Montaż BGA

Czym jest montaż BGA?

BGA (Ball Grid Array) to obudowa układu scalonego zaprojektowana dla obwodów o dużej gęstości. Jej główną cechą jest siatkowaty wzór z mikroskopijnych kulek lutowniczych ułożonych na dolnej części obudowy. Te kulki lutownicze zastępują wyprowadzenia tradycyjnych obudów, stanowiąc pomost elektryczny między układem a płytką drukowaną (PCB), odpowiedzialny za przesyłanie sygnałów i zasilanie, a także pełniąc kluczową rolę w połączeniu mechanicznym. W porównaniu do obudów z wyprowadzeniami lub tradycyjnych obudów SMT, BGA umożliwia osiągnięcie setek, a nawet tysięcy punktów połączeń w ograniczonej przestrzeni. Dlatego są one szeroko stosowane w wysokoprzepustowych procesorach, modułach pamięci i innych zastosowaniach wymagających bardzo dużej szybkości, mocy, odprowadzania ciepła oraz właściwości elektrycznych.

Montaż BGA polega na precyzyjnym mocowaniu tych układów BGA z kulami lutowniczymi na dolnej stronie do płytki drukowanej (PCB) za pomocą zautomatyzowanego procesu lutowania. Ponieważ kule lutownicze bezpośrednio łączą się z odpowiednimi polami na PCB, konstrukcja z giętymi pinami zostaje wyeliminowana. Pozwala to skrócić ścieżkę sygnału i zmniejszyć zakłócenia, a także obniżyć opór termiczny oraz poprawić skuteczność odprowadzania ciepła dzięki kompaktowej konstrukcji.

W przeciwieństwie do tradycyjnych obudów SMD, montaż BGA w całości polega na zastosowaniu sprzętu zautomatyzowanego, takiego jak precyzyjne maszyny do montażu i piece do lutowania wtórnego. Od naniesienia pasty lutowniczej po ostateczną kontrolę wymagana jest ścisła kontrola dokładności. Jest to konieczne do obsługi połączeń o dużej gęstości i kluczowe dla zapewnienia wysokiej niezawodności. W rezultacie montaż BGA wykazuje przewagę nad tradycyjnymi technikami pakowania w urządzeniach elektronicznych wymagających szybkiego przetwarzania i wysokiego wyjścia mocy.

Główne zalety montażu BGA

Zespoły kablowe o różnych strukturach są odpowiednie do różnych zastosowań ze względu na swoje różnorodne właściwości:

• Kable taśmowe: Składają się z wielu równoległych przewodników, przypominających równo ułożony wiązkę przewodów. Ich zaletami są oszczędność miejsca i uproszczenie okablowania. Są często stosowane w zastosowaniach, gdzie przestrzeń jest ograniczona, na przykład wewnątrz komputerów, oraz tam, gdzie konieczne jest przesyłanie wielu linii równolegle.
  
• Kable koncentryczne: Te kable mają przewodnik centralny jako swoje centrum, otoczony warstwą izolacji, warstwą ekranującą i powłoką, tworząc strukturę przypominającą „koncentryczne okręgi”. Projekt ten zapewnia doskonałą transmisję sygnałów o wysokiej częstotliwości i odporność na zakłócenia, dzięki czemu są one szeroko stosowane w sieciach telekomunikacyjnych, urządzeniach radiofrezowych i innych dziedzinach.
  
• Kable wielożyłowe: Kable te zawierają wiele zestawów niezależnie izolowanych przewodników, zdolnych do jednoczesnego przesyłania wielu sygnałów. Są stosowane w zastosowaniach ranging od transmisji audio w systemach dźwiękowych po wielokanałowy przekaz sygnałów w systemach sterowania przemysłowego.
  
• Złożone wiązki przewodów: Kable te składają się z kombinacji różnych kabli, złącz i elementów mocujących, w wyniku czego powstaje wyrafinowana struktura. Nadają się do zastosowań takich jak motoryzacja i lotnictwo, gdzie wymagana jest duża liczba połączeń elektrycznych i mogą utrzymywać wysoką niezawodność w trudnych warunkach środowiskowych.

Etapy procesu montażu BGA

1. Projektowanie płytek drukowanych i przygotowanie pasty lutowniczej

Najpierw projektuje się odpowiednie pola lutownicze w obszarze lutowia BGA na PCB. Następnie pasta lutownicza składająca się z cyny i topnika jest równomiernie nanoszona na pola lutownicze przy użyciu szablonu. Ilość użytej pasty lutowniczej bezpośrednio wpływa na jakość połączeń lutowniczych i musi być ściśle kontrolowana.

