Mit der rasanten Entwicklung von sehr groß integrierten Schaltkreisen (ICs) können die Anforderungen an die Elektronikmontage durch herkömmliche Gehäusetypen nicht mehr erfüllt werden, und neuere Gehäuse entstehen aufgrund der steigenden Anforderungen an höhere Integrität, kleinere Leiterplattengröße und höhere I/O-Anzahl. Unter all den oben genannten neueren Gehäusetypen ist das BGA‑Gehäuse (Ball Grid Array) ein primärer Typ mit den breitesten Anwendungsfeldern, da seine Vielfalt mehrere Einschränkungen herkömmlicher Gehäuse überwindet. Aus der Perspektive der Elemente, die die Löttechnologien betreffen, unterscheidet sich das BGA‑Gehäuse kaum von herkömmlichen Gehäusen, etwa dem QFP (Quad Flat Package). Nichtsdestotrotz werden Pins durch Lotkugeln ersetzt, was als eine Revolution in der Elektronikmontage angesehen werden kann und zur Entstehung abgeleiteter Gehäuse wie CSP (Chip Scale Package) geführt hat. Derzeit muss das BGA‑Löten noch mit herkömmlicher SMT (Surface Mount Technology) durchgeführt werden, und BGA‑Löten kann weiterhin in gewöhnlicher SMT umgesetzt werden.MontageausrüstungDieser Artikel wird einige Faktoren erörtern, die die Anwendung von BGA-Montagetechnologien beeinflussen, darunter das Design der BGA-Pads, das Drucken der Lötpaste, die Genauigkeit der Bestückungsausrichtung, Löttemperaturkurven und Lötfehler.
Machbarkeit des BGA-Pad-Designs
BGA-Gehäuse werden anhand verschiedener Rastermaße in mehrere Klassen eingeteilt. Allgemein sollte das Design von BGA-Pads zunächst die Nachverfolgbarkeit im CAD sowie die Herstellbarkeit der Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) berücksichtigen. BGA-Pads gibt es ebenfalls in zahlreichen Ausführungen, und sie können, sofern der Platz es zulässt, frei gewählt werden, wobei die folgenden Typen üblicherweise verwendet werden.
• Dogbone-Pad
Das Dogbone-Pad nutzt Vias, um Leiterbahnen auf andere Lagen zu führen, wodurch bestimmte Einschränkungen für die Padgröße entstehen. Aufgrund der Existenz von Vias neigen während des Leiterplattenherstellungsprozesses einige Defekte dazu aufzutreten, wie zum Beispiel Lötbrücken infolge von sich ablösender Lötstoppmaske. Daher muss die Padgröße streng entsprechend dem tatsächlichen Fertigungsniveau ausgelegt werden, um Lötfehler während des BGA-Lötens zu minimieren und gleichzeitig etwas Spielraum für eine zukünftige BGA-Nacharbeit zu lassen.
• Über Vias extern auf BGA-Pads verteilt
Diese Art von Pad eignet sich am besten für BGA‑Bauteile mit einer geringen Anzahl von I/Os. Dieses Pad‑Design erleichtert das Löten und schafft mehr Freiraum für die Padgröße. Natürlich müssen dabei die grundlegenden Anforderungen an das Routing erfüllt werden. Daher ist es nahezu unmöglich, diese Art von Pad bei BGAs mit einer höheren Anzahl von I/Os zu verwenden.
• Via-in-Pad-Pad
Über den Pfadentwickelt sich parallel zum Fortschritt der Microvia-Technologie in der Leiterplattenfertigung.
Abgesehen vom Pad-Typ stehen Lötstoppmaske und BGA-Pad-Position in direktem Zusammenhang mit dem BGA-Löten. Je nach Position der Lötstoppmaske gibt es zwei Arten von BGA-Pads: SMD-Pad (solder mask defined) und NSMD-Pad (non solder mask defined), die jeweils unterschiedliche Funktionen beim BGA-Löten erfüllen. Wenn ein SMD-Pad verwendet wird, weist das Pad eine große Haftfläche mit der Lötstoppmaske auf, was zu einer entsprechend großen Haftfläche zwischen den Lötstellen und der Leiterplatte führt. Wenn jedoch die Pad-Größe zunimmt, wird der Abstand zwischen benachbarten Pads kleiner, was die Verteilung von Vias und die Leiterbahnführung beeinträchtigt.
Während des Leiterplattenherstellungsprozesses wird das BGA‑Pad nicht beeinflusst, wenn sich der Lötstopplack in dieselbe Richtung verschiebt, was für das BGA‑Löten vorteilhaft ist. Diese Art von Pad neigt jedoch dazu, am Rand während der Nacharbeit des Lötstopplacks beschädigt zu werden, was sich nachteilig auf das Rework-Ergebnis auswirkt. Wird ein NSMD‑Pad verwendet, ist das Pad relativ klein, was für die Verteilung der Vias und das Routing vorteilhaft ist. Diese Padstruktur führt jedoch zu einer Verringerung der Verbindungsfläche zwischen Lötstelle und Pad und damit zu einer weiteren Reduzierung der Festigkeit der Lötverbindung. Kurz gesagt, beide Padtypen haben ihre eigenen Vor- und Nachteile, und das entsprechende Pad kann auf Grundlage technologischer Überlegungen ausgewählt werden.
