Startseite - Blog

So verstehen Sie die Ball-Grid-Array-Schweißtechnik richtig

Ball Grid Array Schweißtechnik-Da die Größe elektronischer Geräte kleiner wird, nimmt auch die Größe des Spielfelds deutlich ab. Die Notwendigkeit besteht darin, elektronische Komponenten auf einer Leiterplatte (PCB) zu platzieren, ähnlich wie Getreide in einem Maiskolben verpackt wird. Daher entstand mit der Zunahme der Anzahl von Pins auf der Leiterplatte die Ball-Grid-Array (BGA)-Löttechnologie. Sie werden feststellen, dass es eines der wertvollsten Produkte ist.

Möglicherweise fragen Sie sich jedoch, wie Sie BGAs am besten löten oder wie Sie Lötfehler erkennen und beheben können. Die Größe des BGA selbst schrumpft, und die kollabierten Lötkugeln können mit bloßem Auge nicht identifiziert werden. Dieser Artikel behandelt all diese Punkte und mehr. Lasst uns beginnen.

Ball Grid Array Schweißtechnik 1

(Es zeigt eine Nahaufnahme der BGA-Technologie auf der Leiterplatte)

1. Ball Grid Array Löten – Was ist BGA (Ball Grid Array Löten)

Ein BGA ist ein oberflächenmontiertes Bauteil (SMD), das elektrische Verbindungen durch eine Anordnung von Lötkugeln herstellt. Es hat keine Leitungen und das Paket enthält eine Anordnung von Metallkugeln aus Lötmittel, die als Lötkugel bezeichnet werden. Sie finden diese Lötkugeln auf der Rückseite des BGA-Gehäuses, die mit dem Laminatsubstrat verbunden sind.

Der BGA-Chip wird durch Flip-Chip-Technologie oder Drahtbonden auf dem Substrat befestigt. Intern hat das BGA interne Leiterbahnen, die eine Verbindung zwischen den Substratverbindungen und dem Chip herstellen. Darüber hinaus ermöglicht es auch die Verbindung zwischen dem BGA-Bond und dem Substrat. Sie können BGA-Gehäuse von anderen Gehäusen unterscheiden, indem Sie sich die Stifte ansehen, da BGAs gelötete Metallkugeln anstelle von Nägeln haben. Diese Lötkugeln verleihen ihm eine hohe Bleizahl, sogar über 208 Leads.

Im Vergleich zu anderen Softwarepaketen sind BGAs in Branchen, die Geräte mit hoher E/A-Leistung einsetzen, sehr gefragt. Im nächsten Abschnitt wird ausführlich erläutert, warum Sie BGA-Pakete gegenüber anderen Paketen bevorzugen.

Ball Grid Array Schweißtechnik 2

(Das Bild zeigt eine Nahaufnahme des BGA IC)

2. Ball-Grid-Array-Löten – Merkmale von BGA

Vorteil:

Niedrige Leiterbahndichte verbessert das PCB-Design: In Gehäusen wie Quad-Flat-Gehäusen ist die Leiterbahndichte aufgrund der Nähe der Pins ziemlich hoch. BGAs lösen oder verringern dieses Problem jedoch erheblich, indem sie die Kontakte über die gesamte Oberfläche des Gehäuses verteilen.

Robuste BGA-Beutel: Dass Trinkbeutel empfindliche Stifte haben, weißt du, weil du sie schnell zerstören kannst, selbst wenn du sehr vorsichtig bist. Außerdem ist es aufgrund der sehr hohen Stiftverbindungen der Haken nahezu unmöglich, verbogene Stifte zu reparieren. Aber in BGA gibt es kein solches Problem. In einem BGA sorgen Pads und Lötkugeln für elektrische Verbindungen und sie werden nicht leicht beschädigt.

