BGA-Bauteile und ihre Löttechnologien in der SMT-Bestückung

Klassifizierungen und Eigenschaften von BGA-Komponenten

• Klassifizierungen von BGA-Komponenten

Basierend auf unterschiedlichen Verpackungsmaterialien lassen sich BGA‑Bauteile in folgende Typen einteilen: PBGA (Plastic Ball Grid Array), CBGA (Ceramic Ball Grid Array), CCGA (Ceramic Column Grid Array), TBGA (Tape Ball Grid Array) und CSP (Chip‑Scale Package). Hier ist ein Artikel, derEinzelheiten zu den Vor- und Nachteilen dieser Arten von BGA‑Bauteilen.

• Eigenschaften von BGA-Komponenten

Zu den wichtigsten Eigenschaften von BGA‑Bauteilen gehören:
a. Der Anschlussabstand der Ein-/Ausgänge ist so groß, dass innerhalb derselben Fläche mehr Ein-/Ausgänge untergebracht werden können.
b. Höhere Verpackungszuverlässigkeit, niedrigere Fehlerrate der Lötstellen und höhere Zuverlässigkeit der Lötstellen.
c. Die Ausrichtung von QFP‑Chips (Quad Flat Package) erfolgt in der Regel durch visuelle Kontrolle durch Bediener und ist sowohl bei der Ausrichtung als auch beim Löten schwierig. Bei BGA‑Bauteilen ist die Ausrichtung und das Löten hingegen einfacher zu realisieren, da der Pinabstand vergleichsweise groß ist.
d. Es ist einfacher, das Drucken von Lotpaste mit einer Schablone auf BGA‑Bauteilen durchzuführen.
e. BGA-Pins sind stabiler und weisen eine bessere Ebenheit auf als QFP-Gehäuse, da der Ebenheitsfehler nach dem Schmelzen der Lötperlen zwischen Chip und Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) automatisch ausgeglichen werden kann.
f. Während des Lötprozesses führt die Spannung zwischen den Lötstellen zu einer hohen Selbstjustierung, die einen Montagepräzisionsfehler von 50 % zulässt.
g. Mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften ermöglichen BGA-Komponenten ausgezeichnete Frequenzeigenschaften.
h. BGA-Komponenten schneiden in Bezug auf die Wärmeableitung besser ab.

Natürlich weisen BGA-Bauteile neben Vorteilen auch Nachteile auf. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, dass die Qualitätsprüfung der Lötstellen schwierig ist, da sie von AXI- (automatisierte Röntgeninspektion) und AOI- (automatisierte optische Inspektion) Geräten abhängt, die in der Lage sind, das Zusammensacken der Lotkugeln zu beobachten. Selbstverständlich steigen damit auch die Prüfkosten und der Prüfaufwand.

Lagerung und Anwendungsumgebung von BGA-Komponenten

BGA-Bauteile sind eine Art von Bauteilen, die stark feuchtigkeits- und temperaturempfindlich sind, daher sollten sie in einer trockenen Umgebung mit konstanter Temperatur gelagert werden. Außerdem sollten die Bediener den technologischen Arbeitsablauf strikt einhalten, um Bauteile vor schädlichen Einflüssen vor der Montage zu schützen. Allgemein gesprochen liegt die optimale Lagerumgebung für BGA-Bauteile in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 25 °C bei einer Luftfeuchtigkeit von weniger als 10 % rF. Darüber hinaus sollten sie idealerweise in Stickstoffatmosphäre gelagert werden.

Im Allgemeinen sollten BGA-Komponenten nach dem Öffnen ihrer Verpackung während des Montage- und Lötprozesses niemals über längere Zeit der Luft ausgesetzt werden, um zu verhindern, dass die Bauteile aufgrund ihrer verminderten Qualität zu einer Verschlechterung der Lötqualität führen. Sobald die Verpackungen der BGA-Komponenten geöffnet sind, müssen sie in einer Betriebsumgebung von ≤30°C/60 % rF innerhalb von 8 Stunden aufgebraucht werden. Wenn die Komponenten in Stickstoff gelagert werden, kann die Verwendungszeit in gewissem Umfang verlängert werden.

