm zur Bildung von Lotkügelchen, was eine übliche Ursache für Brückenbildung ist. Es ist noch wichtiger, die Partikelgröße der Lötpaste zu kontrollieren. Sobald der Pin-Abstand kleiner wird, ist es unerlässlich, die Ebenheit der Anschlüsse und die Abstandstoleranz zu kontrollieren. Bei QFP, einer Größe (40 mm2), Anzahl der Pins (360) und Pitch (0,3 mm) sind an eine Grenze gestoßen.
Offensichtlich lässt sich QFP so leicht testen und nacharbeiten, dass alle Anschlüsse an QFP sichtbar sind.
• Vergleich zwischen BGA und QFP
Typische BGA‑Bauteile sind so robust, dass sie selbst dann noch für die Bestückung verwendet werden können, wenn sie versehentlich auf den Boden fallen, was bei PQFP in gewissem Maße unmöglich ist. Der wesentliche Vorteil von BGA‑Gehäusen liegt in ihrer Array‑Form, und allgemein gesprochen sind BGA‑Bauteile in der Lage, mehr I/Os innerhalb derselben Flächeneinheit bereitzustellen als QFP‑Bauteile. Sobald die I/O‑Anzahl 250 übersteigt, ist die von BGAs benötigte Fläche immer kleiner als die von QFPs. Da BGA in der Regel einen größeren Pitch als QFP aufweist, lassen sich BGA‑Bauteile leichter bestücken, sodass eine relativ hohe Effizienz erzielt wird. Wenn verpackungsbedingte Defekte vor der Bestückung geprüft werden, kann die Ausfallrate bei der Bestückung unter 1 ppm liegen. Bis jetzt besteht die größte Herausforderung bei der BGA‑Bestückung in defektbedingten Problemen, die mit den Gehäusen zusammenhängen und möglicherweise aus fehlenden Lotkugeln, Feuchtigkeitsempfindlichkeit, Kollisionen während des Transports und übermäßiger Verwerfung während des Reflow‑Lötens resultieren. Es gibt große Abweichungen in Bezug auf die Größe der Lotkugeln, was dem Zwei- bis Dreifachen der Volumenabweichung zwischen den Lotkugeln entspricht. An der Position der Lötstelle können doppelte Lotkugelschichten auftreten sowie metallisierungsbedingte Defekte wie unzureichende Lötverbindung zwischen Lotkugeln und Bauteilpad. Aufgrund der Technologie ermöglicht die BGA‑Bestückung die niedrigste Defektrate (ppm).
Der Aufbau von BGA-Gehäusen weist im Vergleich zu QFP mit gleichwertigen Funktionen und Leistungen kürzere Anschlüsse auf, was zu einer hervorragenden elektrischen Performance von BGA-Gehäusen führt. Der größte Nachteil der BGA-Bauweise liegt jedoch in ihren Kosten. BGA verursacht im Hinblick auf Laminatplatten und Harzkosten in Verbindung mit dem Substrat, das die Bauteile trägt, höhere Kosten als QFP. BT-Harz, Keramik und Polyimidharz-Träger enthalten Grundmaterialien mit höheren Kosten, während QFP kostengünstiges Kunststoffvergussharz und einen Metallblech-Anschlussrahmen verwendet. Array-Träger verursachen aufgrund von Feinstleiter-Schaltungen und chemischer Prozesstechnologie sehr hohe Kosten. Vergleicht man darüber hinaus QFP- und BGA-Gehäuse, so können Hochleistungs-Formwerkzeuge und Pressvergussanlagen mit weniger Verpackungsprozessschritten eingesetzt werden. Sobald die Massenproduktion eingeführt ist, werden die Kosten für BGA-Gehäuse sinken, jedoch ist es nicht möglich, dass sie auf das Niveau von QFP fallen.
