Монтаж BGA микросхем: основные моменты

Микросхемы BGA отличаются наличием припойных шариков на оборотной стороне корпуса. При нагревании эти элементы (выводы) начинают плавиться, что дает возможность быстро и точно зафиксировать чип на плате. Чтобы получить необходимый результат, нужно четко совместить компоненты и спаять их при правильной температуре.

Разновидности BGA

• PBGA;
• СBGA;
• TBGA;
• FBGA.

Широкое распространение сегодня получили пластиковые чипы с эвтектическими шариками (PBGA). Для надежного контакта достаточно нанести флюс на контактную поверхность. Минусом PBGA является боязнь влажности, поэтому важно соблюдать условия хранения.

Подобного недостатка практически лишены СBGA, исполненные в корпусе из керамики. Шарики здесь изготовлены из устойчивого материала, который не оплавляется в процессе нагрева. Они являются лишь опорой, а связку с поверхностью обеспечивает паяльная паста. Металлокерамические и металлические корпуса тоже встречаются, но намного реже. Отдельную категорию составляют TBGA с гибкой пленочной основой. Различают стандартные и микро чипы с разными шагами выводов.

Основные отличия микросхем в корпусах BGA от других корпусов:

1. Такие микросхемы нельзя поставить вручную паяльником, покольку выводы микросхемы скрыты между ее корпусом и поверхностью печатной платы;
2. Невозможно проверить качество пайки микросхемы визуально (найти непропай или перемычку), т .е. традиционным микроскопом. Нужен рентген, а это дорогой аппарат..

Единственный плюс- миниатюризация изделий.

Установка микросхем BGA

При создании подобных соединений применяются специальные паяльные приборы и материалы, о которых мы расскажем ниже. Для серийного монтажа задействуют автоматическое или полуавтоматическое оборудование. Современные специалисты также активно прибегают к помощи систем видеосовмещения. Такая техника позволяет отслеживать точность совпадения, наблюдая процесс на экране в прямом эфире.

Производительность при этом намного ниже. На заводскую плату обычно уже нанесен контур с реперными знаками, поэтому ориентиры видны сразу. Если опознавательная разметка отсутствует, используют специальные центрирующие устройства (трафареты). Они бывают металлическими (многоразовыми) и пленочными (одноразовыми).

Металлические трафареты обеспечивают плотное прилегание без риска смещения в процессе нанесения пасты. Процедура требует от оператора большой аккуратности и опыта. Упростить ее помогают устройства с многозвенным манипулятором, отвечающим не только за фиксацию пластины, а и подачу пасты. Если конструкция платы не позволяет закрепить трафарет на ней, припой можно нанести непосредственно на шарики. Однако в таких случаях чаще прибегают к помощи пленки.

Одноразовые пластиковые трафареты бывают съемными и несъемными. Изделия первого типа изготавливают из полимерной антистатической пленки с одной клейкой стороной. На рынке предлагается огромный выбор вариантов для разных видов BGA. Нужно просто наклеить пленку, нанести припой и аккуратно отделить ее от поверхности по окончании работы. Несъемные трафареты делают из полиимида. После нанесения пасты они остаются на месте, что существенно ускоряет процедуру монтажа. При этом такая дополнительная прокладка препятствует осадке и защищает место соединения от внешних воздействий.

Чем паяют BGA

Наиболее распространенным методом при установке микросхем этого типа является оплавление посредством принудительной конвекции. Паяние — ответственный процесс, при котором нужно строго выдерживать температурный режим. Многое зависит от качества используемого инструментария.

Оборудование:

• Паяльные станции термовоздушные;
• Ремонтные станции;
• Термостолы;
• Конвекционные и печи;
• Парофазные печи.

С помощью профессиональной ремонтной станции можно аккуратно и быстро соединить элементы или произвести их демонтаж. Пользователь имеет возможность установить нужный режим нагрева, подобрать удобный наконечник. Ремонтный центр — это комплекс для работы с микросхемами шагом до 1 мм. Для настройки конвекционного режима достаточно выбрать подходящий термопрофиль, записанный в память компьютера. Термостол — удобное приспособление, позволяющее быстро разогреть компоненты до необходимой температуры.

Конвекционная печь камерного типа предназначена для пайки узлов в условиях небольшого производства. Узел прогревается постепенно, со всех сторон сразу, благодаря чему термическая нагрузка на него сводится к минимуму. Для изготовления масштабных серий используют конвейерные печи. Они обеспечивают стабильную температуру вне зависимости от скорости подачи и габаритов заготовок.

Расходные материалы

• Пасты;
• Флюсы;
• Влагозащита;
• Отмывочные материалы.

Паяльная паста. Выпускается огромное количество подобных материалов. Она может содержать галогены, отмываться или не отмываться, иметь разную вязкость и т. д. Для пластиковых корпусов рекомендуются вещества на основе припоя 62Pb/32Sn/2Ag. Этот материал обретает текучесть, нагреваясь до 189 градусов. Если температура плавления будет выше, соответственно, возрастет термонагрузка на узел.

Многие производители считают, что шариковые выводы сами по себе обеспечивают надежную спайку, а использование дополнительных припоев только увеличивает объем соединения. В принципе, это логично, но большинство монтажников по-прежнему предпочитают использовать в работе традиционные пасты. Помимо прочих преимуществ они могут стать необходимой компенсацией в случае потери объема припоя. Подобное возможно, если на контактной площадке предусмотрены переходные микроотверстия.

