Esipuhe
BGA-tekniikan tutkimus alkoi 1960-luvulla. Sitä käytti ensimmäisenä yhdysvaltalainen IBM. BGA-tekniikasta tuli kuitenkin käytännöllinen vasta 1990-luvun alussa.
1980-luvulla haluttiin pienempiä elektroniikkapiirejä ja enemmän I/O-nastoja. Pinta-asennustekniikka (SMT) antoi piirikokoonpanolle kevyet, ohuet, lyhyet ja pienet ominaisuudet. SMT toi mukanaan myös korkeammat vaatimukset nastavälille ja koplanaarisuudelle sellaisten osien osalta, joissa on useita johtimia. Koneistustarkkuuden, valmistettavuuden, kustannusten ja kokoonpanoprosessin rajoitusten vuoksi QFP-osien (Quad Flat Pack) jakorajaksi katsottiin kuitenkin yleensä 0,3 mm. Tämä rajoitus rajoitti suuresti tiheän kokoonpanon kehittämistä. Lisäksi hienojakoiset QFP-osat edellyttivät tiukkoja kokoonpanoprosesseja. Tämä rajoitti niiden käyttöä. Tästä syystä jotkut yhdysvaltalaiset yritykset keskittyivät BGA-osien kehittämiseen ja käyttöön. Ne pitivät BGA:ta QFP:tä parempana suuren tiheyden tarpeisiin.
Mikä on BGA?
BGA on lyhenne sanoista Ball Grid Array. Tässä pakkauksessa juotospallot on tehty ruudukkoon pakkauksen alustan pohjalle. Nämä pallot toimivat I/O-liitäntöinä laitteen ja piirilevyn (PCB) välillä. Tällä menetelmällä pakatut osat ovat pinta-asennettavia laitteita. Varhaisissa suorittimissa käytettiin DIP-paketteja, kuten joissakin hyvin yksinkertaisissa mikrokontrollereissa nykyään.
Nykyään, kun elektroniikkateollisuus on kasvanut nopeasti, tietokoneet ja matkapuhelimet ovat yleisiä. Ihmiset haluavat elektroniikkatuotteilta enemmän toimintoja ja vahvempaa suorituskykyä, mutta he haluavat myös pienempää kokoa ja vähemmän painoa. Tämä ajaa tuotteita kohti enemmän toimintoja, suurempaa suorituskykyä ja pienempää kokoa. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi IC-sirujen on oltava entistä pienempiä ja monimutkaisempia. Tällöin piirien I/O-lukumäärät kasvavat ja pakkausten I/O-tiheys kasvaa. Tätä suuntausta varten on luotu kehittyneitä korkean tiheyden pakkaustekniikoita. BGA-pakkaus on yksi näistä tekniikoista.
Kaikista IC-kotelotyypeistä BGA-kotelot kasvoivat nopeimmin vuosina 1996-2001. Vuonna 1999 BGA-koteloiden tuotanto oli noin 1 miljardi kappaletta. Tähän mennessä tämä tekniikka on edelleen enimmäkseen tarkoitettu suuritiheyksisiin ja suorituskykyisiin laitteisiin. Se siirtyy edelleen hienompaan jakoon ja suurempiin I/O-määriin. BGA-pakkauksia käytetään pääasiassa PC-piirisarjoissa, mikroprosessoreissa/ohjaimissa, ASIC-piireissä, porttirakenteissa, muistissa, DSP-piireissä, PDA-piireissä, PLD-piireissä ja vastaavissa laitteissa.
BGA-tyypit pakkausmateriaalin mukaan
Kotelomateriaalista riippuen BGA-laitteisiin kuuluvat pääasiassa:
PBGA (Plastic BGA)
CBGA (Keraaminen BGA)
CCBGA (keraaminen sarake BGA)
TBGA (Tape BGA)
CSP (Chip Scale Package tai μBGA)
PBGA - Plastic Ball Grid Array
PBGA käyttää alustana BT-hartsi-/lasilaminaattia. Pakkaus on suljettu muovilla (epoksivalumassalla). Juotospallot voivat olla lyijypitoisia seoksia (esimerkiksi 63Sn37Pb, 62Sn36Pb2Ag) tai lyijyttömiä seoksia (esimerkiksi Sn96,5Ag3Cu0,5). Juotoskuulat ja kotelon runko liitetään toisiinsa ilman ylimääräistä juotosta.
