BGA (Ball Grid Array)

Montaż systemów elektronicznych Wykład Montaż układów BGA w technologii 2017_2018 dr inż. Barbara Dziurdzia, Katedra Elektroniki AGH 1 BGA (Ball Grid Array) Układ z matrycą wyprowadzeń kulkowych na spodzie obudowy Standardowa liczba kulek 196 208 241 256 304 324 421 468 492 544 2 AGH24.03.2010 1

Obudowa BGA QFP obwodowa Architektura wyprowadzeń: BGA powierzchniowa 3 Porównanie kosztów montażu 4 AGH24.03.2010 2

Połączenia w BGA Podzespoły BGA są rozmieszczane i wzajemnie łączone na podłożach PCB tworząc funkcjonującą aparaturę elektroniczną 5 Rodzaje układów BGA PBGA (Plastic Ball Grid Array), CBGA (Ceramic Ball Grid Array) FBGA (Fine Ball Grid Array) UFBGA (Ultra Fine Ball Grid Array) µbga (Mikro Ball Grid Array) 6 AGH24.03.2010 3

BGA w praktyce eksploatacyjnej Pitch-Raster 7 Rodzaje BGA: Plastic Ball Grid Array - PBGA struktura półprzewodnikowa na górze płytki laminatowej, plastikowa przykrywka zabezpieczająca 8 AGH24.03.2010 4

Rodzaje BGA: Plastic Ball Grid Array - PBGA struktura półprzewodnikowa pod spodem płytki laminatowej, zabezpieczona masą plastyczną, na górze płytki płytka metalowa jako chłodnica 9 Rodzaje BGA: Plastic Ball Grid Array H-PBGA struktura półprzewodnikowa na górze płytki laminatowej, połączenie struktury z płytką laminatową w technice flip-chip, zabezpieczenie połączenia żywicą epoksydową 10 AGH24.03.2010 5

Flip chip Flip chip jest metodą dołączania struktur półprzewodnikowych do obwodu zewnętrznego za pomocą miniaturowych kulek ze stopu lutowniczego. Kulki są umieszczane na polach kontaktowych układu scalonego na jego płaszczyźnie czołowej, po czym układ jest odwracany (is flipped over) i umieszczany na odpowiednich polach kontaktowych płytki zewnętrznej, i poddany lutowaniu rozpływowemu. Inną metoda dołączania struktury półprzewodnikowej do płytki zewnętrznej jest montaż drutowy wire bonding. 11 Konfiguracje matryc kulkowych w układach BGA 12 AGH24.03.2010 6

BGA w praktyce eksploatacyjnej Zalety technologii montażu BGA : ograniczenie miejsca zajmowanego przez układ scalony dzięki lepszemu stosunkowi liczby wyprowadzeń do wymiarów obudowy, mniejsza liczba wad występujących występujących w procesie lutowania (2 do 5 defektów na mln połączeń), skrócenie doprowadzeń w obrębie układu a więc zmniejszenie indukcyjności wzajemnych, samonastawność kulek na polach kontaktowych płyty PCB. Dlatego obserwujemy dynamiczny rozwój tej technologii (PCB, 13 LTCC, ASIC) BGA w praktyce eksploatacyjnej Wady technologii montażu BGA : problemy z odpornością spoiny na wstrząsy i uderzenia, brak możliwości inspekcji optycznej połączeń, ewentualne generowanie naprężeń w układzie w trakcie lutowania, diagnostyka uszkodzeń wymaga zastosowania sprzętu Hi-Tech, naprawy serwisowe wymagają zastosowania specjalistycznego wyposażenia. 14 AGH24.03.2010 7

Montaż układów BGA nadruk pasty lutowniczej na pola lutownicze płyty PCB przez szablon lutowniczy, ułożenie układu BGA na płycie PCB przy pomocy układarki z systemem wizyjnym, lutowanie rozpływowe w piecu konwekcyjnym Samonastawność BGA podczas montażu wskutek zjawiska napięcia powierzchniowego 15 Lutowanie Dyrektywa RoHS ang. Restriction of Hazardous Substances 27 stycznia 2003 roku (2002/95/EC), wprowadzona w życie 1 lipca 2006 roku. Stopy bezołowiowe SnAg3Cu05 (SAC) 217-221 deg C SnAg2Cu08Sb05 (CASTIN) 217-221 deg C SnAg3,5 221deg C SnCu07 227degC Stop ołowiowy Sn63Pb37 183 deg C 16 AGH24.03.2010 8

