องค์ประกอบที่จำเป็นในเทคโนโลยีการรีโฟลว์บัดกรีสำหรับชิ้นส่วน BGA

BGA ซึ่งย่อมาจาก Ball Grid Array ใช้ประโยชน์จากลูกบอลบัดกรีที่ทำหน้าที่เป็นขาเชื่อมต่อที่ด้านหลังของฐาน BGA เป็นชนิดของแพ็กเกจที่ใช้กับการประกอบแบบ SMT (surface mount technology) ซึ่งถูกนำไปใช้กับ LSI (large scale integration) แบบหลายขา

หมวดหมู่แพ็กเกจ BGA

จนถึงปัจจุบัน แพ็กเกจ BGA สามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทตามชนิดของฐาน ได้แก่ PBGA (plastic ball grid array), CBGA (ceramic ball grid array), TBGA (tape ball grid array)

• PBGA

PBGA วางลูกบอลบัดกรีบนฐานโดยมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:
a. มีคุณสมบัติการกดร้อนที่ยอดเยี่ยมและเข้ากันได้ดีกับเรซินอีพ็อกซี;
b. ลูกประสานมีส่วนช่วยในการสร้างข้อต่อประสาน ทำให้เกิดความสามารถในการปรับตัวของระนาบร่วมที่ยืดหยุ่นได้ประมาณ 250μm;
c. มีต้นทุนต่ำ
d. มีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเป็นอย่างดี;
e. สามารถจัดแนวให้ตรงกับแผ่นรอง PCB ได้อย่างแม่นยำผ่านขอบแพ็กเกจ

• CBGA

ลูกบอลบัดกรีที่เป็นของ CBGA ผลิตจากบัดกรีชนิดทนความร้อนสูง จากนั้นจึงเชื่อมต่อกับฐานเซรามิกผ่านการใช้บัดกรียูเทคติกที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ (โดยทั่วไปคือ 63Sn/Pb) ซึ่งต่อมาจะถูกใช้เพื่อเชื่อมต่อให้ลูกบอลบัดกรีติดกับ PCB (แผงวงจรพิมพ์) CBGA มีลักษณะดังต่อไปนี้:
a. มีความน่าเชื่อถือสูงกว่า;
b. มีความเป็นระนาบร่วมที่ดีประมาณ 100μm และสามารถสร้างจุดบัดกรีได้อย่างง่ายดาย;
c. ไม่ไวต่อความชื้น;
d. มีความหนาแน่นของบรรจุภัณฑ์สูง
e. เนื่องจากสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน CBGA จึงมีความเข้ากันได้ไม่ดีในการกดร้อนร่วมกับแผ่น PCB ที่ใช้เรซินอีพ็อกซีเป็นวัสดุฐาน ทำให้ความล้าของข้อต่อประสานกลายเป็นรูปแบบความล้มเหลวหลักของ CBGA
f. การจัดแนวระหว่างขอบแพ็กเกจและแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ทำได้ยาก ส่งผลให้ต้นทุนการบรรจุหีบห่อสูง

• TBGA

TBGA เป็นแพ็กเกจชนิดหนึ่งที่ใช้ประโยชน์จากการเชื่อมต่อด้วยเทป เพื่อให้เกิดการเชื่อมต่อระหว่างชิป ลูกบอลบัดกรี และแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ลักษณะเฉพาะของแพ็กเกจ TBGA ประกอบด้วย:
a. นำเสนอการจับคู่การอัดร้อนที่ดีร่วมกับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยใช้เรซินอีพ็อกซีเป็นวัสดุฐาน;
b. สามารถจัดแนวให้ตรงกับแผ่นรอง PCB ผ่านขอบแพ็กเกจได้
c. มีต้นทุนต่ำที่สุด;
d. ไวต่อทั้งความชื้นและความร้อน อาจทำให้มีความน่าเชื่อถือต่ำ نسبتا;