Joissakin PBGA-koteloissa on ontelo. Niitä on saatavana “ontelo ylös” ja “ontelo alas” -versioina. Nämä onteloiset PBGA-paketit parantavat lämmöntuottoa, ja niitä kutsutaan termisesti parannetuiksi BGA-paketeiksi eli EBGA-paketeiksi. Jotkut kutsuvat niitä myös CPBGA:ksi (Cavity Plastic BGA).
PBGA:n edut:
Hyvä lämpöyhteys piirilevyn kanssa. PBGA:n BT-hartsi/lasilaminaatin lämpölaajenemiskerroin (CTE) on noin 14 ppm/°C. Monien piirilevyjen CTE on noin 17 ppm/°C. Nämä kaksi arvoa ovat lähellä toisiaan. Lämpötilojen yhteensopivuus on siis hyvä.
Reflow-juottamisen aikana PBGA käyttää juotospallojen itsesuuntautumisvaikutusta. Sulan juotteen pintajännitys auttaa kohdistamaan pallot tyynyihin.
Edulliset kustannukset.
Hyvä sähköinen suorituskyky.
PBGA:n haittapuoli:
Herkkä kosteudelle. Ei sovellu laitteisiin, jotka vaativat hermeettistä tiivistystä tai erittäin suurta luotettavuutta.
CBGA - Keraaminen palloristikkorakenne (Ceramic Ball Grid Array)
CBGA:lla on BGA-perheistä pisin historia. Sen substraatti on monikerroksinen keraaminen. Metallinen kansi on suljettu alustaan tiivistysjuotteella, joka suojaa kuoria, johdinsidoksia ja padeja. Kotelon juotospallomateriaali on korkean lämpötilan seos, joka on lähdetekstissä merkitty 10Sn90Pb:ksi. Pallojen ja kotelon rungon välisessä liitoksessa käytetään matalamman lämpötilan seosta, kuten 63Sn37Pb:tä.
CBGA:n edut:
Hyvä ilmatiiviys ja korkea kosteudenkestävyys. Tämä takaa korkean pitkäaikaisen luotettavuuden.
Parempi sähköinen eristys kuin PBGA.
Suurempi pakkaustiheys kuin PBGA.
Parempi lämmöntuotto kuin PBGA.
CBGA:n haitat:
Keraamisen alustan ja piirilevyn CTE eroaa paljon. Terminen epäsuhta on huono. Juotosliitoksen väsyminen on tärkein vikaantumistapa.
Korkeammat kustannukset kuin PBGA.
Juotospallojen kohdistus lähellä pakkauksen reunaa vaikeutuu.
TBGA - Tape Ball Grid Array - nauhapalloruudukkokokoonpano
TBGA on ontelokotelo. TBGA:ssa on kaksi tapaa liittää kuori alustaan: flip-chip-juotosliimaus ja lankaliimaus. Flip-chip-menetelmässä kenno liimataan monikerroksisen johdotuksen joustavan nauhan päälle. Joustavan nauhan alle sijoitetaan oheislaitteiden juotospallot, jotka toimivat piirin I/O-liittiminä. Paksu tiivistekansi toimii sekä jäähdytyselementtinä että vahvikkeena. Näin joustavan nauhan alla olevista juotospalloista saadaan koplanaarisempia. Die on liimattu ontelossa olevaan kupariseen lämmönlevittimeen. Die-tyynyt ja joustavan teipin tyynyt on yhdistetty sidoslangoilla. Tiivistysaine koteloi muotin, johdot ja joustavat nauhatyynyt (valamalla tai pinnoittamalla).
TBGA-kortin edut:
Paketin joustava teippi vastaa paremmin piirilevyn lämpölaajenemista.
Reflow-juottaminen voi käyttää juotteen itsekohdistusvaikutusta. Sulan pallojen pintajännitys auttaa kohdistamaan pallot tyynyihin.
TBGA on edullisin BGA-kotelo.