Geringerer thermischer Widerstand: Auch hier haben Quad-Plane-Gehäuse einen höheren thermischen Widerstand, aber BGAs bieten einen viel geringeren thermischen Widerstand in Silizium. Wenn Ihr BGA-IC Wärme erzeugt, wird diese schnell und effizient vom Gehäuse auf die PCB-Oberfläche übertragen.

Ball Grid Array Schweißtechnik-Quad-Flatpack

Verbessern Sie die Hochgeschwindigkeitsleistung: Bei BGAs befinden sich die Leiter auf der Unterseite des Chipträgers. Das bedeutet, dass die Drähte im Inneren des Chips kürzer sind. Dies wiederum führt zu einem geringeren Pegel an unerwünschter Leitungsinduktivität. In Hochgeschwindigkeits-Hochfrequenzschaltungen ist eine übermäßige Leitungsinduktivität die Ursache für eine übermäßige Signalverzerrung. Daher können Sie mit dem BGA-Gehäuse eine höhere Leistung erzielen als mit dem entsprechenden Quad-Plane-Gehäuse (QFP).

Reduzierte Gehäusedicke: Mit BGAs kann die Dicke reduziert und Leiterplatten für ultradünne Elektronik wie Smartphones einfach hergestellt werden.

Praktische Nutzung des PCB-Platzes: Mit BGA-Chips können Sie den PCB-Platz effizient nutzen. Unter der Oberfläche dieses SMD-Chips können Sie elektrische Verbindungen herstellen. Sie müssen die Verbindung nicht mehr auf die Peripherie des SMD-Gehäuses beschränken.

Kleine IC-Pakete können entwickelt werden: Standard-SMD-Geräte wie Pin-Grid-Array und Dual-Inline sind mit sehr wenig Platz zwischen ihnen überfüllt. Dies ist ein Nachteil, da Sie versehentlich zwei oder mehr Stifte zusammenlöten könnten. Mit BGAs haben Sie jedoch keines dieser Probleme und können problemlos kleine IC-Gehäuse herstellen.

Ball Grid Array Schweißtechnik 3

(BGA-Footprint auf PCB anzeigen)

Ball Grid Array Schweißtechnik-Mangel:

Nun, Sie wissen, dass nichts perfekt ist, also hat BGA einige Nachteile. Erstens, wenn Sie naiv und kein Experte im Umgang mit BGAs sind, werden Sie Schwierigkeiten haben, ihre Schaltkreise zu entwerfen und herzustellen. Zweitens ist es manchmal schwierig, BGA-Gehäuse auf Fehler zu überprüfen. Drittens sind BGAs kein Plastik. Schließlich kostet es viel, was je nach Budget ein Nachteil sein kann oder nicht.

3. Ball-Grid-Array-Löten. Gängige Arten von BGA

Ball Grid Array Schweißtechnik-Kunststoff-BGA

Kunststoff-BGA (PBGA) ist aufgrund seiner geringen Kosten das beliebteste BGA. Ihre Teilungen variieren in der Größe von 1 mm bis 1,27 mm. Sie finden diese BGAs in einem Glasmix-Laminatsubstrat, einem kunststoffbeschichteten Gehäuse und gravierten Kupferspuren. Mit ihnen erhalten Sie vorgeformte Lotkugeln und eine verbesserte Temperaturstabilität.

Wenn Sie ihre Anwendungen kennenlernen möchten, können Sie sie für Geräte verwenden, die eine mittlere bis hohe Leistung erfordern. Solche Geräte erfordern eine niedrige Induktivität, hohe Zuverlässigkeitsniveaus und eine einfache Oberflächenmontage. Plastiktüten haben auch zusätzliche Kupferschichten, die dazu beitragen können, die Verlustleistung zu erhöhen.

Ball Grid Array Schweißtechnik-Keramik-BGA

Keramik-BGA ist einer der frühesten BGA-Typen. Es wird in einem rechteckigen oder quadratischen Keramikgehäuse geliefert und verwendet Lötkugeln anstelle von Kabeln, um externe elektrische Verbindungen herzustellen. Der CBGA befindet sich in einem Raster auf der Rückseite der Box. Sie können sie in Laptops, Telekommunikationssystemen und Device-under-Test-Anwendungen verwenden.

