Wesentliche Elemente der Reflow-Löttechnik für BGA-Bauteile

BGA, kurz für Ball Grid Array, nutzt Lotkugeln, die auf der Rückseite des Trägers als Pins fungieren. BGA ist eine Art Gehäuse, das in der SMT- (Surface-Mount-Technology) Bestückung verwendet wird und bei LSI (Large Scale Integration) mit vielen Pins zum Einsatz kommt.

BGA-Gehäusekategorien

Bis jetzt können BGA-Gehäuse entsprechend den Basistypen in drei Kategorien eingeteilt werden: PBGA (Plastic Ball Grid Array), CBGA (Ceramic Ball Grid Array), TBGA (Tape Ball Grid Array).

• PBGA

PBGA platziert Lötbälle auf der Basis mit den folgenden Eigenschaften:
a. Verfügt über eine hervorragende Heißpress-Kompatibilität mit Epoxidharz;
b. Lötperlen tragen zur Bildung von Lötverbindungen bei und führen zu einer flexiblen Koplanarität von etwa 250 μm;
c. Verfügt über geringe Kosten;
d. Funktioniert elektrisch hervorragend;
e. Kann über die Gehäusekante präzise mit dem PCB-Pad ausgerichtet werden.

• CBGA

Die zu CBGA gehörenden Lotkugeln werden aus Hochtemperaturlot hergestellt, das anschließend mithilfe von eutektischem Lot mit niedrigem Schmelzpunkt (in der Regel 63Sn/Pb) mit der Keramikbasis verbunden wird, welches dann verwendet wird, um die Lotkugeln mit der Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) zu verbinden. CBGA weist die folgenden Eigenschaften auf:
a. Weisen eine höhere Zuverlässigkeit auf;
b. Weist eine gute Koplanarität von etwa 100 μm auf, und Lötverbindungen lassen sich leicht herstellen;
c. Nicht empfindlich gegenüber Feuchtigkeit;
d. Weisen eine hohe Packungsdichte auf;
e. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten weist CBGA eine schlechte Heißpressanpassung an Leiterplatten auf, die Epoxidharz als Substrat verwenden, sodass Lötstellenermüdung zum primären Ausfalltyp von CBGA geworden ist;
f. Es ist schwierig, eine Ausrichtung zwischen der Gehäusekante und der Leiterplatte zu erreichen, was zu hohen Verpackungskosten führt.

• TBGA

TBGA ist eine Art Gehäuse, das die Bandverbindung nutzt, um die Verbindung zwischen Chip, Lotkugeln und Leiterplatte (PCB) herzustellen. Zu den Merkmalen des TBGA-Gehäuses gehören:
a. Bietet eine gute Heißpressanpassung mit Leiterplatten, die Epoxidharz als Substratmaterial verwenden;
b. In der Lage, sich über die Gehäusekante mit dem PCB-Pad auszurichten;
c. Verfügt über die niedrigsten Kosten;
d. Empfindlich gegenüber sowohl Feuchtigkeit als auch Hitze, was möglicherweise zu einer relativ geringen Zuverlässigkeit führt;

Basierend auf der kurzen Einführung in die verschiedenen Kategorien von BGA-Gehäusen lassen sich die Merkmale von BGA-Gehäusekomponenten wie folgt zusammenfassen:
a. Führt zu einer niedrigen Ausfallrate;
b. Die Anzahl der Bauteilanschlüsse deutlich erhöhen und gleichzeitig die Gehäusegröße verringern, wodurch die benötigte Grundfläche der Anwendung reduziert wird;
c. Offensichtlich das Problem der Koplanarität beseitigen und den koplanaren Schaden erheblich verringern;
d. Verfügen über massive Pins, was sich von der bei QFP (Quad Flat Package) auftretenden Pinverformung unterscheidet;
e. Fügen Sie kurze Pins ein, die signalisieren, dass die Leitungswege anschließend kurz sind, mit reduzierter Leitungsinduktivität und -kapazität und verbesserter elektrischer Leistung;
f. Vorteilhaft für die Wärmeableitung;
g. Kompatibel mit den Verpackungsanforderungen von MCM (Multi-Chip-Modul), was zu hoher Dichte und hoher Leistungsfähigkeit von MCM führt.

