ส่วนประกอบ BGA และเทคโนโลยีการบัดกรีของมันในการประกอบ SMT

การจำแนกประเภทและคุณสมบัติของชิ้นส่วน BGA

• การจำแนกประเภทของชิ้นส่วน BGA

ตามวัสดุบรรจุภัณฑ์ที่แตกต่างกัน ส่วนประกอบ BGA สามารถแบ่งออกได้เป็นประเภทต่อไปนี้: PBGA (plastic ball grid array), CBGA (ceramic ball grid array), CCGA (ceramic column grid array), TBGA (tape ball grid array) และ CSP (chip-scale package) ต่อไปนี้คือบทความที่ให้รายละเอียดเกี่ยวกับข้อดีและข้อเสียของชิ้นส่วน BGA ประเภทเหล่านั้น.

• คุณสมบัติของชิ้นส่วน BGA

คุณสมบัติหลักที่ส่วนประกอบ BGA มี ได้แก่:
a. ระยะพิทช์ของขา I/O มีขนาดใหญ่จนสามารถรองรับจำนวนขา I/O ได้มากขึ้นภายในพื้นที่เท่าเดิม
b. ความน่าเชื่อถือของบรรจุภัณฑ์ที่สูงขึ้น อัตราข้อบกพร่องของจุดบัดกรีที่ต่ำลง และความน่าเชื่อถือของจุดบัดกรีที่สูงขึ้น
c. การจัดแนวชิป QFP (quad flat package) มักทำโดยการสังเกตด้วยสายตาของผู้ปฏิบัติงาน ซึ่งทำให้การจัดแนวและการบัดกรีทำได้ยาก อย่างไรก็ตาม การจัดแนวและการบัดกรีบนชิ้นส่วน BGA ทำได้ง่ายกว่าเนื่องจากระยะห่างระหว่างขาที่ค่อนข้างกว้าง
d. การพิมพ์ครีมประสานผ่านสเตนซิลบนชิ้นส่วน BGA ทำได้ง่ายกว่า
e. ขา BGA มีความมั่นคงและมีความแบนราบดีกว่าแพ็กเกจ QFP เนื่องจากความคลาดเคลื่อนของความแบนราบสามารถชดเชยได้โดยอัตโนมัติระหว่างชิปกับ PCB (แผงวงจรพิมพ์) หลังจากที่ลูกบอลประสานหลอมละลาย
f. ในระหว่างกระบวนการบัดกรี แรงตึงระหว่างจุดบัดกรีจะทำให้เกิดการปรับแนวตัวเองในระดับสูง ซึ่งช่วยให้รองรับความคลาดเคลื่อนของความแม่นยำในการติดตั้งได้ถึง 50%
g. ด้วยคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม ทำให้ชิ้นส่วน BGA สามารถให้คุณสมบัติด้านความถี่ที่ยอดเยี่ยมได้
h. คอมโพเนนต์แบบ BGA มีประสิทธิภาพดีกว่าในด้านการกระจายความร้อน

แน่นอนว่า นอกจากข้อดีแล้ว ส่วนประกอบแบบ BGA ยังมีข้อเสียด้วย ข้อเสียสำคัญประการหนึ่งคือความยากในการตรวจสอบคุณภาพของจุดบัดกรี ซึ่งต้องพึ่งพาอุปกรณ์ AXI (การตรวจสอบด้วยเอกซเรย์อัตโนมัติ) และ AOI (การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ) ที่สามารถสังเกตการยุบตัวของลูกบอลประสานได้ แน่นอนว่าต้นทุนและความยากในการตรวจสอบก็เพิ่มสูงขึ้นด้วย

สภาพแวดล้อมในการจัดเก็บและการใช้งานของชิ้นส่วน BGA

ชิ้นส่วน BGA เป็นชิ้นส่วนที่มีความไวต่อความชื้นและอุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงควรเก็บไว้ในสภาพแวดล้อมแห้งที่มีอุณหภูมิคงที่ นอกจากนี้ ผู้ปฏิบัติงานควรปฏิบัติตามกระบวนการเทคโนโลยีการปฏิบัติงานอย่างเคร่งครัดเพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนได้รับผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ก่อนการประกอบ โดยทั่วไปแล้ว สภาพแวดล้อมการจัดเก็บที่เหมาะสมที่สุดสำหรับชิ้นส่วน BGA คือช่วงอุณหภูมิระหว่าง 20°C ถึง 25°C โดยมีความชื้นน้อยกว่า 10%RH นอกจากนี้ ควรเก็บรักษาโดยใช้ก๊าซไนโตรเจนจะดีที่สุด