Parempi lämmöntuotto kuin PBGA.
TBGA:n haitat:
Herkkä kosteudelle.
Useat materiaalikerrokset pakkauksessa voivat heikentää luotettavuutta.
Muut BGA-tyypit
Muita pakkausmuotoja ovat:
MCM-PBGA (monisirumoduuli PBGA)
μBGA (micro BGA), sirumittainen pakkaus.
SBGA (Stacked Ball Grid Array)
etBGA (extra thin BGA), jossa pakkauksen korkeus on noin 0,5 mm, lähellä sirun paksuutta.
CTBGA, CVBGA (Thin and Very Thin Chip Array BGA) - ohuet ja erittäin ohuet BGA-kortit.
Vakiomuotoinen jälkityö
Tavallisten SMD-työstöjärjestelmien periaate:
Niissä käytetään kuumaa ilmaa lämmön keskittämiseksi pinta-asennettavien laitteiden (SMD) nastoihin ja tyynyihin. Tämä sulattaa juotosliitokset tai valuttaa juotospastan uudelleen, jotta osat voidaan irrottaa tai juottaa. Eri valmistajien jälkikäsittelyjärjestelmät eroavat toisistaan lähinnä lämmönlähteen ja kuumailmavirtauskuvion perusteella. Jotkin suuttimet puhaltavat kuumaa ilmaa SMD-levyn yläpuolelle. Laitteen suojauksen kannalta on parempi, että ilmavirta kiertää piirilevyn ympärillä. Piirilevyn vääntymisen estämiseksi valitse jälkikäsittelyjärjestelmä, joka voi esilämmittää piirilevyn.
BGA-työstö
Tässä jaksossa esitetään yhteenveto BGA-levyjen jälkikäsittelyn vaiheista HT996-järjestelmää esimerkkinä käyttäen.
BGA:n irrottaminen
Puhdista ja tasoita piirilevyn tyynyille jäänyt juote juotosraudalla. Käytä tarvittaessa juotteenpoistopunosta ja litteäteräistä juotosraudan kärkeä. Varo puhdistaessasi, ettet vahingoita tyynyjä tai juotosmaskia.
Käytä erityistä puhdistusainetta vuojäämien poistamiseen.
Kuivatus (leivonta)
PBGA-osat ovat herkkiä kosteudelle. Tarkista ennen kokoonpanoa, onko osa imenyt kosteutta. Jos se on kostea, suorita paistovaihe kosteuden poistamiseksi.
Juotospastan tulostus
Koska muut komponentit ovat jo piirilevyllä, käytä erityistä pientä BGA-sabluunaa. Sabluunan paksuus ja aukon koko riippuvat pallon halkaisijasta ja jakovälistä. Tarkasta tulostuksen jälkeen tulostuslaatu. Jos se ei ole hyvä, puhdista piirilevy ja kuivaa se ja tulosta sitten uudelleen. Jos CSP:n jako on alle 0,4 mm, juotospastan tulostaminen voidaan jättää väliin. Levitä tällöin juotospastaa suoraan piirilevyn tyynyille.
Aseta piirilevy reflow-uuniin osan poistamiseksi. Suorita reflow-ohjelma. Poista komponentti huippulämpötilassa tyhjiöpoimijalla. Anna piirilevyn jäähtyä.
Tyynyn puhdistus
Puhdista ja tasoita piirilevyn tyynyjen juotosjäämät juotosraudalla ja juotoksenpoistopunoksella. Varo vahingoittamasta tyynyjä tai juotosmaskia.
Kuivuminen (jälleen)
Koska PBGA on herkkä kosteudelle, tarkista ja paista kaikki kosteat osat ennen kokoonpanoa.
Juotospastan tulostaminen (uudelleen)
Kuten ennenkin, käytä pientä BGA-kohtaista kaavaa. Sabluunan paksuuden ja aukon on vastattava pallon kokoa ja jakoa. Tarkista tulostuksen jälkeen tulostuslaatu. Jos laatu ei ole hyväksyttävä, puhdista ja kuivaa piirilevy ja tulosta uudelleen. Jos CSP-piirilevyjen jako on alle 0,4 mm, voit jättää tulostuksen väliin ja levittää tyynyihin flux-pastaa.
