Hauptgründe für Risse bei BGA-Lötverbindungen

Moderne Elektronikprodukte entwickeln sich hin zu feinen Leiterbahnen und extremer Dünnheit, wobei die eingesetzten elektronischen Bauteile immer kleiner werden. Zudem werden immer mehr elektronische Bauteile mit Fine-Pitch-IC-(Integrated Circuit)-Gehäusen auf Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCB) bestückt, insbesondere BGA- (Ball Grid Array) und CSP- (Chip-Scale Package) Bauteile. Der Bauteilabstand hat sich von 0,65 mm und 0,5 mm auf 0,4 mm oder weniger verringert; die PCB-Dicke von 1,6 mm und 1,2 mm auf 1,0 mm, 0,8 mm oder 0,6 mm oder weniger; die Anzahl der PCB-Lagen von doppelseitig oder 8 Lagen auf 12 Lagen, 18 Lagen oder mehr; die BGA-Montageart von einfacher Bestückung aufPOP (Package-on-Package)All die oben genannten Entwicklungen haben unsere Leiterplattenfertigung und PCBA-Fähigkeiten herausgefordert, wobei jedoch die Lötqualität von BGAs ein so zentrales Element darstellt, dass BGA-Risse bereits dann auftreten können, wenn einem einzigen Prozessschritt nicht genügend Beachtung geschenkt wird oder eine ungeeignete Maßnahme ergriffen wird. Die häufigste Stelle, an der Risse bei BGAs auftreten, ist die Lötverbindung zwischen Pad und Pad-Unterseite. Allgemein gesprochen treten Risse am häufigsten an den vier Ecken eines BGA-Bauteils auf und danach an seinen vier Seiten, da diese den größten mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

Die Gründe, die zu Rissen beim BGA-Löten führen, werden in den folgenden Abschnitten erläutert.

Niedrige Leiterplattenqualität führt zu BGA-Rissen

• Falsch ausgewähltes T_gund T_dvonLeiterplatten-Substratmaterial

Während des Prozesses von der bleihaltigen zur bleifreien Fertigung müssen die Temperaturen beim Reflow-Löten und Wellenlöten aufgrund der Anforderungen der SMT- (Surface-Mount-Technologie) Bestückung erhöht werden. Manche Leute glauben einfach, dass es in Ordnung sei, ein Substratmaterial mit hoher T zu verwenden._g(Glasübergangstemperatur) wird für Leiterplatten ausgewählt. Man ist lediglich der Ansicht, dass es entscheidend ist, die Ausdehnung in Z‑Richtung zu steuern und zu kontrollieren. Das Hauptziel besteht darin, Delamination bei dicken Leiterplatten und Leiterplatten mit 14 oder mehr Lagen zu verhindern und Risse an PTH (durchkontaktierten Bohrungen) zu vermeiden, da eine starke Ausdehnung der Leiterplatte in Z‑Richtung dazu neigt, die PTH‑Lochwände während des Reflow- oder Wellenlötens brechen zu lassen. Nichtsdestotrotz, T_gkann Risse, die während des bleifreien Prozesses entstehen, nicht verhindern, es sei denn T_d(Temperatur der Zersetzung) wird als vollständig lösende Maßnahme für das Problem von PCB-Rissen betrachtet. Drei Stufen von T_dwerden in der IPC in Bezug auf das Leiterplatten-Substratmaterial geregelt: 310°C, 325°C und 340°C.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass während des Prozesses der Bestimmung des Substratmaterials die höhere T_gund T_dsind, desto besser. Aber die Kosten für die Leiterplattenherstellung sind eine wesentliche Überlegung, anhand derer ein Substratmaterial mit akzeptabler T ausgewählt wird_gund T_dsollte abgeholt werden.

• Unzureichender Gelgehalt im Prepreg

Ein unzureichender Harzgelgehalt im für Außenlagen und zwischen Innenlagen verwendeten Prepreg führt dazu, dass die Kupferfolie bei hohen Temperaturen Blasen bildet.

• Ungeeignete Auswahl des Kupferprofils

Im Allgemeinen wird das übliche Profil in drei Kategorien eingeteilt: Standardprofil, Low-Profile und Very-Low-Profile. Standardprofile enthalten keine Vorschriften bezüglich der Kupferfolie, da die Haftfestigkeit hoch ist, jedoch führt ein zu hohes Profil tendenziell zu schlechter Ätzung, was wiederum die Stabilität der Leiterbahnbreite und der Impedanzkontrolle verringert. Low-Profile legt fest, dass die maximale Profil-Spezifikation 0,4 mil (10,2 μm) beträgt. Bis jetzt wird Low-Profile von den meisten Leiterplattenherstellern eingesetzt. Very-Low-Profile legt fest, dass die maximale Profil-Spezifikation 0,2 mil (5,1 μm) beträgt, was im Allgemeinen nur bei der Leiterplattenfertigung mit speziellen Feinstleiteranforderungen, wie z. B. 2 mil Leiterbahnbreite, verwendet wird.