Flex tape BGA

Bei dieser Art von BGA befinden sich das Flexband, der Chip und die Lötkugeln auf der Rückseite des metallischen Wärmeleiters. Dieser Wärmeleiter ist das Träger- und Verstärkungsmaterial für das BGA-Bandpaket. Die Chips werden mit Drähten am Band befestigt und dann in die Hülle gesteckt. Im Vergleich zu QPFAs und PBGAs sind ihre Zuverlässigkeit, elektrischen und thermischen Eigenschaften tatsächlich besser. Sie können sie für Lösungen verwenden, die eine hohe thermische Leistung ohne Kühlkörper erfordern.

Hohe Spezifikation BGA mit Metalloberseite und hoher Wärmeleitfähigkeit

Wie bei flexiblen Tap-BGAs können Sie auch mit erstklassigen BGAs mit hochkarätigen, hochleitfähigen Metallen eine höhere elektrische und thermische Leistung erzielen. Ihr Design ähnelt in gewisser Weise flexiblen Band-BGAs. Der Chip wird an der Rückseite einer Kugel oder eines Wärmeverteilers befestigt, der bis zur Oberseite der Verpackung reicht. Da die Kupferwärmeleiter also bis zur Oberseite des Gehäuses reichen, erhalten Sie einen deutlich geringeren Wärmewiderstand, und die Oberfläche des Gehäuses fließt frei.

Wenn Sie auch Kühlkörper oder andere passive oder aktive Wärmemanagementgeräte verwenden müssen, können Sie Wärmestecker daran koppeln. Wenn Sie zusätzliche Erdungs- und Stromversorgungsebenen entwerfen, erhalten Sie außerdem eine verbesserte elektrische Leistung. Bei dieser Art von BGA-Gehäuse entfällt der Nachteil, dass das BGA-Gehäuse schwer zu prüfen ist. Seine Oberfläche ist stark reflektierend, sodass das Bildverarbeitungssystem eine überlegene Leistung bietet, wenn diffuse statt polarisierte Lichtquellen verwendet werden.

Chip-Scale-Plan

Dieses BGA-Gehäuse hat seinen Namen von der Tatsache, dass Sie es gemäß Ihren Anforderungen an die Chipgröße entwerfen können. Jedes BGA-Gehäuse ist ein Chip Scale Package (CSP), wenn es Ihren Chipspezifikationen entspricht und ein oberflächenmontiertes Gerät ist. Sie können sie in Smartphones, Smart Devices, Laptops und anderen fortschrittlichen kleinen elektronischen Geräten verwenden.

4. Ball-Grid-Array-Löten – BGA-Lötprozess

4.1 Grundlagen des BGA-Lötens

4.4.1 Löttemperatur

Zum Löten oder Löten von BGA-Geräten müssen die richtige Löttemperatur und die Lötlegierungskonstruktion ausgewählt werden. Als schnellen Tipp können Sie sicherstellen, dass das Lot des BGA-Chips nicht vollständig geschmolzen ist. Sie können es in einem halbflüssigen Zustand belassen und jede Lötkugel von den anderen getrennt halten.

(Ball Grid Array Schweißtechnik-Demonstration eines Technikers, der Lötkugeln auf einem Ball Grid Array platziert)

4.1.2 Schweißwerkzeuge und Schweißmaschinen

Glücklicherweise gibt es auf dem Elektronikmarkt eine große Auswahl an Lötmaschinen und Lötkits für BGAs. In diesem Zeitalter der Technologie können Sie auch online bestellen. Beim Kauf eines Schweißgeräts sollten Sie die folgenden Hauptmerkmale berücksichtigen:

Sie sollten es Ihnen ermöglichen, manuell zu montieren, zu löten, Steckplätze zu entfernen und Ihre BGA-Chips zu entfernen.