2. Precyzyjne umieszczanie

Maszyna do automatycznego montażu wysokiej prędkości wykorzystuje kamerę o wysokiej rozdzielczości do identyfikowania znaczników pozycjonujących na układzie i PCB. Po podniesieniu układu BGA, jest on dokładnie umieszczany na naniesionej wcześniej pasty lutowniczej, zapewniając idealne dopasowanie każdego z worków lutowniczych do odpowiedniego pola. Ten krok jest powszechnie znany jako „Pick-and-Place”.

3. Lutowanie w piecu reflokowym

Montowana płyta PCB jest wprowadzana do pieca reflokowego. W miarę wzrostu temperatury, pasta lutownicza stopniowo się topi i łączy z workami lutowniczymi znajdującymi się na dolnej części BGA. Po ostygnięciu powstaje trwałe połączenie lutowane, które zapewnia pełną ciągłość elektryczną i połączenie mechaniczne.

4. Badanie i testowanie

Ponieważ połączenia lutowane BGA są ukryte na dolnej stronie układu i nie mogą być bezpośrednio obserwowane, konieczne jest ich sprawdzenie przy użyciu urządzeń rentgenowskich w celu wykrycia zwarcia, pustych wnęk oraz zimnych lutów. Dodatkowo wykonuje się testy parametrów elektrycznych, aby zagwarantować niezawodność połączeń.

Jak zagwarantować niezawodność lutowania BGA?

Montaż BGA wymaga ekstremalnie wysokiej precyzji procesu, co wymaga ścisłej kontroli na wielu etapach:

• Projektowanie PCB: Wymiary pól lutowniczych, ich rozmieszczenie i ścieżki muszą odpowiadać specyfikacji BGA. Należy również uwzględnić odprowadzanie ciepła, aby uniknąć dużych lokalnych różnic temperatur.
  
• Krem lutowniczy i sitko: Należy dobrać odpowiedni typ kremu lutowniczego oraz zapewnić wysoką precyzję otworów w sitku, aby zagwarantować równomierne nanoszenie kremu lutowniczego i uniknąć zwarcia spowodowanego nadmiarem materiału lub zimnych złączy lutowniczych spowodowanych jego niedoborem.
  
• Profil lutowania: Parametry precyzyjnego ogrzewania, wygrzewania i chłodzenia należy ustawić zgodnie z charakterystyką kremu lutowniczego oraz odpornością termiczną układu, aby zapobiec wadom złączy lutowniczych spowodowanym nieodpowiednią temperaturą.
  
• Metody inspekcji: Wykorzystuje się sprzęt rentgenowski do identyfikacji ukrytych problemów z złączami lutowniczymi, a w razie potrzeby stosuje się metody takie jak analiza przekroju, aby zweryfikować wytrzymałość złączy lutowniczych.
  
• Kontrola środowiska: Halę montażową musi charakteryzować czystość oraz stała temperatura i wilgotność, aby zapobiec wpływowi kurzu i wilgoci na jakość pasty lutowniczej i procesu lutowania.
  
• Profesjonalni dostawcy: Doświadczeni producenci mogą zmniejszyć ryzyko montażu dzięki znormalizowanym procesom i optymalizacji technologii.
  

Metody kontroli jakości złączy lutowniczych

• Inspekcja wizualna: Stosowana wyłącznie do małych, widocznych złączy lutowniczych na krawędziach. Pozwala wykryć oczywiste problemy, takie jak brak złączy lub ich deformacja, jednak nie obejmuje obszarów centralnych.
  
• Inspekcja rentgenowska: Jest to podstawowa metoda kontroli złączy lutowniczych BGA. Promienie X przenikają przez chip, umożliwiając wyraźne zobrazowanie znajdujących się pod nim złączy lutowniczych. Pozwala dokładnie zidentyfikować ukryte wady, takie jak zwarcia, puste przestrzenie i zimne luty, zapewniając zgodność wszystkich złączy z normami.

PCBally's Professional BGA Assembly Services

Montaż BGA to proces techniczny w produkcji elektronicznej, który wymaga bardzo dużej precyzji i doświadczenia, a także skrupulatnej uwagi na każdym etapie – od wydajności sprzętu po szczegóły procesu. Jako profesjonalny dostawca usług, PCBally oferuje kompleksową obsługę, obejmującą ocenę inżynieryjną, zakup komponentów, produkcję szablonów, montaż SMT, kontrolę lutowania oraz testowanie gotowych produktów. Niezależnie, czy mamy do czynienia ze złożonym BGA o dużej liczbie wyprowadzeń, czy sytuacją wymagającą specjalnych rozwiązań pod względem odprowadzania ciepła lub transmisji sygnału, ustandaryzowane procesy i dostosowane do potrzeb eksperckość PCBally gwarantują, że każdy chip tworzy stabilne, niezawodne i trwałe połączenie z płytką PCB, tworząc solidne podstawy dla wysokiej wydajności urządzeń elektronicznych.