ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีทำให้สังคมสมัยใหม่มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ ความต้องการที่เข้มงวดได้ถูกกำหนดต่อการทำให้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา เช่น โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์พกพา อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล ฮาร์ดแวร์ไดรเวอร์ ไดรฟ์ซีดีรอม โทรทัศน์ความละเอียดสูง เป็นต้น เพื่อให้บรรลุเป้าหมายดังกล่าว จำเป็นต้องมีการศึกษาในด้านเทคโนโลยีการผลิตและส่วนประกอบ เทคโนโลยีการติดตั้งแบบผิวหน้า (SMT: surface mount technology) สอดคล้องกับแนวโน้มนี้ และได้วางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการทำให้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลง
ในช่วงทศวรรษ 1990 เทคโนโลยี SMT ได้ก้าวเข้าสู่ระยะที่มีความสมบูรณ์มากขึ้น อย่างไรก็ตาม ด้วยการที่ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์พัฒนาไปอย่างรวดเร็วในทิศทางของความพกพาสะดวก การย่อส่วน การเชื่อมต่อเครือข่าย และมัลติมีเดีย ทำให้มีการตั้งข้อกำหนดที่สูงขึ้นต่อเทคโนโลยีการประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านี้ แพ็กเกจแบบ BGA (ball grid array) เป็นเทคโนโลยีการประกอบความหนาแน่นสูงประเภทหนึ่งที่ได้ก้าวเข้าสู่ระยะการใช้งานจริงแล้ว คุณภาพของจุดบัดกรีมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของการประกอบ SMT ดังนั้นจึงควรให้ความสำคัญกับคุณภาพของจุดบัดกรี BGA บทความนี้จึงจะนำเสนอวิธีการที่มีประสิทธิผลบางประการเพื่อรับประกันคุณภาพของจุดบัดกรีของชิ้นส่วน BGA ซึ่งจะเป็นพื้นฐานในการบรรลุความน่าเชื่อถือขั้นสุดท้ายของการประกอบ SMT
บทนำโดยย่อเกี่ยวกับเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ BGA
เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ BGA เริ่มต้นขึ้นตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1960 และถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกโดยบริษัท IBM อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ BGA ยังไม่เข้าสู่ระยะการใช้งานอย่างเป็นรูปธรรมจนกระทั่งต้นทศวรรษ 1990
ตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 1980 ผู้คนได้ตั้งข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับการย่อส่วนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และจำนวนขา I/O แม้ว่าการประกอบแบบ SMT จะมีคุณลักษณะด้านการย่อส่วน แต่ก็มีการกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับจำนวนขา I/O ที่สูง ระยะพิทช์ที่ละเอียด และความระนาบของขา เนื่องจากข้อจำกัดด้านความแม่นยำในการผลิต ความสามารถในการผลิต ต้นทุน และเทคโนโลยีการประกอบ ระยะพิทช์ต่ำสุดของชิ้นส่วน QFP (quad flat package) จึงอยู่ที่ 0.3 มม. ซึ่งเป็นข้อจำกัดต่อการพัฒนาการประกอบความหนาแน่นสูง นอกจากนี้ เนื่องจากชิ้นส่วน QFP ระยะพิทช์ละเอียดต้องการเทคโนโลยีการประกอบที่เข้มงวด ทำให้การใช้งานมีข้อจำกัด ผู้ผลิตชิ้นส่วนจึงหันไปวิจัยและพัฒนาชิ้นส่วน BGA ซึ่งมีข้อได้เปรียบมากกว่าชิ้นส่วน QFP