4.1.3 Platine gründlich reinigen

Nun, jetzt, wo Sie eine Lötmaschine oder -baugruppe haben, die von Anfang an die perfekte Löttemperatur gewählt hat, reicht das immer noch nicht aus. Bevor Sie mit dem Löten des BGA beginnen, ist es auch notwendig, die Leiterplatte und das BGA gründlich zu reinigen. Für BGA besteht die Anforderung darin, die Oberfläche glatt zu machen. Sehen wir uns im nächsten Abschnitt an, wie Sie sie Schritt für Schritt bereinigen.

4.1.4 Ball-Grid-Array-Löten – BGA-Reinigungsverfahren

Zuerst müssen Sie das BGA auf einem leitfähigen Pad platzieren und eine kleine Menge Lötpaste auf seine Oberfläche auftragen.

Als nächstes trennen Sie die Kugel mit einem Lötkolben und Draht vom BGA. Lassen Sie den Lötkolben die Lötkugeln verflüssigen und erhitzen Sie die durchlässige Leitung, bevor Sie die Wäscheleine auf die Oberfläche des BGA bewegen. Stellen Sie außerdem sicher, dass der Lötkolben nicht zu viel Druck auf die Oberfläche ausübt, da dies zu Rissen auf der Oberfläche führen kann.

Reinigen Sie die BGA-Oberfläche mit denaturiertem Alkohol und führen Sie eine Reibebewegung aus, um das Flussmittel von der BGA-Oberfläche zu entfernen. Beginnen Sie normalerweise mit den Kanten und ignorieren Sie die Ecken nicht. Wischen Sie weiter. Behandeln Sie jedes BGA mit einem sauberen Lösungsmittel.

Dann können Sie auch ein Mikroskop verwenden, um die Oberfläche des BGA auf nicht entfernte Lötkugeln und beschädigte Pads zu untersuchen.

Reinigen Sie die BGA-Oberfläche mit einer Bürste und entionisierendem Spray. Es hilft, restliche Lötpaste auf der BGA-Oberfläche zu beseitigen. Lassen Sie das BGA an der Luft trocknen. Testen Sie die BGA-Oberfläche zweimal.

Um Feuchtigkeit zu beseitigen, backen Sie BGA und PCB bei 80 °C bis 90 °C für 10 bis 20 Stunden in einem Ofen mit konstanter Temperatur. Sie können die Backzeit und -temperatur je nach Luftfeuchtigkeit anpassen.

Bei allen nachfolgenden Vorgängen sollten antistatische Handschuhe oder ein antistatischer Ring getragen werden, um unnötige Störungen des Chips durch statische Elektrizität zu vermeiden.

4.2 Ball-Grid-Array-Löten – BGA-Lötstelleninspektion

Die Bedeutung der Lötstelleninspektion

Leiterplattenhersteller verwenden keine optischen Methoden, um BGAs zu inspizieren, da die Lötstellen unter den BGA-Komponenten nicht sichtbar sind. Die elektrische Bewertung ist nicht sehr genau, da sie nur die Leitfähigkeit zu diesem genauen Zeitpunkt anzeigt. Es schätzte nicht die Lebensdauer von Soldaten. Lötstellen altern mit der Zeit.

Röntgenprüfverfahren

Röntgenüberwachung von BGA-Lötstellen. Die Röntgenanalyse ermöglicht es Ihnen, das Teil unter der Schweißverbindung zu sehen. Daher wird die Technologie der automatischen Röntgeninspektion (AXI) in verschiedenen Branchen weit verbreitet verwendet, um BGAs zu inspizieren.

4.3 Ball-Grid-Array-Löten – der grundlegende Lötprozess von BGA

Eines der Hauptprobleme bei einem BGA ist, ob es einen Löt- oder Lötvorgang erfolgreich durchführen kann. Da die Rückseite des BGA-Chips Pads anstelle von Pins hat, ist es außerdem notwendig, die richtigen Lötmethoden zu befolgen.