โดยทั่วไป หลังจากที่มีการเปิดบรรจุภัณฑ์ชิ้นส่วน BGA แล้ว ไม่ควรปล่อยให้สัมผัสอากาศเป็นเวลานานระหว่างกระบวนการประกอบและบัดกรี เพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนทำให้คุณภาพการบัดกรีลดลงเนื่องจากคุณภาพของชิ้นส่วนที่ต่ำลง เมื่อบรรจุภัณฑ์ของชิ้นส่วน BGA ถูกเปิดแล้ว จะต้องใช้ให้หมดภายใน 8 ชั่วโมง ในสภาพแวดล้อมการปฏิบัติงานที่อุณหภูมิ ≤30°C/ความชื้นสัมพัทธ์ 60% เมื่อชิ้นส่วนถูกเก็บไว้ในไนโตรเจน ระยะเวลาในการใช้งานสามารถขยายออกไปได้ในระดับหนึ่ง

มักพบได้บ่อยมากว่าชิ้นส่วน BGA ไม่สามารถใช้ให้หมดได้หลังจากที่บรรจุภัณฑ์ของมันถูกเปิดออกในระหว่างการประกอบแบบ SMT (เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว) ชิ้นส่วน BGA จำเป็นต้องผ่านการอบก่อนนำไปใช้งานครั้งต่อไปเพื่อคงไว้ซึ่งสมบัติการเชื่อมประสานที่ยอดเยี่ยม อุณหภูมิการอบโดยทั่วไปจะคงไว้ที่ 125°C ความสัมพันธ์ระหว่างเวลาในการอบและความหนาของบรรจุภัณฑ์สามารถสรุปได้ในตารางด้านล่าง

อุณหภูมิการอบที่สูงเกินไปจะทำให้โครงสร้างจุลภาคของโลหะบริเวณจุดเชื่อมต่อระหว่างลูกบัดกรีกับชิ้นส่วนเกิดการเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้เกิดการหลุดล่อนระหว่างลูกบัดกรีกับแพ็กเกจของชิ้นส่วน และทำให้คุณภาพการประกอบ SMT ลดลง เมื่ออุณหภูมิการอบต่ำเกินไป การไล่ความชื้นจะไม่เกิดผล หลังการอบและปล่อยให้เย็นในสภาพแวดล้อมปกติเป็นเวลา 30 นาที จึงสามารถนำชิ้นส่วน BGA ไปประกอบได้

เทคโนโลยีการบัดกรีชิ้นส่วน BGA

เทคโนโลยีการประกอบชิ้นส่วน BGA มีความเข้ากันได้โดยพื้นฐานกับ SMT ขั้นตอนการบัดกรีหลักประกอบด้วยการพิมพ์ครีมประสานลงบนแผ่นแพดแบบ array ด้วยสเตนซิลและการจัดวางชิ้นส่วน BGA ให้ตรงกับแผ่นแพดแบบ array จากนั้นจึงทำการรีโฟลว์บัดกรีชิ้นส่วน BGA ในส่วนที่เหลือของบทความนี้ จะมีการแนะนำโดยสรุปเกี่ยวกับกระบวนการบัดกรี PBGA

• การพิมพ์ครีมประสาน (Solder Paste)

คุณภาพของครีมประสานมีบทบาทสำคัญต่อคุณภาพการบัดกรี ควรพิจารณาประเด็นต่อไปนี้เมื่อเลือกใช้ครีมประสาน: การพิมพ์ที่ยอดเยี่ยม ความสามารถในการบัดกรีที่ดีเยี่ยม และมีสิ่งปนเปื้อนน้อย

ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคในครีมบัดกรีควรสอดคล้องกับระยะพิทช์ของขาอุปกรณ์ โดยทั่วไปแล้ว ยิ่งระยะพิทช์ของขาเล็กลง ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคครีมบัดกรียิ่งต้องเล็กลง และคุณภาพการพิมพ์จะยิ่งดีขึ้น แต่ก็ไม่ได้เรียบง่ายเช่นนั้นเสมอไป เพราะครีมบัดกรีที่มีอนุภาคขนาดใหญ่กว่ากลับให้คุณภาพการบัดกรีที่สูงกว่าครีมบัดกรีที่มีอนุภาคขนาดเล็กกว่า ดังนั้นจึงต้องพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ อย่างรอบด้านเมื่อเลือกใช้ครีมบัดกรี เนื่องจากอุปกรณ์ BGA มีลักษณะพิทช์ละเอียด จึงเหมาะที่จะเลือกใช้ครีมบัดกรีที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคต่ำกว่า 45μm เพื่อให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพการพิมพ์และการบัดกรีที่ยอดเยี่ยม