Reflow-Löttechnologie für BGA

Grundsätzlich ist die Montage von BGA-Gehäusen mit dem SMT-Montageverfahren kompatibel. Zuerst wird Lötpaste mithilfe einer Schablone auf das Pad-Array der Leiterplatte aufgetragen oder Flussmittel auf die Pads beschichtet. Anschließend wird ein Bestückungsautomat verwendet, um die BGA-Bauteile mit vollständiger Ausrichtung auf dem Pad-Array der Leiterplatte zu platzieren. Danach durchlaufen die BGA-Bauteile den Reflow-Lötprozess im Reflow-Ofen. Aufgrund der Besonderheiten von BGA-Gehäusebauteilen wird in diesem Artikel die Reflow-Löttechnologie am Beispiel von PBGA erläutert.

• Vorheizphase

Die Vorheizphase besteht in der Regel aus 2 bis 4 Heizbereichen, in denen die Temperatur innerhalb von 2 Minuten kontinuierlich auf 150 °C ansteigt, sodass flüchtige Bestandteile in der Lötpaste verdampfen können. Dadurch führen diese Stoffe weder zu Lötverspritzungen noch zu einer Überhitzung des Trägermaterials. Gleichzeitig kann die Temperatur der PCB-Bauteile ausreichend hoch werden, um die Benetzbarkeit des Lots zu gewährleisten. Optimal ist eine Temperaturanstiegsrate von 1,5 °C pro Sekunde.

• Einweichphase

Das Ziel der Einweichphase besteht darin, ein ausreichendes Heißschmelzen zu erreichen und die Temperatur aller Lötstellen auf der Leiterplatte (PCB) so nah wie möglich an die Löttemperatur heranzuführen. Das Ausmaß des Heißschmelzens bestimmt direkt die Lötqualität der Lötstellen. Die Temperatur sollte für etwa 60 bis 120 Sekunden bei ungefähr 170 °C gehalten werden.

• Lötphase

In der Lötphase muss beobachtet werden, dass die Temperatur der Lötstellen schnell auf die Löttemperatur ansteigt. Die Dauer sollte im Bereich von 60 bis 120 Sekunden liegen, wenn die Temperatur über 183 °C liegt. Am besten wird die höchste Temperatur in der Lötphase im Bereich von 200 °C bis 210 °C eingestellt, und die Spitzentemperatur der Bauteile sollte 220 °C nicht überschreiten. Optimal ist eine Temperaturanstiegsrate von 2 °C bis 3 °C pro Sekunde.

• Kühlphase

Die Abkühlphase umfasst zwei Kühlmodi: Luftkühlung und natürliche Kühlung. Optimal ist es, wenn die Abkühlgeschwindigkeit im Bereich von 1 °C bis 3 °C pro Sekunde liegt. Außerdem sollte der Temperaturunterschied zwischen der Bauteiloberfläche und der Unterseite 7 °C nicht überschreiten, da sonst thermische Spannungsakkumulation verursacht wird.

Da Bauteile mit unterschiedlichen Gehäusen unterschiedliche Wärmeaufnahme- und Wärmeableitungsraten aufweisen, sollten die Temperaturanstiegsrate in der Lötphase und die Temperaturabfallrate unterschiedlich behandelt werden.

Die Temperatur und die Zeitdauer jeder Phase während des Reflow-Lötverfahrens können in der folgenden Tabelle zusammengefasst werden.

Es ist zu beachten, dass diese Tabelle niemals in allen Situationen vollständig eingehalten werden kann. Unterschiede treten bei Bauteilen, Reflow-Lötöfen, Leiterplatten, Montageumgebung, der Fertigungserfahrung der Bediener usw. auf, sodass genauere Einstellparameter von der praktischen Montageerfahrung abhängen.