Glücklicherweise haben sich BGA-Löttechniken als effizienter erwiesen als standardmäßige Quad-Flat-Panel-Packages. Sie müssen nur sicherstellen, dass der Prozess richtig eingerichtet ist. Seitdem bedeutet dies das Scale-up von Leiterplattenbestückungs-Prototypen und Leiterplattenbestückungs-Produktion.

Vor Beginn des BGA-Lötprozesses müssen die Löt- und Kugelabmessungen sowie die Kollapshöhe sorgfältig ausgewählt werden. Sie erhitzen die Lötkugeln und wenn sie schmelzen, ermöglicht die Oberflächenspannung, dass sie richtig auf das BGA und die Leiterplatte passen. Danach kühlt das Lot ab und bereitet die BGA-Leiterplatte vor.

Das Erhitzen der Lotkugeln ist jedoch nicht so einfach, wie es sich anhört. Dazu ist ein Reflow-Verfahren erforderlich. Dies ist wichtig, da Sie sicherstellen müssen, dass das Lot unter dem BGA-Chip schmilzt. Dazu muss die gesamte Anordnung die Schmelzpunkttemperatur überschreiten. Das kann letztlich nur der Reflow-Prozess.

4.4 Ball-Grid-Array-Löten – BGA-Reflow-Löten

Flussmitteloptionen: wasserlöslich, no-clean

OK, jetzt, da Sie wissen, warum wir ein Reflow-Lötverfahren verwenden müssen, wenden wir uns der Art von Flussmittel zu, die Sie verwenden sollten. Es gibt im Wesentlichen zwei Varianten: wasserlöslich und unsauber. No-Clean-Flussmittel können verwendet werden, wenn entionisiertes Wasser nicht zum Reinigen der Platine während der letzten Reflow- und PCB-Montagephasen verwendet werden kann. Wenn die Platine LCDs, Kristalle oder wasserempfindliche Teile enthält, möchten Sie wahrscheinlich nicht bestehen.

Wenn Sie hingegen planen, die Leiterplatte mit deionisiertem Wasser zu reinigen, können Sie ein wasserlösliches Flussmittel verwenden. Es ist erwähnenswert, dass unabhängig davon, welches Flussmittel Sie verwenden, der Flussmitteltyp die Änderungsaktivität und das Aktivitätsniveau zwischen den Lotpasten definiert.

Wahl des Lötmittels

Schließlich ist nach der Auswahl eines Flussmittels auch die Auswahl des richtigen Lötmittels von entscheidender Bedeutung. Unzureichender Reflow, unzureichender Ersatz und niedriger Schablonendruck können alle zu Fehlern beim Öffnen von Lötkugeln führen.

5. Ball-Grid-Array-Löten – Lötdefekte in BGA

Wir haben gerade den Begriff „Bumping Failure“ erwähnt. Es ist ein Lötdefekt, der auch als brauchbare Lötstelle oder nicht kollabierte Kugel bezeichnet wird. Der Grund dafür ist eine unzureichende Wärme während des Reflow-Prozesses. Intermittierende BGA-Verbindungen (BICs) sind eine andere Art von Lötdefekten. Es betrifft alle Spielfeldgrößen und ist extrem gefährlich, weil es oft unregelmäßig ist. Verschwendete Fertigungszeit und verzögerte Produkteinführungen können OEMs Tausende von Dollar kosten.

Wie der Name schon sagt, stürzen BICs jedoch nur gelegentlich ab. Da BICs schwer zu finden sind, werden sie einen Dominoeffekt haben, indem sie schwer fassbare, schwer nachvollziehbare Designdilemmas an mehrere OEM-Engineering-Teams und schließlich an den Vorstand weitergeben.

Zusätzlich zu nicht faltbaren Bällen und BICs müssen Sie Shorts, offene und rissige BGA-Bälle verwenden. Wie bei nicht kollabierten Kugeln und BICs kann das schwache thermische Profil des Reflow-Lötens diese Defekte verursachen.