ข้อจำกัดของชิ้นส่วนแบบระยะพิชช์ละเอียดอยู่ที่ขาของมันซึ่งงอง่าย หักง่าย และเปราะบาง ทำให้ต้องการความเรียบเสมอกันของขา (coplanarity) และความแม่นยำในการติดตั้งในระดับสูง เทคโนโลยีแพ็กเกจแบบ BGA ใช้ประโยชน์จากแนวคิดการออกแบบรูปแบบใหม่ กล่าวคือ การซ่อนบอลประสานบัดกรีทรงกลมหรือทรงกระบอกไว้ใต้แพ็กเกจ ทำให้ระยะห่างระหว่างขามีขนาดใหญ่ขึ้นและความยาวของขาสั้นลง ส่งผลให้เทคโนโลยีแพ็กเกจแบบ BGA สามารถแก้ปัญหาที่เกิดจากความไม่เรียบเสมอกันและการโก่งงอที่มักพบในชิ้นส่วนแบบระยะพิชช์ละเอียดได้
ดังนั้น คอมโพเนนต์แบบ BGA จึงมีประสิทธิภาพดีกว่าในด้านความน่าเชื่อถือและการประกอบ SMT เมื่อเทียบกับ SMD ทั่วไป (อุปกรณ์ติดตั้งบนพื้นผิว) ปัญหาเดียวของคอมโพเนนต์แบบ BGA อยู่ที่ความยากลำบากในการทดสอบจุดบัดกรี และความยากในการรับประกันคุณภาพและความน่าเชื่อถือ
ปัญหาข้อต่อบัดกรีของชิ้นส่วน BGA
จนถึงตอนนี้ เครื่องประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อถือได้PCBCartตัวอย่างเช่น ข้อบกพร่องในการบัดกรีชิ้นส่วน BGA จะถูกเปิดเผยผ่านการทดสอบทางอิเล็กทรอนิกส์ วิธีอื่น ๆ ในการควบคุมคุณภาพกระบวนการทางเทคนิคของการประกอบและระบุข้อบกพร่องระหว่างการประกอบชิ้นส่วน BGA ได้แก่ การทดสอบตัวอย่างในการพิมพ์ครีมประสาน การตรวจสอบด้วยเอ็กซเรย์อัตโนมัติ (AXI) และการวิเคราะห์ผลจากการทดสอบทางอิเล็กทรอนิกส์
การตอบสนองต่อข้อกำหนดการประเมินคุณภาพของการบัดกรีเป็นเทคโนโลยีที่ท้าทาย เนื่องจากยากต่อการเลือกจุดทดสอบที่อยู่ใต้แพ็กเกจ เมื่อพูดถึงการตรวจสอบและการระบุข้อบกพร่องของชิ้นส่วน BGA การทดสอบทางอิเล็กทรอนิกส์มักไม่สามารถทำได้ ซึ่งในระดับหนึ่งทำให้ต้นทุนในการกำจัดข้อบกพร่องและการทำงานซ้ำเพิ่มสูงขึ้น
ระหว่างกระบวนการตรวจสอบข้อบกพร่องของชิ้นส่วน BGA การทดสอบทางอิเล็กทรอนิกส์สามารถตัดสินได้เพียงแค่ว่ามีกระแสไฟฟ้าไหลหรือไม่เมื่อชิ้นส่วน BGA ถูกเชื่อมต่อ หากมีการใช้การทดสอบรอยบัดกรีแบบไม่สัมผัสทางกายภาพเป็นตัวช่วย จะเป็นประโยชน์ต่อกระบวนการทางเทคนิคของการประกอบและการปรับปรุง SPC (การควบคุมกระบวนการทางสถิติ)
การประกอบชิ้นส่วนแบบ BGA เป็นกระบวนการทางเทคนิคของการเชื่อมต่อทางกายภาพขั้นพื้นฐาน เพื่อให้สามารถยืนยันและควบคุมคุณภาพของกระบวนการทางเทคนิคได้ จำเป็นต้องทราบและทดสอบองค์ประกอบทางกายภาพที่ส่งผลต่อความน่าเชื่อถือในระยะยาว เช่น ปริมาณครีมประสาน การจัดแนวของขาและแผ่นรอง และความสามารถในการเปียกของบัดกรี มิฉะนั้น การปรับเปลี่ยนโดยอิงเพียงผลลัพธ์ที่ได้จากการทดสอบทางอิเล็กทรอนิกส์อาจเป็นเรื่องที่น่ากังวล
วิธีการตรวจสอบชิ้นส่วน BGA
