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BGA组装工艺能力方面需要考察的基本因素
录入时间:2019/5/28 11:58:46

作者:Dora YangPCBCART公司

BGA(球栅阵列)组件与焊接组装技术完全兼容。芯片级BGA的间距可能是0.5毫米、0.65毫米或0.8毫米,而塑料BGA或陶瓷BGA元件的间距比较宽,可能是1.5毫米、1.27毫米和1毫米。

微间距BGA封装比带引脚的集成电路(IC)封装更容易遭到损坏,不仅如此,BGA元件允许有选择地减少触点以满足输入/输出(I / O)引脚的特定要求。随着切削刃技术在SMT组装中的应用,BGA封装迅速成为符合微间距和超微间距技术要求的重要选择,提供可靠的组装技术,实现高密度互联,因此这种类型封装的应用越来越多。

X射线断层成像技术在BGA组装中的应用

在电子组装采用BGA元件之前,大部分PCB制造商和电子产品制造商都没有注意到在其制造工艺中使用X射线检查的必要性。他们认为传统的检测方法完全足够,例如人工目视检查和包括制造缺陷分析(MDA)、在线测试(ICT)和功能测试在内的电气测试。

但是,这些检查方法都无法发现隐蔽的焊点问题,诸如内有空洞、虚焊、焊锡连结不良等。X射线检查系统是一种检查工具,其经过验证能够检查隐蔽的焊点并且有助于建立和控制制造工艺,分析原型并确认工艺。与MDA、ICT、AOI不同的是,X射线检查系统能够确认短路、开路、内部空洞和BGA焊锡球校准,监控工艺质量并提供用于统计过程控制(SPC)的即时反馈数据,提高了制造效率。

X射线断层成像检查设备通过捕捉焊点图像生成断层图像,能够进行焊点自动化分析和实时断层扫描。此外,他们可以在几秒钟或两分钟内对PCB电路板两侧上的元件的所有焊点进行精确的对比分析,得出焊点是否合格的结论。

BGA组装工艺和变化源

为了更有效地使用X射线检查系统,必须明确BGA组装工艺的控制参数和参数控制限制。BGA组装工艺严格按照图1中的步骤依次进行。

在组装过程中用焊膏组装BGA元件的共晶焊锡球时,它们的位置通常是通过液态焊锡自动校正。因此,安装的精确度似乎并不像有引线的微间距元件那样重要,而且在BGA元件组装技术中的主要控制环节是焊膏印刷和回流焊。此外,焊点的形状与尺寸变化也与许多其他的因素有关。

要消除所有变化基本上是做不到的,因此,控制制造工艺的关键是减少各个制造环节的变化。我们需要认真分析和定量处理不同的变化对最终组装产品的影响。在考察从BGA元件到PCB的组装工艺的整个过程时,影响焊点质量的主要因素包括:

•    焊锡球的体积

•    BGA元件的焊盘尺寸

•    PCB的焊盘尺寸

•    焊膏体积

•    在回流焊工艺中,BGA元件的变形

•    在回流焊工艺中,在BGA安装区域的PCB变形

•    安装布置的准确性

•    回流焊的温度曲线

无论使用哪种检查设备,在判断焊点合格与否时,必须有充分的依据。IPC-A-610C在12.2.12条款中定义了可接受BGA焊点的标准。良好的BGA焊点必须是光滑、圆的、边缘清晰且内无空腔。所有焊点的直径、体积、灰度和对比度都要一样,对正位置而且没有偏移或扭转。

BGA组装工艺的能力

在下面的讨论中使用一种BGA元件作为示例。这类BGA元件是带有520个引脚的PBGA(塑料球栅阵列),尺寸为2×2平方英寸,使用共晶焊锡球并充分发挥免清洗助焊剂的作用。通过执行六西格玛工艺能力分析来证明BGA贴装的精确度、焊点开路和短路的发生概率。在计算之前的假设包括:

•    在BGA元件的焊盘上或PCB焊盘上没有变化

•    BGA元件在回流焊工艺中没有出现变形

•    在回流焊后,根据焊点的平均体积确定平均偏差

•    假设BGA元件的重量根据浮力和表面张力达到平衡

•    焊盘和共晶焊锡球应具有良好的可焊性

•    所有分布都是正常的

1. BGA的贴装

用标准的SMT设备来贴装BGA元件。普通的贴装设备能够识别BGA共晶焊锡球的图像,贴装工艺能力如图2所示。

根据以上数据,当工艺能力达到六西格玛时,最大贴装偏差为6.53密尔。由于焊盘直径是28密尔,在焊膏熔化时,由表面张力造成的元件自动对正误差基本上可以忽略不计。当我们把这个问题放到BGA元件贴装工艺中,它就必须符合六西格玛水平的要求。

2. 有开路的焊点

组装工艺更容易出现因共熔焊锡球塌陷不充分而造成焊点开裂。就带有520个引脚的PBGA而言,共熔焊锡球是直径为30密尔的球,(按照实际用到的焊锡体积来计算),其标准偏差是5003密尔,而规范要求的焊锡体积应为141303密尔。BGA和PCB焊盘的直径是28密尔,其焊膏厚度是6密尔。因此,BGA焊锡球边缘的平均高度约为24密尔。六西格玛能力反映的是焊锡球体积的变化(图3)。

在回流焊后,由焊点平均体积决定的焊接连接支撑高度是19密尔。当工艺能力设置为六西格玛时,测量到的焊膏厚度是4到8密尔。此外,BGA焊锡球塌陷到焊膏中达3密尔,由此得到下列计算出的数据:

•    在焊锡球下面的焊膏最小厚度= 3密尔

•    最小塌陷= 7密尔

•    最小合并塌陷= 10密尔

•    防止出现开路的最小安全偏差= 2.2密尔

只要把上述变化控制在限定范围内,BGA回流焊接工艺就可以达到六西格玛的要求。

遗憾的是,在BGA回流焊组装的过程中,在BGA元件和PCB上的变形往往会造成焊接连接高度不一致。BGA元件和PCB焊盘的特点不同会导致工艺出现变化。总而言之,即使考虑到所有的变化,还是会出现焊点开路的情况。因此,可以用X射线检查系统对焊点开路进行缺陷检查。

3. 焊点桥接(短路)

可以用同样的方法来评估焊点短路对组装工艺能力的影响。每个焊点的直径不一样,同时,测量的数据表明,在六西格玛工艺能力下,每个焊点的焊膏连接体积的变化范围从12800密耳到192503密耳。因此,最小的焊接连接的支撑高度是15密尔,最大焊接连接直径可达38.5密尔。在组装50密尔间距的BGA元件时,很少会出现焊点短路。

工艺控制统计分析

有效的BGA组装工艺控制可以减少焊点连接的变化。不过,在实际的组装工艺中,下列变化通常会造成组装工艺出现波动,需要进行持续不断的监控:

•    焊膏的高度和体积

•    BGA元件连接面的直径

•    PCB焊盘连接面的直径

•    焊锡连接中心粘接的直径

•    空洞的尺寸和发生率

•    焊锡球

通过X射线检查设备可以监测焊膏的厚度,并可以根据焊点的形状和一致性在某种程度上控制工艺的变化。

作者简介:Dora Yang是PCBCart公司的技术工程师,PCBCart公司是一家总部设在中国的PCB组装服务供应商,提供全套PCB组装服务。任何与PCB设计、制造或组装有关的问题,请通过Twitter @dorayang0227与Dora的联系,或直接访问网址:www.pcbcart.com

图1

图2

图3


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