Das thermische Profil definiert den Temperaturbereich, über den die Leiterplatte während des Reflow erhitzt wird, und wie lange die Leiterplatte bei jeder Temperatur verweilt. Wenn Sie alle Temperaturbereiche eines thermischen Profils korrekt interpolieren, ist das Ergebnis ein vollständiger Reflow. Dann können Sie es durch BGA-Röntgeninspektion überprüfen.

6. Ball-Grid-Array-Löten – BGA-Nachbearbeitungsprobleme

6.1 Ball Grid Array Löten – Manuelles BGA Entlöten

Sie müssen aktualisieren, wenn Sie beim ersten Mal nicht richtig gelötet haben. Wenn zur Demontage der Komponente keine Nacharbeit verwendet wird, muss die Leiterplatte um die Komponente herum erhitzt werden, um das Lot wieder zu schmelzen (Entlöten), wodurch das Löten verbessert wird. Wenn Sie Komponenten brechen und löten müssen, dann ist das Nacharbeiten und Handlöten des BGA-Gehäuses der komplizierteste Teil. Lassen Sie uns im nächsten Unterabschnitt darüber sprechen.

6.2 Ball-Grid-Array-Löten – manuelles BGA-Löten

1: Entfernen Sie das BGA und wischen Sie vorsichtig das restliche PCB-Pad-Lötmittel ab.

2: Überprüfen Sie als nächstes das BGA auf Feuchtigkeit, da es feuchtigkeitsempfindlich ist.

3: Wählen Sie eine kleine BGA-Vorlage zum Drucken der Lötpaste. Die Kugelsteigung und der Durchmesser müssen verwendet werden, um die Größe und Dicke der Öffnung der Schablone zu bestimmen. Abschließend sollte auch die Druckqualität überprüft werden.

4: Verwenden Sie einen Lötkolben, um den Restlötspiegel zu reinigen. Sie können noch weiter gehen, indem Sie eine flache Lötspitze und ein abnehmbares Band verwenden. Achten Sie darauf, die Lötstoppmaske und die Pads nicht zu beschädigen.

5: Ball Grid Array Schweißtechnik-Wiederholen Sie die Schritte 2 und 3.

6: Jetzt ist es Zeit für BGA. Es würde helfen, wenn Sie die Oberflächenbestückungsplatine (nach dem Drucken) auf die Werkbank legen. Nach Auswahl einer geeigneten Düse muss die Vakuumpumpe eingeschaltet werden. Wenn die Leiterplatte das BGA überlappt, verschluckt die Düse den BGA-Chip. Integrieren Sie schließlich den BGA-Chip in die Leiterplatte und schalten Sie die Vakuumpumpe aus.

7: Wählen Sie die geeignete Reflow-Löttemperatur entsprechend der Leiterplattendicke, Gerätegröße usw. Im Allgemeinen ist die BGA-Temperatur 15 Grad höher als bei herkömmlichem SMD.

8: Sie sind jetzt fertig. Der letzte Schritt besteht darin, das BGA-Löten zu überprüfen.

Zusammenfassen

In diesem Artikel stellen wir die BGA-Technologie, ihre verschiedenen Arten, Vor- und Nachteile vor. Außerdem erklären wir Schweißwerkzeuge und -maschinen, die Sie kaufen können, um sie zu schweißen. Wie können Sie BGA-Nacharbeiten durchführen, wenn Sie es nicht gut löten?

Wir haben BGAs auch mit herkömmlichen oberflächenmontierten Bauelementen verglichen. Schließlich decken wir auch Lötfehler ab, damit Sie diese vermeiden können. Wenn Sie mehr über die BGA-Technologie erfahren möchten, können Sie uns kontaktieren, um dies zu besprechen.

Hommer
Hallo, ich bin Hommer, der Gründer von WellPCB. Bisher haben wir mehr als 4.000 Kunden weltweit. Bei Fragen können Sie sich gerne an mich wenden. Danke im Voraus.

Dienstleistungen