Topniki do montażu BGA 1. No-clean na bazie rozpuszczalników organicznych z dodatkiem średnioaktywnych aktywatorów; nie wymagają usuwania po zakończeniu lutowania 2. VOC-free (Volatile Organic Compounds free) topniki wodne wysokoaktywne; wymagają usunięcia za pomocą strumienia gorącej wody 17 Powłoki ochronne pól kontaktowych do montażu BGA 1. pokrycia immersyjne (nakładane chemicznie) z cyny Im-Sn, srebra Im-Ag i złota Im-Au, 2. pokrycia organiczne OSP (Organic Solderability Preservative) 18 AGH24.03.2010 9

Profil pieca 19 Źródła błędów montażu układanie materiał kulek przygotowanie pól lutowniczych na PCB proces lutowania profil temperatury dobór materiałów lutowniczych TESTY off-line and in-line Testy wytrzymałościowe (reliability) 20 AGH24.03.2010 10

Możliwe błędy montażu BGA b d f a c e a) niedolanie lutu, b) przerwa; c) nieprawidłowe osadzenie kulki, d) zwarcie między kulkami; e) zwarcie do przepustu f) przesunięcie kulki 21 Możliwe błędy montażu BGA zimne luty, puste przestrzenie wewnątrz kulek lutowniczych tzw. voids, kuleczkowanie lutowia, delaminacja. 22 AGH24.03.2010 11

BGA w praktyce eksploatacyjnej Wady montażu Head in Pillow Solder Bridge 23 Typowe nieprawidłowości montażu (uszkodzenia) Montaż układów BGA w technologii 24 AGH24.03.2010 12

Typowe nieprawidłowości montażu (uszkodzenia) Pustki (voids) 25 Techniki badawcze Badanie nieniszczące: aparatura rentgenowska, mikroskop akustyczny Badania niszczące: zgłady metalograficzne Aparatura do dokumentacji rezultatów: mikroskopia optyczna, mikroskopia SEM 26 AGH24.03.2010 13

Urządzenie do inspekcji rentgenowskiej (ITR-Warszawa) Phoenix Nanometer X-ray Unit 27 Montaż układów BGA w technologii Obraz Rtg układu BGA mostki lutowia pustki (voids) możliwość wykorzystania do bieżącej inspekcji 28 AGH24.03.2010 14

Inne wady wykryte za pomocą inspekcji Rtg zwarcia między kulkami kulki lutowia o różnych wysokościach pustki w obrębie kulek 29 przerwy spowodowane nierówną wysokością kulek Rozwarstwienie Pęknięcia Przetwornik ultradźwiękowy Mikroskop akustyczny Pustki Fale ultradźwiękowe padająca/odbita urządzenie off-line, wymaga dodatkowych zabiegów (woda) 30 AGH24.03.2010 15

Mikroskop akustyczny Mikroskop akustyczny SAM ( Scanning Acoustic Microscopy) jest nowoczesnym narzędziem umożliwiającym diagnostykę uszkodzeń układów elektronicznych za pomocą fal ultradźwiękowych o częstotliwościach od 10MHz do 230MHz Przetwornik ultradźwiękowy poruszający się wzdłuż badanego obiektu wysyła fale ultradźwiękowe przenoszone przez ośrodek (wodę dejonizowaną), w którym zanurzony jest obiekt, i jednocześnie odbiera fale odbite od różnych nieciągłości tego obiektu. System komputerowy analizuje amplitudy i fazy wysyłanych i odbijanych sygnałów i tworzy obrazy obiektu w różnych przekrojach. Metoda wykrywa rozwarstwienia (delaminacje ) obudowy i podłoża, pęknięcia, wewnętrzne puste przestrzenie 31 Zgłady metalograficzne pustki, pęknięcia, odwarstwienia 32 AGH24.03.2010 16

Analiza technik naprawczych Serwis "profesjonalny": demontaż układu BGA z płyty PCB, zastąpienie wyprowadzeń kulkowych na spodzie obudowy BGA poprzez wlutowanie nowego zestawu kulek przygotowanie pól lutowniczych na płycie PCB, ponowny montaż układu BGA, Wymagane wyposażenie: urządzenie naprawcze, zestaw do reballingu, urządzenie do inspekcji Rtg 33 Profesjonalne urządzenie naprawcze do układów BGA _ SUMMIT 1100 Firma Renex, Włocławek 34 AGH24.03.2010 17

Montaż układów BGA w technologii SUMMIT 1100 35 Mała stacja naprawcza REECO 36 AGH24.03.2010 18

Montaż układów BGA w technologii Reballing układów BGA z zastosowaniem gotowych kulek ze stopu bezołowiowego i piecyka do reballingu z zastosowaniem pasty lutowniczej do odtworzenia kulek lutowniczych 37 Kulka do reballingu 38 AGH24.03.2010 19