Was die Kosten von BGA-Gehäusen betrifft, so wird das BGA-Gehäuse mit einer geeigneten Anzahl von I/O-Pins am weitesten verbreitet sein. Dieser Gehäusetyp enthält alle Schaltungen an der Seite des Gehäuteträgers und besitzt keine geregelten Durchkontaktierungen. Daher müssen für das BGA-Gehäuse zusätzliche Kosten getragen werden. Die extrem hohe Montageeffizienz von BGA-Gehäusen kann jedoch ihren Nachteil der hohen Kosten teilweise ausgleichen. Aus wirtschaftlicher Sicht gilt: Wenn die Anzahl der I/O-Pins unter 200 liegt, ist ein QFP-Gehäuse geeignet. Wenn die Anzahl der I/O-Pins 200 überschreitet, ist QFP nicht mehr geeignet und es können mehrere Arten von BGA-Gehäusen eingesetzt werden, was zum breiten Anwendungsspektrum von BGA-Gehäusen führt.
• Inspektion und Nacharbeit von BGA-Gehäusen
Die BGA-Inspektion und -Nacharbeit ist ebenfalls eine Technologie, die allmählich zur Reife gelangt. Obwohl sie inspiziert werden kann, erfordert BGA hochpräzise Ausrüstung wie ein Röntgenbildgebungssystem.
BGA-Bauteile verbergen ihre Anschlüsse unter den Gehäusen, was zu größeren Schwierigkeiten bei der Nacharbeit führt als bei Bauteilen mit Anschlüssen am Rand. Führende Problemstellungen bei der BGA-Nacharbeit umfassen: Beschädigung an abzulösenden Teilen, Beschädigung an Ersatzteilen, Überhitzung der Leiterplatte und benachbarter Bauteile, Verzug der Leiterplatte durch lokale Erwärmung sowie Reinigung und Herstellung einiger Teile. Bei der Nacharbeit müssen folgende Punkte berücksichtigt werden: Chiptemperatur, Temperaturverteilung der Bauteile während der Nacharbeitszeit und Temperaturverteilung der Leiterplatte. Wenn alle erforderlichen Geräte angeschafft werden müssen, wird eine BGA-Nacharbeitsstation aus folgenden Gründen kostspielig:
a. Es ist unmöglich, nur einen einzelnen Kurzschluss- oder Unterbrechungsfehler zu beheben; die Nacharbeit muss bei allen Montagefehlern des BGA durchgeführt werden.
b. Nacharbeit ist schwieriger umzusetzen als QFP und erfordert zusätzliche Investitionen in Ausrüstung.
c. BGA-Bauteile können nach der Nacharbeit nicht mehr verwendet werden, während QFP-Bauteile weiterverwendet werden können.
Daher ergibt sich die Massenproduktion von BGA-Gehäusen aus der Verringerung von Montagefehlern, was eine hohe Durchlaufquote gewährleistet.
• Reinigung von BGA-Gehäusen
Der hervorstechende Nachteil von BGA-Gehäusen liegt in ihrer Unfähigkeit, das unter der Matrixanordnung verbleibende Flussmittel zu entfernen. Bis jetzt beträgt die Größe von BGA-Bauteilen mit hoher Pinanzahl ungefähr 45 mm². Daher wird das Reinigungsproblem besonders bedeutsam. Die Reinigung von BGAs erfordert, dass sämtliches Flussmittel und Lotpaste entfernt werden, da sie in Hochleistungsanwendungen möglicherweise zu elektrischen Ausfällen oder Signalableitungen zur Masse führen können.
Es ist absehbar, dass PQFP mit einer Anschlusszahl von weniger als 200 die primäre Verpackungstechnologie sein wird. Wenn die Anschlusszahl 350 übersteigt, ist es unmöglich, dass QFP weit verbreitet eingesetzt wird. Für Bauteile mit 200 bis 300 I/O-Pins stehen zwei Arten von Verpackungstechnologien als Wettbewerber zur Verfügung. Daher wird die QFP-Verpackungstechnologie mit einem Pitch von weniger als 0,5 mm definitiv durch BGA-Gehäuse ersetzt werden.
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Hilfreiche Ressourcen
•Geschichte der Hochdichte-Verpackungstechnologie
•Einführung in die SMT-Verpackungstechnologie
•Eine Einführung in die BGA-Gehäusetechnologie
•Eine kurze Einführung in BGA-Gehäusetypen
•Faktoren, die die Qualität der BGA-Bestückung beeinflussen
