Der stetige Fortschritt von Wissenschaft und Technologie hat dazu geführt, dass die moderne Gesellschaft eng mit der Elektroniktechnologie verknüpft ist. Strenge Anforderungen werden an die Miniaturisierung und das geringe Gewicht von Elektronikprodukten wie Mobiltelefonen, tragbaren Computern, Speichermedien, Hardware-Treibern, CD-ROM-Laufwerken, hochauflösenden Fernsehern usw. gestellt. Um diese Ziele zu erreichen, müssen Untersuchungen in Bezug auf Fertigungstechnologie und Komponenten durchgeführt werden. SMT (Surface-Mount-Technologie) entspricht diesem Trend und legt ein solides Fundament für die Miniaturisierung elektronischer Produkte.
In den 1990er-Jahren ist die SMT in eine ausgereifte Phase eingetreten. Mit der rasanten Entwicklung elektronischer Produkte hin zu Portabilität, Miniaturisierung, Vernetzung und Multimedia wurden jedoch höhere Anforderungen an die Elektronikmontagetechnik gestellt, wobei das BGA- (Ball Grid Array) Gehäuse eine Form der Hochdichte-Montagetechnologie darstellt, die in eine pragmatische Phase eingetreten ist. Die Qualität der Lötstellen spielt eine derart entscheidende Rolle für die Zuverlässigkeit und Leistung von SMT-Baugruppen, dass der Qualität der BGA-Lötstellen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte. Daher werden in diesem Artikel einige wirksame Maßnahmen vorgestellt, um die Qualität der Lötstellen von BGA-Bauteilen sicherzustellen, auf deren Grundlage die endgültige Zuverlässigkeit der SMT-Baugruppe gewährleistet werden kann.
Eine kurze Einführung in die BGA-Verpackungstechnologie
Die BGA-Verpackungstechnologie begann bereits in den 1960er Jahren und wurde erstmals von IBM eingesetzt. Dennoch trat die BGA-Verpackungstechnologie erst Anfang der 1990er Jahre in eine pragmatische Phase ein.
Bereits in den 1980er‑Jahren stellten die Menschen höhere Anforderungen an die Miniaturisierung von Elektronik und die Anzahl der I/O‑Pins. Trotz der Miniaturisierungseigenschaften der SMT wurden strengere Anforderungen an Bauteile mit hoher I/O‑Pinzahl, feinerem Pitch und an die Ebenheit der Anschlüsse gestellt. Aufgrund von Begrenzungen hinsichtlich Fertigungsgenauigkeit, Herstellbarkeit, Kosten und Montagetechnologie liegt die minimale Pitch‑Größe von QFP‑Bauteilen (Quad Flat Package) jedoch bei 0,3 mm, was die Entwicklung der Hochdichtebestückung einschränkt. Darüber hinaus stellen Fine‑Pitch‑QFP‑Bauteile strenge Anforderungen an die Montagetechnologie, was ihre Anwendung begrenzt. Daher verlagern Bauteilhersteller ihre Forschung und Entwicklung auf BGA‑Bauteile, die gegenüber QFP‑Bauteilen vorteilhafter sind.
Die Einschränkungen von Fine-Pitch-Bauteilen liegen in ihren Anschlüssen, die leicht verbogen oder gebrochen werden können und eine hohe Fragilität aufweisen, wodurch hohe Anforderungen an die Ebenheit der Anschlüsse und die Bestückungsgenauigkeit entstehen. Die BGA-Gehäusetechnologie nutzt einen neuen Designansatz, bei dem kugelförmige oder säulenförmige Lotkugeln unter dem Gehäuse verborgen sind, sodass der Anschlussabstand groß und die Anschlüsse kurz sind. Dadurch ist die BGA-Gehäusetechnologie in der Lage, das Problem der Ebenheit und Verwerfung zu lösen, das bei Fine-Pitch-Bauteilen häufig auftritt.
Daher weisen BGA‑Bauteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und SMT‑Bestückung eine bessere Leistung auf als herkömmliche SMDs (Surface-Mount Devices). Das einzige Problem von BGA‑Bauteilen liegt in der Schwierigkeit der Lötstellenprüfung und darin, Qualität und Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Lötstellenprobleme bei BGA-Bauteilen
Bis jetzt zuverlässige elektronische Montagesysteme,PCBCartZum Beispiel werden Lötfehler bei BGA‑Bauteilen durch elektronische Tests aufgedeckt. Weitere Methoden zur Kontrolle der technischen Prozessqualität der Montage und zur Ermittlung von Fehlern während der BGA‑Bauteilmontage umfassen Stichprobentests beim Pastendruck, AXI sowie die Auswertung der Ergebnisse elektronischer Tests.