แผ่นสเตนซิลที่ใช้สำหรับการพิมพ์ครีมประสานทำจากวัสดุสเตนเลส เนื่องจากชิ้นส่วน BGA มีระยะห่างขาแบบละเอียด ความหนาของสเตนซิลจึงควรถูกจำกัดให้อยู่ในช่วงทั่วไปที่ 0.12 มม. ถึง 0.15 มม. ขนาดช่องเปิดของสเตนซิลมักถูกกำหนดโดยชิ้นส่วน และมักพบว่าขนาดช่องเปิดของสเตนซิลมีขนาดเล็กกว่าแผ่นแพด และถูกสร้างขึ้นด้วยการตัดด้วยเลเซอร์

ระหว่างกระบวนการพิมพ์ จะใช้ใบปาดโลหะสเตนเลสที่มีมุม 60 องศา โดยแรงกดพิมพ์จะถูกควบคุมให้อยู่ในช่วง 35N ถึง 100N แรงกดที่สูงเกินไปหรือต่ำเกินไปล้วนส่งผลไม่ดีต่อการพิมพ์ ความเร็วในการพิมพ์จะถูกควบคุมให้อยู่ในช่วง 10mm/s ถึง 25mm/s ยิ่งระยะห่างของช่องเปิดเล็กลง ความเร็วในการพิมพ์ก็จะยิ่งช้าลง นอกจากนี้ อุณหภูมิแวดล้อมในการปฏิบัติงานต้องอยู่ที่ประมาณ 25°C และความชื้นอยู่ในช่วง 55% ถึง 75%RH แผ่น PCB หลังจากการพิมพ์ครีมประสานแล้ว ควรเข้าสู่เตารีโฟลว์ภายใน 30 นาทีหลังการพิมพ์ครีมประสาน เพื่อป้องกันไม่ให้ครีมประสานสัมผัสกับอากาศเป็นเวลานานซึ่งจะทำให้คุณภาพของผลิตภัณฑ์ลดลง

• การติดตั้งคอมโพเนนต์

วัตถุประสงค์หลักของการติดตั้งคือทำให้ลูกบอลบัดกรีแต่ละเม็ดบนชิ้นส่วน BGA จัดแนวตรงกับแผ่นแพดแต่ละจุดบนแผงวงจร PCB เนื่องจากขาของชิ้นส่วน BGA สั้นเกินไปจนมองไม่เห็นได้ง่ายด้วยตาเปล่า จึงควรใช้เครื่องมือเฉพาะทางเพื่อให้จัดแนวได้อย่างแม่นยำ จนถึงปัจจุบัน อุปกรณ์หลักที่ใช้สำหรับการจัดแนวอย่างแม่นยำได้แก่ สถานีซ่อมบัดกรี BGA/CSP และเครื่องติดตั้งชิป ซึ่งในบรรดาอุปกรณ์เหล่านี้ เครื่องติดตั้งชิปมีความแม่นยำสูงถึงประมาณ 0.001 มม. ด้วยการใช้เทคโนโลยีการจดจำด้วยกระจกสะท้อน ชิ้นส่วน BGA จึงสามารถติดตั้งลงบนอาร์เรย์แพดบนแผงวงจรได้อย่างแม่นยำ

อย่างไรก็ตาม คอมโพเนนต์ BGA ไม่สามารถรับประกันให้ลูกบอลประสานทั้งหมดมีคุณภาพยอดเยี่ยมได้ 100% ผ่านการจดจำด้วยกระจก และลูกบอลประสานบางส่วนบนแกน Z อาจมีขนาดเล็กกว่าลูกบอลอื่น ๆ เพื่อให้มั่นใจในความสามารถในการบัดกรีที่ยอดเยี่ยม คอมโพเนนต์ BGA สามารถลดความสูงลงได้ 25.41μm ถึง 50.8μm และใช้ระบบสุญญากาศแบบหน่วงเวลาปิดที่ 400ms เมื่อให้ลูกบอลประสานและครีมประสานสัมผัสกันอย่างสมบูรณ์แล้ว การเกิดการบัดกรีเป็นโพรงของคอมโพเนนต์ BGA สามารถลดลงได้