BGA:n sijoittaminen
Jos BGA on uusi, tarkista sen kosteuspitoisuus. Jos se on kostea, paista se ennen asentamista.
Poistetut BGA-osat voidaan yleensä käyttää uudelleen. Ne on kuitenkin ensin asennettava uudelleen. BGA:n asettamisen vaiheet:
A. Aseta piirilevy painetulla juotospastalla työpöydälle.
B. Valitse sopiva suutin ja käynnistä tyhjiöpumppu. Poimi BGA:ta suuttimella, kohdista BGA:n pohja piirilevyn tyynyjen kanssa, laske suutin alas ja aseta BGA piirilevylle ja sammuta sitten tyhjiö.
Reflow-juottaminen
Aseta reflow-profiili laitteen koon ja piirilevyn paksuuden mukaan. BGA-levyjen uudelleenvalutuslämpötilat ovat yleensä noin 15 °C korkeammat kuin perinteisten SMD-osien.
Tarkastus
BGA-juotosliitoksen laatu tarkastetaan yleensä röntgen- tai ultraäänilaitteilla. Jos sinulla ei ole näitä välineitä, käytä toiminnallisia testejä tai kokeneita silmämääräisiä tarkastuksia.
Pidä valmista piirilevyä valoa vasten ja tarkista BGA-reunat. Katso, kulkeeko valo läpi, onko BGA:n ja piirilevyn välinen rako tasainen sivuilla, onko juotospasta täysin sulanut, onko juotospallojen muoto säännöllinen ja kuinka paljon palloja on romahtanut.
Jos liitos ei ole läpikuultava, tyynyjen välissä voi olla siltoja tai juotospalloja.
Jos pallon muoto on epäsäännöllinen tai vinossa, lämpötila voi olla liian alhainen. Puutteellinen juottaminen voi estää itsekohdistusvaikutuksen uudelleenjuoksutuksen aikana.
Pallon lommahdus riippuu reflow-lämpötilasta, tahnan määrästä ja tyynyn koosta. Oikealla tyynyn suunnittelulla normaali kokoonpuristuminen uudelleenjuoksutuksen jälkeen on noin 1/5 - 1/3 pallon korkeudesta ennen uudelleenjuoksutusta. Jos lommahdus on liian suuri, lämpötila on liian korkea ja siltoja voi syntyä.
Jos BGA-reunojen ja piirilevyn välinen rako ei ole tasainen, lämpötila paketin ympärillä ei ollut tasainen.
Reballing (juotospallojen kiinnitys) prosessi
Poista BGA:n pohjatyynyjen juotosjäämät ja puhdista.
Poista juotosraudalla piirilevyn tyynyjen juotosjäämät. Käytä juotteenpoistopunosta ja litteää juotosraudan kärkeä. Varo vahingoittamasta tyynyjä tai juotosmaskia.
Käytä erityistä puhdistusainetta vuojäämien poistamiseen.
Tulosta vuo BGA:n pohjapadille.
Käytä usein korkeaviskositeettista vuonaa sen tarttuvuuden ja juottamista helpottavien ominaisuuksien vuoksi. Varmista, että painetut juotoskuviot ovat selkeitä eivätkä leviä. Joskus juotospastaa käytetään vuon sijasta. Jos käytetään tahnaa, tahnan metallikoostumuksen on vastattava juotospallon metallia.
Käytä tulostamiseen pientä erityistä BGA-kuviointikuviota. Sabluunan paksuuden ja aukon on vastattava pallon halkaisijaa ja jakoa. Tarkista tulostuksen jälkeen tulostuslaatu. Jos se ei ole hyvä, puhdista ja tulosta uudelleen.
Valitse juotospallot
Kun valitset juotospalloja, ota huomioon pallon materiaali ja halkaisija. PBGA-juotospalloissa käytetään yleensä 63Sn/37Pb:tä, samaa seosta, jota käytetään reflow-juotteessa. Valitse siis pallot, joissa on sama seos kuin laitteen palloissa.