Die Erfüllung der Anforderungen an die Qualitätsbewertung von Lötstellen ist eine anspruchsvolle Technologie, da es schwierig ist, Testpunkte unter Gehäusen zu erfassen. Bei der Inspektion und Identifizierung von BGA-Bauteilfehlern ist ein elektronischer Test in der Regel nicht ausreichend, was in gewissem Maße die Kosten für die Fehlerbeseitigung und Nacharbeit erhöht.
Während des Inspektionsprozesses von BGA-Bauteildefekten kann der elektronische Test nur feststellen, ob Strom fließt oder nicht, sobald die BGA-Bauteile verbunden sind. Wenn ein nicht-physikalischer Lötstellen-Test unterstützend eingesetzt wird, ist dies vorteilhaft für den technischen Montageprozess und die Verbesserung der SPC (Statistical Process Control).
Die Montage von BGA‑Bauteilen ist eine Art grundlegender technischer Prozess für physikalische Verbindungen. Um die Qualität des technischen Prozesses bestätigen und kontrollieren zu können, müssen die physikalischen Faktoren, die ihre Langzeitzuverlässigkeit beeinflussen – wie das Volumen der Lotpaste, die Ausrichtung von Anschlüssen und Pads sowie die Benetzbarkeit – bekannt sein und geprüft werden. Andernfalls ist es bedenklich, Änderungen nur auf Grundlage der durch elektronische Tests erzeugten Ergebnisse vorzunehmen.
Inspektionsmethoden für BGA-Bauteile
Es ist äußerst wichtig, die physikalischen Eigenschaften der Lötstellen von BGA‑Bauteilen zu testen und festzustellen, wie während des technischen Prozessforschungszeitraums im Montageprozess beständig zu zuverlässigen Verbindungen beigetragen werden kann. Die durch alle Tests bereitgestellten Rückmeldungen stehen im Zusammenhang mit Änderungen an jedem technischen Prozess oder an den Parametern der Lötstellen.
Der physikalische Test ist in der Lage, Zustandsänderungen der Pasteninspektion sowie den Zustand der BGA-Bauteilverbindungen im Reflow-Lötprozess zu kennzeichnen. Darüber hinaus kann er den Zustand aller BGA-Bauteile auf derselben Leiterplatte und platinenübergreifend darstellen. Beispielsweise ändern sich während des Reflow-Lötprozesses extreme Feuchtigkeitswerte mit der Veränderung der Abkühlzeit, was sich in der Anzahl und Größe der Hohlräume in den BGA-Lötstellen widerspiegeln kann.
Tatsächlich gibt es nicht sehr viele Prüfgeräte für die präzise Messung und Qualitätskontrolle des gesamten technischen Prozesses der BGA-Bauteilmontage. Automatische Laserprüfgeräte sind in der Lage, die Lötpasten-Drucksituation vor der Bauteilbestückung zu testen, arbeiten jedoch mit geringer Geschwindigkeit und sind nicht in der Lage, die Reflow-Lötqualität von BGA-Bauteilen zu prüfen.
Bei Verwendung eines Röntgenprüfgeräts zeigt das Lotpaste-Depot auf dem Pad ein Schattenbild, da sich die Lotpaste oberhalb der Lötstelle befindet. Bei nicht kollabierenden BGA-Bauteilen ist ebenfalls ein Schatten zu erkennen, der durch die vorgelagerten Lotkugeln entsteht und die Beurteilung eindeutig erschwert. Der durch Lotpaste oder vorgelagerte Lotkugeln verursachte Schatteneffekt behindert nämlich die Arbeit von Röntgenprüfgeräten, die Prozessfehler bei BGA-Gehäusen nur grob widerspiegeln können. Darüber hinaus ist die Randinspektion mit Herausforderungen wie unzureichender Lotpaste oder Unterbrechungen infolge von Verunreinigungen konfrontiert.