• การบัดกรีแบบรีโฟลว์

การบัดกรีแบบรีโฟลว์เป็นขั้นตอนที่ควบคุมได้ยากที่สุดในกระบวนการประกอบ BGA ดังนั้นการได้มาซึ่งเส้นโค้งการบัดกรีแบบรีโฟลว์ที่เหมาะสมจึงเป็นปัจจัยสำคัญที่ช่วยให้การบัดกรี BGA มีคุณภาพยอดเยี่ยม เส้นโค้งการบัดกรีแบบรีโฟลว์ประกอบด้วย 4 ขั้นตอน ได้แก่ การอุ่นล่วงหน้า การแช่ การรีโฟลว์ และการทำให้เย็นลง อุณหภูมิและเวลาในทั้งสี่ขั้นตอนสามารถตั้งค่าและปรับเปลี่ยนได้ตามต้องการเพื่อให้ได้ผลลัพธ์การบัดกรีที่ดีที่สุด

• งานรีเวิร์ก BGA

การซ่อมแซม BGA หลังการบัดกรีจะดำเนินการบนสถานีซ่อม BGA ซึ่งสามารถบัดกรีและซ่อมแซมชิป BGA ได้อย่างอิสระโดยไม่ส่งผลกระทบต่อชิ้นส่วนข้างเคียง ดังนั้นจึงสามารถเลือกหัวฉีดลมร้อนรีโฟลว์ที่มีขนาดเหมาะสมเพื่อครอบชิป BGA เพื่อความสะดวกในการบัดกรี

การตรวจสอบคุณภาพการบัดกรีชิ้นส่วน BGA

BGA ในฐานะที่เป็นคำย่อของการบรรจุภัณฑ์แบบ ball grid array มีการบรรจุลูกบอลประสาน (solder balls) ไว้ใต้ชิ้นส่วน และคุณภาพของลูกบอลประสานเหล่านี้แทบไม่สามารถทราบได้หากไม่มีอุปกรณ์ตรวจสอบเฉพาะ การตรวจสอบด้วยสายตาเพียงอย่างเดียวไม่สามารถประเมินคุณภาพการบัดกรีของข้อต่อประสานได้ จนถึงปัจจุบัน อุปกรณ์ที่ใช้สำหรับตรวจสอบคุณภาพการบัดกรีของ BGA คืออุปกรณ์ตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์ ซึ่งแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ แบบ 2D และ 5D

อุปกรณ์ตรวจสอบด้วยเอกซเรย์แบบ 2 มิติสามารถตรวจสอบปัญหาการบัดกรี เช่น รอยร้าว การขาดหาย การลัดวงจร การวางผิดตำแหน่ง และปริมาณตะกั่วบัดกรีไม่เพียงพอได้ในต้นทุนที่ต่ำ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียหลักของอุปกรณ์ตรวจสอบด้วยเอกซเรย์แบบ 2 มิติคือ บางครั้งค่อนข้างยากที่จะแยกแยะได้ว่าภาพของชิ้นส่วนสะท้อนมาจากด้านใด หากมีภาพสองภาพซ้อนทับกัน ข้อเสียนี้สามารถแก้ไขได้เมื่อใช้อุปกรณ์ตรวจสอบด้วยเอกซเรย์แบบ 5 มิติ เพียงแต่มีต้นทุนที่สูงกว่า

ชิ้นส่วน BGA ของคุณจะได้รับการตรวจสอบ 100% ที่ PCBCart

ที่ PCBCart ส่วนประกอบ BGA แต่ละชิ้นจะต้องได้รับการตรวจสอบก่อนที่จะการประกอบ SMTเพื่อให้สามารถบรรลุประสิทธิภาพการทำงานสูงสุดได้เมื่อพวกเขามีส่วนร่วมในการนำฟังก์ชันไปใช้ในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย คุณสามารถคาดหวังการตรวจสอบ AOI และ/หรือ AXI เพื่อการรับประกันคุณภาพของชิ้นส่วน BGA ของคุณ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับหลักการตรวจสอบชิ้นส่วนและกฎการจัดการห่วงโซ่อุปทานของเรา โปรดติดต่อเรา.

ขอใบเสนอราคาประกอบแผงวงจร BGA แบบทันทีที่นี่

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•บริการจัดหาชิ้นส่วน BGA จาก PCBCart พร้อมการรับประกันคุณภาพ
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ครบวงจรจาก PCBCart
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์แบบเทิร์นคีย์ขั้นสูงจาก PCBCart
•ปัจจัยที่มีผลต่อคุณภาพของการประกอบ BGA
•ปัญหาลูกบอลบัดกรีของชิ้นส่วน BGA และวิธีหลีกเลี่ยง