Serwis profesjonalny, naprawa za pomocą urządzenia naprawczego Pustki stanowią 0,4% powierzchni kulki lutowniczej Obserwacje w wideomikroskopie f-my 39 HIROX Inspekcja Rtg_reballing za pomocą gotowych kulek_naprawa przy pomocy urządzenia naprawczego_widok 3D 40 AGH24.03.2010 20

Inspekcja Rtg_reballing za pomocą gotowych kulek_naprawa przy pomocy urządzenia naprawczego_voids średni procentowy udział pustek (voids) w powierzchni przekroju kulki : 0,03% 41 Analiza technik naprawczych Serwis uproszczony: demontaż układu BGA z płyty PCB, zastąpienie wyprowadzeń kulkowych na spodzie obudowy BGA poprzez nadruk pasty lutowniczej przez szablon, przygotowanie pól lutowniczych na płycie PCB, ponowny montaż układu BGA, Wymagane wyposażenie: piec o programowanym profilu temperatury i sitodruk. 42 AGH24.03.2010 21

Serwis uproszczony, reballing pastą lutowniczą, naprawa w piecu rozpływowym Pustki stanowią 7.2% powierzchni kulki lutowniczej Obserwacje w wideomikroskopie f-my HIROX 43 Montaż układów BGA w technologii Inspekcja Rtg_reballing pastą lutowniczą_naprawa w piecu rozpływowym_widok 3D 44 AGH24.03.2010 22

Rtg_reballing pastą lutowniczą, naprawa w piecu rozpływowym_voids średni procentowy udział pustek (voids) w powierzchni przekroju kulki : 4.82% 45 Ocena naprawianych układów BGA Metoda badawcza: zastosowanie testowych układów BGA "dummy components" z połączeniami" daisy chain", narażenia temperaturowe, narażenia mechaniczne 46 AGH24.03.2010 23

Ocena naprawianych układów BGA Nagłe zmiany temperatury ( -55 C/+125 C ) w komorze szoków termicznych ( 1000 cykli po 1 h) Montaż układów BGA w technologii 47 Ocena naprawianych układów BGA Narażenia na udary i wibracje Montaż układów BGA w technologii Narażenia w trzech orientacjach X, Y, Z w każdej po 24h Wibracje sinusoidalne o częstotliwości zmieniającej się od 20Hz do 1,4kHz, przyspieszenie wibracji równe 50g Pomiar rezystancji co 5 minut rejestrowany na komputerze ( nie wykazał wad) Zgłady metalograficzne po narażeniach ( nie wykazały wad ) 48 AGH24.03.2010 24

Ocena naprawianych układów BGA Próbka Narażenie Rezystancja Mikrografia szoki termiczne pass pęknięcia (-55, +125degC) udary i wibracje pass pass zimno (-55 degc) pass pass szoki termiczne pass pass udary i wibracje pass pass 49 Jak naprawiać? 50 AGH24.03.2010 25

Zestaw do czyszczenia układu ze starych kulek 51 Układ wygodnie jest włożyć do metalowej ramki 52 AGH24.03.2010 26

Usuwanie starych kulek przy pomocy miedzianej tasiemki 53 Kit do naprawy BGA 54 AGH24.03.2010 27

Co potrzeba do reballingu? 55 Krok_1_Otwarta obudowa 56 AGH24.03.2010 28

Krok_2_Do obudowy wkładamy ramki dystansujące 57 Krok_3 _Wkładamy układ 58 AGH24.03.2010 29

Krok_4_Układ pokrywamy topnikiem 59 Krok_5_ Nakładamy sito. Dociskamy całość górną częścią obudowy 60 AGH24.03.2010 30

Krok_6_Układamy kulki 61 Kulki do reballingu 62 AGH24.03.2010 31

Krok 7. Odsypujemy nadmiarowe kulki 63 Krok 7. Kulki ułożone na sicie 64 AGH24.03.2010 32

Krok_8_Wkładamy całość do piecyka do reballingu 65 Krok 9 Studzenie na płycie odprowadzającej ciepło 66 AGH24.03.2010 33

Kulki wtopione w pola kontaktowe 67 Kulki po regeneracji 68 AGH24.03.2010 34

Podsumowanie 1. BGA jest podstawową metodą montażu zaawansowanych układów wielowyprowadzeniowych technologia stosowana do montażu PCB, ASIC, LTCC, 2. W ciągu ostatnich lat nastąpił znaczący rozwój jakościowy montażu BGA zwłaszcza w obszarze metalurgii lutu, 3. Dopracowano się diagnostyki BGA na najwyższym poziomie - zaawansowane oprogramowanie do wykrywania błędów połączeń elektrycznych, diagnostyka obrazowa na wyposażeniu linii produkcyjnych (scanery X-ray); rozwija się tomografia 4. Doceniono rolę i rozwój technik naprawczych. Technologia jest rozpowszechniona i używana w Polsce. 69 AGH24.03.2010 35