การทดสอบคุณลักษณะทางกายภาพของข้อต่อบัดกรีของชิ้นส่วน BGA และการกำหนดวิธีการมีส่วนร่วมอย่างสม่ำเสมอต่อการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ในระหว่างกระบวนการประกอบในช่วงการวิจัยกระบวนการทางเทคนิคเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง ข้อมูลป้อนกลับที่ได้จากการทดสอบทั้งหมดนั้นเกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนกระบวนการทางเทคนิคแต่ละขั้นตอนหรือพารามิเตอร์ของข้อต่อบัดกรี
การทดสอบทางกายภาพสามารถบ่งชี้การเปลี่ยนแปลงสภาพของการพิมพ์บัดกรีแบบเพสต์และสภาพการเชื่อมต่อของชิ้นส่วน BGA ในกระบวนการรีโฟลว์โซลเดอริงได้ นอกจากนี้ยังสามารถแสดงสภาพของชิ้นส่วน BGA ทั้งหมดบนแผงวงจรเดียวกันและระหว่างแผงวงจรได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่น ในระหว่างกระบวนการรีโฟลว์โซลเดอริง การเปลี่ยนแปลงความชื้นอย่างรุนแรงที่เกิดขึ้นพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของเวลาในการทำให้เย็นลง สามารถสะท้อนให้เห็นได้จากจำนวนและขนาดของโพรงอากาศในจุดบัดกรีของ BGA
ในความเป็นจริงแล้ว ยังไม่มีอุปกรณ์ตรวจสอบจำนวนมากนักที่สามารถใช้ในการวัดอย่างแม่นยำและตรวจสอบคุณภาพตลอดทั้งกระบวนการทางเทคนิคของการประกอบชิ้นส่วน BGA อุปกรณ์ตรวจสอบอัตโนมัติด้วยเลเซอร์สามารถทดสอบสภาพการพิมพ์บัดกรีแบบครีมก่อนการติดตั้งชิ้นส่วนได้ แต่มีความเร็วต่ำ ไม่สามารถตรวจสอบคุณภาพการบัดกรีแบบรีโฟลว์สำหรับชิ้นส่วน BGA ได้
เมื่อมีการใช้เครื่องเอกซเรย์ตรวจสอบ พบว่าบริเวณแพดที่มีครีมประสานจะแสดงเป็นภาพเงา เนื่องจากครีมประสานถูกวางอยู่เหนือจุดบัดกรี สำหรับชิ้นส่วน BGA แบบไม่ยุบตัว จะสามารถมองเห็นเงาได้เช่นกันเนื่องจากมีลูกบอลประสานที่เตรียมไว้ล่วงหน้า ซึ่งทำให้ยากต่อการระบุ นั่นเป็นเพราะเอฟเฟกต์เงาที่เกิดจากครีมประสานหรือจากลูกบอลประสานที่เตรียมไว้ล่วงหน้า ทำให้เครื่องเอกซเรย์ตรวจสอบไม่สามารถทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ และสะท้อนให้เห็นข้อบกพร่องของกระบวนการแพ็กเกจ BGA ได้เพียงคร่าว ๆ นอกจากนี้ การตรวจสอบบริเวณรอบนอกยังเผชิญกับความท้าทายต่าง ๆ เช่น ปริมาณครีมประสานไม่เพียงพอ หรือวงจรเปิดที่เกิดจากการปนเปื้อน
เทคโนโลยีการตรวจสอบด้วยเอกซเรย์แบบตัดขวางสามารถเอาชนะข้อจำกัดที่กล่าวมาข้างต้นได้ โดยสามารถตรวจสอบข้อบกพร่องที่ซ่อนอยู่ของจุดบัดกรีและแสดงการเชื่อมต่อของจุดบัดกรี BGA ได้
ข้อบกพร่องที่สำคัญของรอยบัดกรี BGA
• วงจรเปิด
วงจรเปิดมักเกิดขึ้นกับข้อต่อบัดกรี BGA ที่ไม่สามารถยุบตัวได้เนื่องจากการปนเปื้อนบนแผ่นแพด เนื่องจากครีมบัดกรีไม่สามารถทำให้แผ่นแพดบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB – printed circuit board) เปียกได้ จึงไหลปีนขึ้นไปยังผิวของชิ้นส่วนผ่านทางลูกบอลบัดกรี ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น การทดสอบทางอิเล็กทรอนิกส์สามารถตรวจหาวงจรเปิดได้ แต่ไม่สามารถแยกแยะได้ว่าวงจรเปิดเกิดจากการปนเปื้อนบนแผ่นแพดหรือเกิดจากข้อบกพร่องของการพิมพ์ครีมบัดกรี อุปกรณ์ตรวจสอบด้วยเอกซเรย์ก็ไม่สามารถบ่งชี้วงจรเปิดได้เช่นกัน ซึ่งมีสาเหตุมาจากเอฟเฟกต์เงาของลูกบอลบัดกรีที่อยู่ด้านหน้า