Es ist äußerst häufig zu beobachten, dass BGA-Bauteile nach dem Öffnen ihrer Verpackungen während der SMT- (Surface-Mount-Technology-) Bestückung nicht vollständig aufgebraucht werden. BGA-Bauteile müssen vor ihrem nächsten Einsatz gebacken werden, um ihre hervorragende Lötbarkeit zu gewährleisten. Die Backtemperatur liegt in der Regel bei 125 °C. Die Beziehung zwischen Backzeit und Verpackungsdicke ist in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Eine zu hohe Backtemperatur führt zu einer Veränderung der metallografischen Struktur an der Verbindung zwischen Lotkugeln und Bauteilen. Es neigt dazu, dass sich Ablösungen zwischen Lotkugeln und Bauteilgehäusen bilden, wodurch die SMT-Montagequalität abnimmt. Ist die Backtemperatur zu niedrig, kann keine Entfeuchtung erreicht werden. BGA-Bauteile können nach dem Backen und einem anschließenden Abkühlen von 30 Minuten in der natürlichen Umgebung montiert werden.

BGA-Bauteil-Löttechnologien

BGA-Bauteilmontagetechnologien sind grundsätzlich mit SMT kompatibel. Die führenden Lötphasen umfassen das Drucken von Lotpaste auf das Pad-Array mittels Schablone und das Ausrichten der BGA-Bauteile auf das Pad-Array sowie das Reflow-Löten der BGA-Bauteile. Im weiteren Verlauf dieses Artikels wird eine kurze Einführung in den PBGA-Lötprozess gegeben.

• Lotpastendruck

Die Qualität der Lötpaste spielt eine entscheidende Rolle für die Lötqualität. Bei der Auswahl von Lötpaste sollten folgende Aspekte berücksichtigt werden: ausgezeichnete Druckeigenschaften, hervorragende Lötbarkeit und geringe Verunreinigungen.

Der Partikeldurchmesser der Lötpaste sollte mit dem Anschlussraster (Lead Pitch) der Bauteile kompatibel sein. Im Allgemeinen gilt: Je kleiner das Anschlussraster ist, desto kleiner sollte der Partikeldurchmesser der Lötpaste sein und desto besser wird die Druckqualität. Doch so einfach ist es nicht, da Lötpaste mit größerem Partikeldurchmesser zu einer höheren Lötqualität führen kann als solche mit kleinerem Partikeldurchmesser. Daher sollten bei der Auswahl der Lötpaste umfassende Überlegungen angestellt werden. Da BGA-Bauteile ein feines Raster aufweisen, ist es sinnvoll, Lötpaste mit einem Partikeldurchmesser unter 45 μm zu wählen, um einen hervorragenden Druck- und Löteffekt zu gewährleisten.

Die für den Lotpastendruck verwendete Schablone besteht aus Edelstahl. Da BGA‑Bauteile ein feines Rastermaß aufweisen, sollte die Schablonendicke im üblichen Bereich von 0,12 mm bis 0,15 mm liegen. Die Schablonenöffnungen werden in der Regel durch die Bauteile bestimmt; häufig sind sie kleiner als die Pads und werden per Laserschneiden hergestellt.

Während des Druckvorgangs wird ein Edelstahlschaber mit einem Winkel von 60 Grad verwendet, dessen Druck im Bereich von 35 N bis 100 N geregelt wird. Sowohl ein zu hoher als auch ein zu niedriger Druck ist für den Druck nachteilig. Die Druckgeschwindigkeit wird im Bereich von 10 mm/s bis 25 mm/s geregelt. Je kleiner der Öffnungsabstand ist, desto langsamer erfolgt der Druck. Außerdem sollte die Umgebungstemperatur während des Betriebs etwa 25 °C betragen und die Luftfeuchtigkeit im Bereich von 55 % bis 75 % rF liegen. Leiterplatten nach dem Lotpastendruck sollten innerhalb von 30 Minuten nach dem Lotpastendruck in den Reflow-Ofen eingebracht werden, um zu verhindern, dass die Lotpaste über einen längeren Zeitraum der Luft ausgesetzt wird und dadurch die Produktqualität beeinträchtigt wird.