จากการแนะนำโดยสังเขปเกี่ยวกับหมวดหมู่ต่าง ๆ ของแพ็กเกจ BGA สามารถสรุปคุณลักษณะของส่วนประกอบแพ็กเกจ BGA ได้ดังต่อไปนี้:
a. นำไปสู่อัตราความล้มเหลวที่ต่ำ
b. ปรับปรุงขาเชื่อมต่อของคอมโพเนนต์อย่างมากในขณะที่ลดขนาดแพ็กเกจลง เพื่อลดพื้นที่การใช้งานของฐาน;
c. เห็นได้ชัดว่าสามารถแก้ปัญหาความร่วมระนาบได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดความเสียหายจากความร่วมระนาบลงได้อย่างมาก;
d. มีขาพินแบบทึบ ซึ่งแตกต่างจากการเสียรูปของขาพินที่เกิดขึ้นกับ QFP (quad flat package);
e. รวมถึงขาพินสั้น ๆ ที่บ่งบอกว่าเส้นทางต่อจากนั้นจะสั้นลง ทำให้ค่าความเหนี่ยวนำและค่าความจุของลวดนำลดลง และช่วยให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าดีขึ้น
f. เป็นประโยชน์ต่อการกระจายความร้อน;
g. เข้ากันได้กับข้อกำหนดด้านบรรจุภัณฑ์ของ MCM (โมดูลหลายชิป) ส่งผลให้สามารถบรรลุความหนาแน่นสูงและประสิทธิภาพสูงของ MCM

เทคโนโลยีการบัดกรีแบบรีโฟลว์สำหรับ BGA

โดยพื้นฐานแล้ว การประกอบแพ็กเกจ BGA นั้นเข้ากันได้กับกระบวนการประกอบ SMT ขั้นแรกคือการพิมพ์ครีมประสานลงบนแผงแพดบนแผ่น PCB ผ่านการใช้สเตนซิล หรือเคลือบฟลักซ์ลงบนแผงแพด ขั้นที่สอง ใช้เครื่องปิกแอนด์เพลสเพื่อวางชิ้นส่วน BGA ลงบนแผงแพดของ PCB ให้จัดแนวได้อย่างถูกต้องสมบูรณ์ จากนั้นชิ้นส่วน BGA จะผ่านกระบวนการบัดกรีรีโฟลว์ในเตารีโฟลว์ เนื่องจากความเฉพาะตัวของชิ้นส่วนแพ็กเกจ BGA บทความนี้จึงจะกล่าวถึงเทคโนโลยีการบัดกรีรีโฟลว์โดยใช้ PBGA เป็นตัวอย่าง

• ขั้นตอนการอุ่นเครื่องก่อนใช้งาน

ขั้นตอนการอุ่นล่วงหน้ามักประกอบด้วยโซนให้ความร้อน 2 ถึง 4 โซน โดยอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจนถึง 150°C ภายในเวลา 2 นาที เพื่อให้สารระเหยในครีมบัดกรีระเหยออกไป ส่งผลให้สารเหล่านั้นไม่ทำให้บัดกรีกระเด็นหรือทำให้แผ่นฐานร้อนเกินไป ในขณะเดียวกัน อุณหภูมิของอุปกรณ์บนแผ่น PCB ก็จะสูงเพียงพอสำหรับให้บัดกรีเกิดการเปียกติดได้อย่างเหมาะสม อัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดคือ 1.5°C ต่อวินาที

• ระยะการแช่

เป้าหมายของระยะการแช่คือทำให้การหลอมร้อนเกิดขึ้นอย่างเพียงพอ และอุณหภูมิของจุดบัดกรีทั้งหมดบนแผ่น PCB ใกล้เคียงกับอุณหภูมิการบัดกรีให้มากที่สุด ระดับของการหลอมร้อนเป็นตัวกำหนดคุณภาพการบัดกรีของจุดบัดกรีโดยตรง ควรรักษาอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ 170°C เป็นเวลา 60 ถึง 120 วินาที

• ขั้นตอนการบัดกรี

ในช่วงการบัดกรี อุณหภูมิของจุดบัดกรีจะต้องเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงอุณหภูมิการบัดกรี ระยะเวลาควรถูกควบคุมให้อยู่ในช่วง 60 วินาทีถึง 120 วินาทีเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 183°C โดยควรกำหนดอุณหภูมิสูงสุดในช่วงการบัดกรีให้อยู่ในช่วง 200°C ถึง 210°C และอุณหภูมิสูงสุดของชิ้นส่วนไม่ควรเกิน 220°C อัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่เหมาะสมควรอยู่ที่ 2°C ถึง 3°C ต่อวินาที