Die Querschnitts-Röntgeninspektionstechnologie ist in der Lage, die oben genannten Einschränkungen zu überwinden. Sie kann verborgene Defekte von Lötstellen prüfen und die Verbindungen von BGA-Lötstellen darstellen.
Wesentliche Defekte von BGA-Lötverbindungen
• Offene Schaltkreise
Offene Stromkreise treten bei nicht kollabierenden BGA-Lötstellen immer aufgrund von Pad-Verunreinigungen auf. Da das Lotpaste nicht in der Lage ist, das Pad auf der Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) zu benetzen, steigt es über die Lotkugeln hinweg zur Bauteiloberfläche auf. Wie oben erwähnt, kann ein elektronischer Test offene Stromkreise zwar feststellen, aber nicht unterscheiden, ob diese durch Pad-Verunreinigungen oder durch Fehler beim Lotpasten-Druck verursacht werden. Röntgenprüfgeräte können offene Stromkreise ebenfalls nicht anzeigen, was auf den Schatteneffekt der davorliegenden Lotkugeln zurückzuführen ist.
Die Querschnitts-Röntgeninspektionstechnologie ist in der Lage, Schnittbilder zwischen Pad und Bauteilen aufzunehmen und anschließend Unterbrechungen infolge von Verunreinigungen zu bestätigen. Da Unterbrechungen durch Verunreinigungen einen feinen Pad-Durchmesser und einen relativ großen Bauteildurchmesser erzeugen, kann der Unterschied zwischen Bauteildurchmesser und Pad-Durchmesser genutzt werden, um festzustellen, ob Unterbrechungen infolge von Verunreinigungen auftreten. Was Unterbrechungen infolge unzureichender Lotpaste betrifft, so können diese nur mit Querschnitts-Inspektionsgeräten erkannt werden.
• Leere
Die Entstehung von Lunkern bei der Lötung von kollabierbaren BGA‑Bauteilen wird dadurch verursacht, dass aufsteigender Dampf an Lötstellen mit niedrigem Eutektikumspunkt zurückgehalten wird. Lunker können als ein führender Defekt bei kollabierbaren BGA‑Bauteilen angesehen werden. Während des Reflow‑Lötverfahrens konzentriert sich der durch Lunker verursachte Auftrieb auf der Oberfläche der Bauteile, sodass der Großteil der Lötstellenfehler ebenfalls dort auftritt.
Hohlraumbildung kann durch Vorheizen sowie durch Verlängerung der transienten Vorheizzeit und eine niedrigere Vorheiztemperatur im Reflow-Lötprozess reduziert werden. Sobald Hohlräume einen bestimmten Bereich hinsichtlich Größe, Anzahl oder Dichte überschreiten, nimmt die Zuverlässigkeit zwangsläufig ab. Es gibt jedoch eine andere Auffassung, der zufolge Hohlräume nicht begrenzt, sondern ihre Auflösung und Ausdehnung beschleunigt werden sollten, damit sie möglichst frühzeitig als Ausfall erkannt und beseitigt werden können.
PCBCart: Ein professioneller SMT-Bestücker für BGA-Komponenten
PCBCart verfügt über eine spezialisierte SMT-Fertigungslinie mit Lotpastendrucker, Bestückungsautomat, Online- und Offline-AOI-Ausrüstung, Reflow-Lötanlage, AXI-Ausrüstung und BGA-Nacharbeitsstation. Das von PCBCart bereitgestellte automatische Bestückungsverfahren ist in der Lage, BGA-Bauteile mit einem Pitch von nur 0,4 mm zu verarbeiten. Alle von uns angebotenen Dienstleistungen und Produkte entsprechen den Vorschriften des ISO9001:2008-Systems, das eine solide Grundlage für die Erfüllung der Kundenerwartungen bildet.Kontaktieren Sie unsum weitere Informationen über unsere SMT-Fähigkeiten für BGA-Komponenten zu erhalten. Oder Sie können auf die Schaltfläche unten klicken, um ein KOSTENLOSES und unverbindliches PCBA-Angebot anzufordern!
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Hilfreiche Ressourcen
•Vier Schritte, um BGA kennenzulernen
•Eine Einführung in die BGA-Verpackungstechnologie
•Eine kurze Einführung in BGA-Gehäusetypen
•Faktoren, die die Qualität der BGA-Bestückung beeinflussen