Флюсом называют гелеобразное или жидкое вещество, способное растворять сульфиды/оксиды, защищать от окисления и уменьшать поверхностное натяжение. Выбор зависит от конкретной задачи. Например, при восстановлении поврежденных шариков (ребоулинге) лучше использовать клейкие смеси. При работе с трафаретами не рекомендуются слишком активные флюсы, могущие их повредить.

К влагозащите относят различные лаки, дополнительно оберегающие изделия от контактов с водой и конденсата. Они бывают акриловыми и полипараксилиленовыми, силиконовыми и эпоксидными.

Особенности монтажа

После совмещения микросхемы с платой, BGA направляется в печь или ремонтную станцию. Важно придерживаться требований производителя. Температура нагрева для изделий этого типа не должна превышать 230°С. Современные печи имеют регулируемое зональное охлаждение. Для большей надежности электромодуля место стыка рекомендуется заполнять компаундом.

Пайка обеспечивает надежное и долговечное соединение. Однако в процессе работы исполнитель может столкнуться с рядом трудностей:

• несоответствием смонтированного узла требуемым параметрам;
• наличием void (пустот в шариках);
• неудовлетворительной плоскостностью;
• высокой теплоемкостью чипов и объектов, на которые они фиксируются.

Чтобы плата с подключенной микросхемой полностью соответствовала ожиданиям, важно ответственно подойти к выбору компонентов. Желание увеличить функциональность устройства за счет добавления новых выводов понятно, но реализуемо только в том случае, если возможности носителя это позволяют. Конструкция BGA позволяет располагать их максимально компактно, однако это приводит к появлению перекрестных помех и ухудшению сигнала. Важно соблюдать баланс. Если речь идет о добавлении новых чипов в действующую систему, нужны специалисты высокого уровня.

Отдельные BGA изначально имеют такой дефект корпуса, как void. Это пустоты, которые могут серьезно повлиять на качество соединения. Если общая площадь таких участков превышает четверть от всей плоскости, чип считается бракованным или близким к этому. Обнаружить подобный дефект можно с помощью рентгеновского снимка. Некоторые void образуются еще в процессе производства шариков, другие появляются в процессе крепления выводов на корпус. Чтобы избежать возникновения пустот во время эксплуатации и монтажа, нужно строго придерживаться рекомендаций производителя. Особенно когда речь идет о пластиковых компонентах, нетерпимых к влажности. Следует быть максимально аккуратным в процессе паяния, соблюдая предписанные пропорции и используя качественные расходные материалы.

Габаритные микросхемы с многочисленными выводами требовательны к плоскостности рабочей поверхности. Проблемы могут возникнуть и в том случае, если шарики слишком малы. Если не уделить этому моменту достаточно внимания, срок эксплуатации чипа существенно сократится. Для выравнивания печатных плат обычно используют иммерсионные (Imm, ENIG) или OSP покрытия.

Массивные чипы, монтируемые на столь же крупные платы, обладают высокой теплоемкостью. Очень важно правильно подобрать температурный режим. При наличии термопрофиля процесс монтажа пойдет намного быстрее и безопаснее. Перед началом работы рекомендуем убедиться, что плата устойчива к высоким температурам и механическим воздействиям.

Проверка и ремонт

Оценить аккуратность соединения между BGA микросхемой и платой на глаз не представляется возможным. Тестирование проводят разными методами из категорий «разрушающие» и «неразрушающие». Первые применяют, когда речь идет о больших партиях товара. В таких случаях изделие обычно подвергают серьезной внешней нагрузке. Тест на отрыв позволяет определить качество пайки. Если монтаж произведен в полном соответствии с технологией, выводы BGA не оторвутся от корпуса. Обрыв произойдет в месте соединения с платой. К разрушающим тестам относится и снятие микрошлифа. Этот метод дает возможность проанализировать внутреннюю структуру пайки и оценить состояние слоев интерметаллидов.

Большей популярностью пользуются «невандальные» способы проверки:

• рентгенография;
• эндоскопия;
• электронный контроль;
• периферийное сканирование.

Рентгенография — классический метод, позволяющий определить множество типовых дефектов. К таковым относятся пустоты, смещения, перемычки между выводами. Однако с помощью рентгена невозможно выявить микротрещины и некоторые другие недостатки спаянного соединения. Долгое время этот «медицинский» способ был безальтернативным, но теперь его можно использовать в связке с эндоскопией. Эндоскоп дает возможность внимательно рассмотреть «внутренности» соединений. Однако визуальный эффект не всегда соответствует действительности, поэтому нельзя назвать метод стопроцентно точным.

Электронный контроль позволяет не только обнаружить основные дефекты, а и проверить работоспособность микросхемы BGA. С помощью специального оборудования можно увидеть залипания в «1» или «0», короткое замыкание, пустоты и т. д. Для проверки используются различные тестеры и адаптерные системы. Относительным недостатком электронного контроля можно считать отсутствие нормального доступа к каждому выводу. Кроме того, многие современные чипы оснащены встроенными сканерами и контроллерами. Они сами проверяют функциональность системы и сигнализируют о проблемах.

Если монтаж проведен с ошибками или компоненты изначально содержали дефекты, можно сделать ремонт. Наибольшее распространение получил ребоулинг — процесс, во время которого чип выпаивают, меняют на нем выводные шарики и ставят обратно. Это сложная операция, которая будет стоить недешево. Кроме того, BGA микросхема может элементарно не выдержать очередных термических нагрузок. Каждая микросхема имеет ограниченное количество раз допустимого нагрева. Это указано в data sheet.(описание микросхемы). В некоторых случаях дешевле и проще установить новый компонент.