• ระยะการทำให้เย็นลง

ขั้นตอนการทำให้เย็นลงประกอบด้วยโหมดการทำให้เย็นลงสองแบบ ได้แก่ การระบายความร้อนด้วยอากาศและการระบายความร้อนตามธรรมชาติ อัตราการทำให้เย็นลงที่เหมาะสมควรอยู่ในช่วง 1°C ถึง 3°C ต่อวินาที นอกจากนี้ ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างผิวชิ้นงานกับด้านล่างต้องไม่เกิน 7°C มิฉะนั้นจะทำให้เกิดการสะสมของความเค้นความร้อน

เนื่องจากคอมโพเนนต์ที่มีแพ็กเกจต่างกันมีอัตราการดูดซับความร้อนและการกระจายความร้อนที่แตกต่างกัน อัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในช่วงการบัดกรีและอัตราการลดลงของอุณหภูมิควรได้รับการจัดการแยกจากกันอย่างชัดเจน

อุณหภูมิและระยะเวลาของแต่ละขั้นตอนระหว่างกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์สามารถสรุปได้ในตารางต่อไปนี้

ควรสังเกตว่าตารางนี้ไม่สามารถปฏิบัติตามได้อย่างสมบูรณ์ในทุกสถานการณ์ เนื่องจากมีความแตกต่างกันในส่วนประกอบต่าง ๆ เตาอบบัดกรีแบบรีโฟลว์ แผงวงจรพิมพ์ (PCB) สภาพแวดล้อมในการประกอบ ประสบการณ์การผลิตของผู้ปฏิบัติงาน ฯลฯ ดังนั้นพารามิเตอร์การตั้งค่าที่แม่นยำยิ่งขึ้นจึงขึ้นอยู่กับประสบการณ์การประกอบจริง

การตรวจสอบชิ้นส่วน BGA

การบัดกรีที่ดีถือว่าเสร็จไปเพียงครึ่งเดียวเท่านั้น ข้อต่อบัดกรีไม่อาจรับประกันได้ว่าจะสมบูรณ์แบบ เว้นแต่จะมีการตรวจสอบเกิดขึ้น แพ็กเกจ BGA ซ่อนขาและส่วนประกอบไว้ใต้ตัวแพ็กเกจ ทำให้การตรวจสอบด้วยสายตาแทบใช้ไม่ได้ นอกจากนี้ การตรวจสอบด้วยสายตาในสภาพที่ดีที่สุดก็สามารถทำให้เห็นได้เพียงข้อต่อบัดกรีบริเวณขอบเท่านั้น ซึ่งไม่สามารถให้ผลการตรวจสอบที่ครบถ้วนและแม่นยำได้ ดังนั้น ข้อต่อบัดกรีของ BGA จึงควรได้รับการตรวจสอบด้วยเครื่องเอกซเรย์ตรวจสอบ มีวิธีการตรวจสอบด้วยเอกซเรย์อยู่สองวิธี ได้แก่ การตรวจสอบแบบทะลุผ่าน (transmitted inspection) และการตรวจสอบแบบตัดขวาง (cross-section inspection) ซึ่งทั้งสองวิธีสามารถตรวจสอบการลัดวงจรระหว่างข้อต่อบัดกรี (bridging) และการวางตำแหน่งที่คลาดเคลื่อนได้ ที่จริงแล้ว วิธีการตรวจสอบทั้งสองแบบให้ประสิทธิภาพที่แตกต่างกันในด้านความสามารถในการตรวจสอบรูปร่างและขนาดของข้อต่อบัดกรี BGA

• การตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์แบบส่งผ่าน

รังสีเอกซ์จะส่งผ่านวัสดุที่มีความหนาแน่นสูงทั้งหมดในทิศทางตั้งฉาก เมื่อพูดถึง CBGA ลูกบอลประสานจะป้องกันไม่ให้เกิดบัดกรียูเทคติกในระดับสถานีบัดกรี และบัดกรียูเทคติกในระดับชิ้นส่วนมักจะถูกลูกบอลประสานปกคลุม สำหรับแพ็กเกจ PBGA ภาพบัดกรีที่สถานีบัดกรีมักจะหยุดอยู่ที่จุดประสาน ผลลัพธ์คือ การตรวจสอบด้วยการส่งผ่านรังสีเอกซ์ไม่สามารถตรวจพบข้อบกพร่องของปริมาณบัดกรีไม่เพียงพอได้อย่างถูกต้อง