• Komponentenmontage

Das wesentliche Ziel der Montage besteht darin, jede Lötperle auf BGA‑Bauteilen mit jedem Pad auf der Leiterplatte (PCB) auszurichten. Da die Pins von BGA‑Bauteilen zu kurz sind, um mit bloßem Auge leicht erkannt zu werden, sollte für eine präzise Ausrichtung spezielle Ausrüstung verwendet werden. Bis jetzt gehören zu den wichtigsten Geräten für eine genaue Ausrichtung BGA/CSP‑Rework‑Stationen und Bestückungsautomaten, wobei die Präzision von Bestückungsautomaten etwa 0,001 mm erreicht. Mithilfe der Spiegelbilderkennung können BGA‑Bauteile präzise auf dem Pad‑Array der Leiterplatte montiert werden.

Dennoch können BGA-Bauteile durch Spiegel­erkennung keine 100% einwandfreien Lotkugeln gewährleisten, und einige Lotkugeln auf der Z‑Achse können kleiner sein als andere Kugeln. Um eine hervorragende Lötbarkeit sicherzustellen, können BGA-Bauteile in der Höhe um 25,41 μm bis 50,8 μm abgesenkt werden, und ein verzögertes Abschalten des Vakuumsystems wird für 400 ms angewendet. Wenn Lotkugeln und Lotpaste vollständig in Kontakt sind, kann die Hohlstellenbildung beim Löten von BGA-Bauteilen verringert werden.

• Reflow-Löten

Das Reflow-Löten ist die am schwierigsten zu kontrollierende Phase im BGA-Montageprozess, daher ist die Erreichung einer optimalen Reflow-Lötkurve ein Schlüsselelement für eine hervorragende BGA-Lötung. Die Reflow-Lötkurve umfasst vier Phasen: Vorheizen, Einweichen, Reflow und Abkühlen. Temperatur und Zeit der vier Phasen können jeweils eingestellt und angepasst werden, sodass ein optimales Lötergebnis erzielt werden kann.

• BGA-Nacharbeit

Die BGA-Nachbearbeitung nach dem Löten wird auf einer BGA-Rework-Station durchgeführt, die unabhängig an einem BGA-Chip löten und nacharbeiten kann, ohne die benachbarten Bauteile zu beeinträchtigen. Daher kann eine Heißluft-Reflow-Düse in geeigneter Größe ausgewählt werden, um den BGA-Chip abzudecken und so das Löten zu erleichtern.

Qualitätsprüfung der Lötung von BGA-Bauteilen

BGA als Abkürzung für Ball-Grid-Array-Gehäuse enthält Lötperlen unter den Bauteilen, und die Qualität dieser Lötperlen kann ohne spezielle Prüfgeräte kaum bestimmt werden. Eine rein visuelle Inspektion reicht nicht aus, um die Lötqualität der Lötstellen zu beurteilen. Bis jetzt sind Prüfgeräte für die Qualitätskontrolle von BGA-Lötungen Röntgenprüfgeräte, die in zwei Kategorien eingeteilt werden: 2D und 5D.

2D-Röntgeninspektionsgeräte können Lötfehler wie Risse, fehlende Lötstellen, Brückenbildung, Fehlausrichtung und unzureichende Lötmenge kostengünstig prüfen. Ein wesentlicher Nachteil von 2D-Röntgeninspektionsgeräten besteht jedoch darin, dass es mitunter etwas schwierig ist zu erkennen, auf welche Seite sich das Bauteilbild bezieht, wenn zwei Bilder überlagert sind. Dieser Nachteil kann überwunden werden, wenn ein 5D-Röntgeninspektionsgerät eingesetzt wird, allerdings zu höheren Kosten.

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