BGA-Bauteilinspektion

Eine gute Lötung ist nur halb erledigt. Lötstellen können niemals als perfekt ausgeführt garantiert werden, sofern keine Inspektionen durchgeführt werden. BGA-Gehäuse verbergen ihre Komponenten unter ihrem Körper, sodass eine visuelle Inspektion kaum möglich ist. Außerdem können mit einer optimalen Inspektion nur die Lötstellen am Rand freigelegt werden, was keine vollständigen und genauen Inspektionsergebnisse liefert. Daher sollten BGA-Lötstellen mit Röntgeninspektionsgeräten überprüft werden. Für Röntgeninspektionsgeräte stehen zwei Methoden zur Verfügung: Durchstrahlungsinspektion und Querschnittsinspektion, die beide in der Lage sind, Brückenbildung zwischen Lötstellen und Fehlanpassungen zu prüfen. Tatsächlich unterscheiden sich beide Inspektionsmethoden hinsichtlich ihrer Fähigkeiten zur Überprüfung der Form und Größe von BGA-Lötstellen.

• Röntgen-Durchstrahlungsprüfung

Röntgenstrahlen durchdringen alle hochdichten Materialien in vertikaler Richtung. Bei CBGA verhindern Lötperlen die Bildung von eutektischem Lot auf der Ebene der Lötstation, und das eutektische Lot auf Bauteilebene wird tendenziell von Lötperlen bedeckt. Beim PBGA-Gehäuse hingegen neigt das Lötbild an der Lötstation dazu, an der Lötstelle zu enden. Infolgedessen ist die durchstrahlende Röntgeninspektion nicht in der Lage, den Fehler einer unzureichenden Lötmenge korrekt zu erkennen.

• Röntgen-Querschnittsprüfung

Die Röntgen-Querschnittsprüfung kann Lötverbindungsfehler untersuchen und die Form von BGA-Lötstellen sowie die kritischen Abmessungen des Querschnitts präzise erfassen. Die Prüfung der Ringdicken auf Lötstations-Ebene spiegelt den Löt-Reflow-Prozess bzw. Veränderungen des Lotes an der Lötstation wider. Die Radiusprüfung auf Lötstations-Ebene zeigt die Änderungen des Lötvolumens an einer Lötstation an, die durch die Lotpastendrucktechnologie oder zu starkes Reflow-Löten verursacht werden. Die Radiusprüfung von Lotkugeln zeigt die Koplanarität von Lötstelle zu Lötstelle oder von Leiterplatte zu Leiterplatte.

Miniaturisierung und hohe Leistungsfähigkeit sind wesentliche Entwicklungstrends für elektronische Produkte, wodurch die Bestückungsdichte von Schaltungsmodulen kontinuierlich zunimmt. Infolgedessen werden hochintegrierte Mikrokomponenten vielfältiger, und auch ihre Montageverfahren entwickeln sich weiter. Mit dem Aufschwung moderner Gehäusetechnologien entwickelt sich die BGA-Gehäusetechnologie in Richtung μBGA und MCM. Als eine Art hochdichter Bestückungskomponenten sollten unterschiedliche Löttemperaturen angewendet werden, die mit den jeweiligen Gehäuseanforderungen kompatibel sind. Solange die wesentlichen Faktoren beim BGA-Reflow-Löten sorgfältig berücksichtigt werden, kann die Zuverlässigkeit von BGA-Bauteilen und SMT-Baugruppen vollständig gewährleistet werden.

Die Ball-Grid-Array-Technologie (BGA) ist in der modernen Elektronik unverzichtbar, um kompakte, effiziente und leistungsstarke Baugruppen zu realisieren. Durch den Einsatz fortschrittlicher Reflow-Löttechniken und präziser Inspektionszyklen bieten BGA-Gehäuse robuste Verbindungen und erweiterte Funktionalität in einer Vielzahl von Anwendungen und erfüllen so die Anforderungen an Miniaturisierung und hohe Zuverlässigkeit elektronischer Produkte.

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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
•Einige ingenieurfreundliche Methoden zur Erzielung optimaler Lötverbindungen im BGA-SMT-Montageprozess