Pallon koon valinnalla on merkitystä. Jos käytät korkeaviskositeettista vuota, valitse pallot, joiden halkaisija on sama kuin laitteen pallojen halkaisija. Jos käytät juotospastaa, valitse pallot hieman pienemmiksi kuin laitteen pallot.
Pallon kiinnitys
Pallojen kiinnittämiseen on useita eri menetelmiä:
A) Pallokoneen menetelmä
Jos sinulla on kuulakone, valitse malli, joka vastaa BGA-levyjen asettelua. Mallin aukon tulisi olla 0,05-0,1 mm suurempi kuin pallon halkaisija. Ripottele pallot tasaisesti mallille. Ravista pallokonetta niin, että ylimääräiset pallot vierivät keräysastiaan, jolloin jokaiseen aukkoon jää tasan yksi pallo.
Aseta malli työpöydälle. Poimi tulostettu flux- tai pastapinnoitettu BGA tyhjiösuuttimella. Kohdista ja laske BGA mallissa olevien pallojen päälle niin, että tahna tai flux pitää pallot laitteen tyynyillä. Pidä pinseteillä kiinni laitteen kehyksestä ja sammuta tyhjiö. Aseta laite pallopuoli ylöspäin penkille. Tarkista puuttuvat pallot ja lisää niitä tarvittaessa pinseteillä.
B) Mallimenetelmä
Aseta fluxilla tai tahnalla päällystetty BGA-piiri penkille fluxi ylöspäin. Valmistele malli, joka vastaa BGA-levypaikkojen asettelua. Mallin aukon on oltava 0,05-0,1 mm suurempi kuin pallon halkaisija. Tue mallia reunoiltaan aluslevyjen varaan siten, että etäisyys BGA:han on yhtä suuri tai hieman pienempi kuin pallon halkaisija. Kohdista mikroskoopilla. Ripottele pallot tasaisesti mallin päälle. Poista ylimääräiset pallot pinseteillä niin, että jokaiseen reikään jää yksi pallo. Irrota malli ja tarkista se ja täydennä puuttuvat pallot.
C) Manuaalinen sijoittaminen
Aseta fluxilla tai tahnalla päällystetty BGA-piirilevy penkille. Käytä pinsettejä tai noutokynää kuten tavallisessa SMD-asennuksessa asettaaksesi pallot yksi kerrallaan.
D) juotospastan tulostusmenetelmä
Tee kaavasta paksumpi ja suurenna aukkoa hieman. Tulosta juotospasta suoraan BGA-tyynyille. Pintajännitys muodostaa juotospalloja uudelleenjuoksutuksen jälkeen.
Reflow
Suorita reflow kiinnittääksesi juotospallot laitteeseen.
Juottamisen jälkeinen puhdistus ja käsittely
Puhdista BGA-laite perusteellisesti uudelleenpallotuksen jälkeen. Kokoa ja juota se sitten mahdollisimman pian. Näin estetään juotospallojen hapettuminen ja laitteen kosteuden imeytyminen.
Yhteenveto
Teknologian jatkuvan kehityksen myötä nykyaikainen elämä on tiiviisti sidoksissa elektroniikkaan. Pikkuruiset matkapuhelimet, pienet radiot, kannettavat tietokoneet, muistit, kiintolevyt, CD-asemat ja teräväpiirtotelevisiot vaativat kaikki miniatyrisointia ja kevyttä painoa. Tämän saavuttamiseksi meidän on työskenneltävä tuotantoprosessien ja komponenttien parissa.
SMT (Surface Mount Technology) vastasi tähän suuntaukseen ja loi perustan kevyille, ohuille, lyhyille ja pienille elektroniikkatuotteille. SMT:n kypsyttyä 1990-luvulla elektroniikkatuotteiden suuntaukset kohti siirrettävyyttä, pienentämistä, verkottumista ja multimediaa ajoivat kokoonpanotekniikkaa eteenpäin. Syntyi uusia tiheitä kokoonpanomenetelmiä. BGA on yksi suuren tiheyden kokoonpanomenetelmä, joka on saavuttanut käytännön käytön. Tässä artikkelissa esiteltiin BGA-kokoonpanon ominaisuuksia ja juotosliitosten laadunvalvontaa.