Lötpasten-Druck
Der Lotpastendruck spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Lötqualität. Lotpastendruck ist die präzise Übertragung der Lotpaste von der Schablone auf das Pad, wobei Schablone, Lotpaste und Drucker beteiligt sind. Die Präzision des Lotpastendruckers sollte zunächst den Anforderungen der BGA-Bestückung entsprechen. Die Schablone bestimmt die Menge der Lotpaste durch ihre Dicke und die Größe der Öffnungen. Die von einem BGA-Gehäuse benötigte Lotpastemenge wird in der Regel durch drei Aspekte bestimmt:
• Es sollte ausreichend Lot verwendet werden, um hervorragende BGA-Lötverbindungen sicherzustellen.
• Die Menge der Lötpaste sollte den Ebenheitsfehler der Lötbälle (in der Regel 0,1 mm) von BGA-Bauteilen ausgleichen.
• Wenn sich weitere Fine-Pitch-Bauteile auf der Leiterplatte befinden, sollte die Menge der Lötpaste umfassend berücksichtigt werden, um das Auftreten weiterer Lötfehler zu verhindern.
Positioniergenauigkeit
Die exakten Positionen von BGA‑Bauteilen auf der Leiterplatte hängen vollständig von der Präzision der Bestückungsautomaten ab, von denen die meisten über ein spezielles Positioniersystem verfügen, das eine genaue Platzierung der BGA‑Bauteile ermöglicht. Darüber hinaus können einige Bestückungsautomaten sogar die BGA‑Lötbälle hinsichtlich ihrer Koplanarität prüfen und bestimmte Defekte wie fehlende Lötbälle erkennen, was äußerst hilfreich für die Verbesserung der Zuverlässigkeit von BGA‑Lötverbindungen ist.
Darüber hinaus können weitere Maßnahmen ergriffen werden, um die Bestückungsgenauigkeit von BGA-Bauteilen weiter zu verbessern. Beispielsweise werden lokale Fiducial-Marken im äußeren Bereich der BGA-Pads angebracht oder es werden ein paar Faltlinien als Fiducial-Marken für die manuelle Inspektion nach der Montage gesetzt, von denen beide sich in der praktischen Fertigung als wirksam erwiesen haben.
Außerdem weisen BGA-Bauteile aufgrund der Oberflächenspannung des Lots im Lötprozess einen ausgeprägten Selbstzentrierungseffekt auf. Daher vergrößern einige Entwickler bei der BGA-Pad-Gestaltung bewusst die Pads an den vier Ecken, um den Selbstzentrierungseffekt zu verstärken und sicherzustellen, dass sich BGA-Bauteile bei verschobenen Bestückungspositionen selbsttätig zurücksetzen können.
Löttemperaturkurve und Lötfehler
Die Löt-Temperaturkurve bestimmt direkt die Lötqualität. Eine Temperaturkurve umfasst in der Regel vier Phasen: Vorheizphase, Einweichphase, Reflow-Phase und Abkühlphase, von denen jede durch unterschiedliche physikalische/chemische Veränderungen gekennzeichnet ist. Da die Einstellung der Temperaturkurve den Formungsprozess der Lötstellen bestimmt, steht sie in engem Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit der Lötstellen. Aufgrund der Besonderheit des BGA-Gehäuses ist es äußerst schwierig, eine zufriedenstellende Temperaturkurve zu erzeugen. Allgemein gesprochen müssen bei einem BGA-Bauteil drei Temperaturen gemessen werden: die Gehäusetemperatur, die Temperatur der Leiterplattenoberfläche und die Temperatur der inneren Lötstelle des BGA.
BGA-Inspektions- und Nacharbeitstechnologien
Da sich nach dem Löten alle BGA-Lötstellen unter den Gehäusen befinden, können herkömmliche Prüfmethoden wie Flying-Probe-Test oder Sichtprüfung die praktischen Anforderungen nicht erfüllen. Bis jetzt sind die führenden Methoden, mit denen sich Lötfehler an BGA-Lötstellen erfassen lassen,AOI (automatisierte optische Inspektion) TestundAXI (automatisierte Röntgeninspektion) Test.
Aufgrund der Eigenschaften der BGA-Struktur ist es kaum möglich, eine einzelne Lötverbindung eines BGA-Bauteils zu prüfen. Stattdessen sollte das gesamte Gehäuse neu bearbeitet werden.
Andere Faktoren
Im BGA-Montageprozess müssen weitere Faktoren beachtet werden, wie etwa der Schutz vor elektrostatischer Aufladung und das Ausheizen (Baking) von BGA-Bauteilen. In der Regel erfordern BGA-Bauteile spezielle Verpackungen mit Anforderungen an den ESD-Schutz. Während des Leiterplattenbestückungsprozesses sollten strenge Maßnahmen zum Schutz vor elektrostatischer Aufladung getroffen werden, einschließlich Erdung der Ausrüstung, Personalmanagement und Umweltkontrolle.
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