• การตรวจสอบหน้าตัดด้วยเอกซเรย์

การตรวจสอบหน้าตัดด้วยเอ็กซเรย์สามารถตรวจหาข้อบกพร่องของการเชื่อมบัดกรีและได้รูปร่างของข้อต่อบัดกรี BGA และมิติวิกฤตของหน้าตัดอย่างแม่นยำ การตรวจสอบความหนาของวงแหวนที่ระดับสถานีบัดกรีสะท้อนให้เห็นถึงกระบวนการรีโฟลว์บัดกรีหรือสถานการณ์การเปลี่ยนแปลงของบัดกรีที่สถานีบัดกรี การตรวจสอบรัศมีที่ระดับสถานีบัดกรีแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรบัดกรีที่สถานีบัดกรี ซึ่งเกิดจากเทคโนโลยีการพิมพ์ครีมบัดกรีหรือการรีโฟลว์บัดกรีที่มากเกินไป การตรวจสอบรัศมีของลูกบอลบัดกรีแสดงให้เห็นถึงความเป็นระนาบเดียวกันจากข้อต่อบัดกรีหนึ่งไปยังอีกข้อต่อหนึ่งหรือจากบอร์ดหนึ่งไปยังอีกบอร์ดหนึ่ง

การย่อขนาดและประสิทธิภาพสูงเป็นแนวโน้มการพัฒนาที่สำคัญของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ทำให้ความหนาแน่นของการประกอบโมดูลวงจรเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ไมโครคอมโพเนนต์ที่มีความสมบูรณ์สูงมีความหลากหลายมากขึ้น พร้อมกับวิธีการประกอบที่พัฒนาไปข้างหน้าด้วย เมื่อเทคโนโลยีแพ็กเกจสมัยใหม่เติบโตอย่างรวดเร็ว เทคโนโลยีแพ็กเกจ BGA ก็กำลังก้าวไปสู่ μBGA และ MCM ในฐานะที่เป็นคอมโพเนนต์การประกอบความหนาแน่นสูง ควรใช้ช่วงอุณหภูมิการบัดกรีที่แตกต่างกันให้สอดคล้องกับข้อกำหนดของแพ็กเกจแต่ละประเภท ตราบใดที่มีการพิจารณาองค์ประกอบที่สำคัญอย่างรอบคอบระหว่างการบัดกรีรีโฟลว์ BGA ความน่าเชื่อถือของคอมโพเนนต์ BGA และการประกอบ SMT ก็สามารถได้รับการรับประกันอย่างเต็มที่

เทคโนโลยี Ball Grid Array (BGA) มีความสำคัญอย่างยิ่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่สำหรับการสร้างชุดประกอบที่มีประสิทธิภาพสูง มีสมรรถนะดี และมีขนาดกะทัดรัด โดยการใช้เทคนิคการบัดกรีแบบรีโฟลว์ขั้นสูงร่วมกับกระบวนการตรวจสอบที่แม่นยำ แพ็กเกจ BGA สามารถมอบการเชื่อมต่อที่แข็งแรงและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานให้กับการใช้งานหลากหลายรูปแบบ ตอบโจทย์ความต้องการด้านการย่อขนาดและความเชื่อถือได้สูงของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์

PCBCart เป็นผู้ให้บริการชั้นนำด้านบริการประกอบ BGA คุณภาพสูงสุด โดยใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและมาตรฐานที่ดีที่สุดเพื่อตอบสนองข้อกำหนดโครงการที่ท้าทาย ผู้เชี่ยวชาญของเรามุ่งมั่นที่จะมอบความแม่นยำและความเชื่อถือได้ในทุกผลิตภัณฑ์ ขอใบเสนอราคาจาก PCBCart วันนี้ และยกระดับการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ของคุณไปสู่อีกขั้น

คลิกเพื่อรับใบเสนอราคาประกอบ BGA แบบกำหนดเองของคุณ

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•สี่ขั้นตอนในการรู้จัก BGA
•บทนำเกี่ยวกับเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ BGA
•บทนำโดยย่อเกี่ยวกับประเภทแพ็กเกจ BGA
•ปัจจัยที่มีผลต่อคุณภาพของการประกอบ BGA
•วิธีที่เป็นมิตรต่อวิศวกรบางประการเพื่อให้ได้รอยบัดกรีที่เหมาะสมที่สุดในกระบวนการประกอบ SMT แบบ BGA