เทคโนโลยีการตรวจสอบเอกซเรย์แบบตัดขวางสามารถจับภาพชั้นตัดระหว่างแผ่นรองและชิ้นส่วน และจากนั้นยืนยันการเกิดวงจรเปิดที่มีสาเหตุมาจากสารปนเปื้อน เนื่องจากวงจรเปิดที่เกิดจากสารปนเปื้อนทำให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางแผ่นรองที่เล็กมากและเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นส่วนที่ค่อนข้างใหญ่ ความแตกต่างระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นส่วนและเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นรองจึงสามารถใช้ในการตัดสินได้ว่าวงจรเปิดเกิดขึ้นจากสารปนเปื้อนหรือไม่ สำหรับวงจรเปิดที่เกิดจากปริมาณครีมประสานที่ไม่เพียงพอ มีเพียงอุปกรณ์ตรวจสอบแบบตัดขวางเท่านั้นที่สามารถทำได้
• โมฆะ
การเกิดโพรงภายใน (void) ในการบัดกรีชิ้นส่วน BGA แบบยุบตัวได้ เกิดขึ้นเนื่องจากไอน้ำที่ไหลเวียนถูกกักไว้ที่บริเวณจุดบัดกรีซึ่งมีจุดยูเทคติกต่ำ โพรงภายในสามารถถือได้ว่าเป็นข้อบกพร่องหลักที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วน BGA แบบยุบตัวได้ ระหว่างกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์ การลอยตัวที่เกิดจากโพรงภายในจะรวมตัวกันอยู่บนผิวหน้าของชิ้นส่วน ทำให้ความล้มเหลวของจุดบัดกรีส่วนใหญ่เกิดขึ้นบริเวณนั้นเช่นกัน
ปัญหาช่องว่างสามารถขจัดได้ด้วยการอุ่นล่วงหน้า และการเพิ่มเวลาในการอุ่นล่วงหน้าแบบชั่วคราว รวมถึงการใช้ค่าอุณหภูมิการอุ่นล่วงหน้าที่ต่ำระหว่างกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์ เมื่อช่องว่างมีขนาด จำนวน หรือความหนาแน่นเกินช่วงที่กำหนด ความน่าเชื่อถือจะลดลงอย่างแน่นอน อย่างไรก็ตาม ยังมีอีกแนวคิดหนึ่งที่เชื่อว่าช่องว่างไม่ควรถูกจำกัด แต่ควรถูกเร่งให้แตกตัวและขยายตัว เพื่อให้สามารถตรวจพบความล้มเหลวและกำจัดออกได้โดยเร็วที่สุด
PCBCart: ผู้ประกอบการ SMT มืออาชีพสำหรับชิ้นส่วน BGA
PCBCart มีสายการประกอบ SMT แบบเฉพาะทางที่ประกอบด้วยเครื่องพิมพ์ครีมบัดกรี เครื่องวางชิป อุปกรณ์ AOI แบบออนไลน์และออฟไลน์ เตาอบรีโฟลว์ อุปกรณ์ AXI และสถานีซ่อมบำรุง BGA ขั้นตอนการประกอบอัตโนมัติที่จัดทำโดย PCBCart สามารถรองรับการจัดการชิ้นส่วน BGA ที่มีระยะห่างระหว่างขาเล็กสุดถึง 0.4 มม. บริการและผลิตภัณฑ์ทั้งหมดที่เราจัดให้เป็นไปตามข้อกำหนดของระบบ ISO9001:2008 ซึ่งเป็นรากฐานที่มั่นคงสำหรับการบรรลุความคาดหวังของลูกค้าติดต่อเราสำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับความสามารถด้าน SMT ของเราสำหรับชิ้นส่วน BGA หรือคุณสามารถคลิกปุ่มด้านล่างเพื่อขอใบเสนอราคา PCBA ฟรีและไม่มีข้อผูกมัด!
คำขอใบเสนอราคาสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•สี่ขั้นตอนในการรู้จัก BGA
•บทนำเกี่ยวกับเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ BGA
•บทนำโดยย่อเกี่ยวกับประเภทแพ็กเกจ BGA
•ปัจจัยที่มีผลต่อคุณภาพของการประกอบ BGA