• Schlecht ausgeführte PCB-Laminierung

Immer wenn eine minderwertige PCB-Laminierung stattfindet, führt unzureichende Schwärzung oder Bräunung zu schlechter Haftung.

• Schlecht ausgeführte Lötstoppmaskenentwicklung oder Oberflächenveredelung

Schlecht ausgeführtLötstoppmaskeentwickelnd oderOberflächenbeschaffenheitwird Lötfehler verursachen. Beispielsweise neigt die Oberflächenoxidation dazu aufzutreten, wenn der OSP-Film zu dick oder zu dünn ist, einer ungeeigneten Vorbehandlung unterzogen wird oder eine zu lange Lagerzeit durchläuft.

• Zu kleine BGA-Pad-Größe

Während der Designphase, wenn die BGA-Padgröße zu klein ist, kann dies möglicherweise auf Überätzung oder das Fehlen eines Kompensationswertes für den Ätzfaktor zurückzuführen sein.

Nicht vertrauenswürdiges eingehendes Material und Aufbau von BGAs

• Wenn die Z-Achsen-Ausdehnung des Substrats beim eingehenden BGA-Material zu groß ist, führt dies zu einer geringen Abzugfestigkeit und T_dwird zu niedrig sein, was in beiden Fällen möglicherweise zu Zinnrissen führt.

• Die Vakuumverpackung wird nach der IQC-Prüfung (Eingangsqualitätskontrolle) nicht durchgeführt, die Vakuumverpackung erleidet vor dem Backen Beschädigungen oder das BGA haftet länger als zwei Stunden vor dem Löten an der Leiterplattenoberfläche, was alles zu mangelhaften Lötverbindungen führt.

• Während des BGA-Layouts darf die Padgröße niemals zu klein sein und die Padgröße darf niemals kleiner sein als die halbe Teilung (Pitch) des BGAs minus 2 mil, außer bei Pads, die in speziellen Situationen verwendet werden. Außerdem sollten die Pads an den vier Ecken des BGAs in ihrer Größe 1 mil größer sein als die übrigen Pads.

• Die vier Ecken des BGA sollten vorzugsweise als SMD (Solder Mask Define) ausgelegt werden, da die Vergrößerung der BGA-Basis und das Vorhandensein einer Lötstoppmaske um das Pad die Rissbeständigkeit des Pads erheblich verbessern. Da beim Solder-Mask-Define-Löten die Lötung nur die Oberfläche abdeckt und die Seiten unberücksichtigt bleiben, ist die Festigkeit der Lötverbindung schlechter als bei Copper-Define-Lötungen.

• Leiterplatten mit ENIG-Oberflächenfinish führen leichter zu Rissen an BGA-Lötverbindungen. ENIG kann niemals bei BGAs verwendet werden, deren Pads 11 mil niedriger liegen; OSP ist hier besser geeignet.

Unzureichende Prozesskontrolle oder mangelhafter Montagezustand

• Während der Schablonenentwurfsphase sollten die vier Ecken und jede Seite der BGA-Komponente 1 mil bis 2 mil größer sein als die des Pads. Die Öffnungsgröße der Schablone sollte auf Grundlage der Spezifikationen der BGA-Komponenten entworfen werden, einschließlich Pitch, Lötperlen auf der BGA und der Zusammensetzung der Lötperlen.

• Während des Druckvorgangs darf der Stützstift nicht gegen das BGA gedrückt werden, um falsche Lötstellen und den Pillow-Effekt zu verhindern, die durch Verunreinigungen der BGA-Pads entstehen können. Darüber hinaus ist insbesondere auf den Druck der Rakel beim Drucken und auf die Qualitätskontrolle des Druckvorgangs zu achten.

• Während der Bestückungsphase sollten die Wafer-Positionen des aufzunehmenden BGA, die Einstellung der Bauteildicke und die Druckmenge beim Aufnehmen besonders beachtet werden.

• Während des IR-Reflows gibt es mehr Möglichkeiten für Risse, und es muss besondere Aufmerksamkeit darauf gelegt werden:
a. Während des Prozesses der Herstellung doppelseitiger Leiterplatten muss der Verformungsgrad der Leiterplatte berücksichtigt werden. Während des Reflow-Lötens können Vorrichtungen verwendet werden, und das Substrat dieser Vorrichtungen muss im Hinblick auf ein mögliches Schrumpfen durch hohe Temperaturen und anschließende Abkühlung sorgfältig berücksichtigt werden.
b. Eingehende BGA‑Bauteile müssen sorgfältig geprüft werden, um festzustellen, ob ein Einsinken an den Lötbällen auftritt. Außerdem sind die Legierungsbestandteile der Lötbälle sowie die Kompatibilität zwischen der Z‑Achsen‑Ausdehnung des Substratmaterials des BGA und der Leiterplatte (PCB) zu überprüfen.

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