نظرة عامة على BGA
BGA هو نوع من حزم الشرائح، وهو اختصار لعبارة Ball Grid Array (مصفوفة شبكة كراتية). دبابيس الحزمة عبارة عن مصفوفات شبكة كراتية في أسفلها، وهي كروية الشكل ومرتبة على شكل شبكة، ومن هنا جاء اسم BGA.
تستخدم العديد من شرائح التحكم في اللوحات الأم هذا النوع من تقنية التغليف، ومعظم موادها من السيراميك. يمكن للذاكرة المُغلّفة بتقنية BGA زيادة سعتها بمقدار مرتين أو ثلاث مرات دون تغيير حجمها. مقارنةً بتقنية TSOP، تتميز BGA بحجم أصغر، وتبديد حرارة أفضل، وأداء كهربائي أفضل.
تصميم توجيه لوحة حزمة BGA
1. التوجيه بين منصات BGA
أثناء التصميم، تكون المسافة بين وسادات BGA أقل من 10 مل، ولا يُسمح بالتوجيه بين وساداتي BGA، لأن المسافة بين خطوط التوجيه تتجاوز قدرة عملية الإنتاج. في حال إجراء التوجيه، لا يمكن سوى تقليل وسادات BGA. عند إعداد مسودة الإنتاج، سيؤدي التأكد من وجود مسافة كافية إلى قطع وسادات BGA. تُقطع الوسادة بشكل خاص، مما قد يؤدي إلى وضع لحام غير دقيق في عمليات اللحام اللاحقة.
2. ملء الفتحة الموجودة في الوسادة بسدادة الراتنج
عندما تكون المسافة بين وسادات غلاف BGA صغيرة، ويتعذر تمرير السلك، يلزم تصميم فتحة في الوسادة، أي ثقبها وتمرير السلك من الطبقة الداخلية أو السفلية. في هذه الحالة، يجب ملء فتحة الوسادة بسدادة راتنجية وطلاء كهربائي. إذا لم تُطبق عملية سد الراتنج في فتحة الوسادة، فسيؤدي ذلك إلى ضعف اللحام، نظرًا لوجود ثقب في منتصف الوسادة وصغر مساحة اللحام، مما يؤدي إلى تسرب القصدير منها.
3. منطقة BGA عبر التوصيل
عادةً ما يلزم سد فتحات الثقوب في منطقة لوحة BGA. بالنسبة للعينة، ونظرًا للتكلفة وصعوبة الإنتاج، تُغطى الفتحات الأساسية بالزيت. طريقة السد هي سد الحبر. تكمن ميزة السد في منع دخول الأجسام الغريبة إلى الفتحة أو إطالة عمر الفتحة. بالإضافة إلى ذلك، عند إعادة تدفق رقعة SMT، سيتسبب قصدير الفتحة في حدوث ماس كهربائي على الجانب الآخر.
4. عبر في الوسادة، تصميم HDI
بالنسبة لشرائح BGA ذات المسافات الصغيرة نسبيًا بين الدبابيس، عندما يتعذر توجيه لوحة الدبابيس بسبب العملية، يُنصح بتصميم فتحة فيها مباشرةً. على سبيل المثال، شريحة BGA في لوحة الهاتف المحمول صغيرة نسبيًا، وتحتوي على العديد من الدبابيس والمسافات الصغيرة بينها، لذا يستحيل توجيه الأسلاك من منتصفها. لا يمكن تصميم لوحة الدوائر المطبوعة إلا باستخدام طريقة HDI لتوصيل الأسلاك ذات الفتحة العمياء المدفونة. تُثقب لوحة BGA بثقب في اللوحة، وتُثقب الطبقة الداخلية بثقب مدفون، ثم تُوصل الطبقة الداخلية بالأسلاك.
جودة عملية لحام BGA
1. طباعة معجون اللحام
الغرض من طباعة معجون اللحام هو توزيع كمية مناسبة من معجون اللحام بالتساوي على وسادات لوحة الدوائر المطبوعة لضمان لحام مكونات الرقعة والوسادات المقابلة لها بطريقة إعادة التدفق، مما يحقق توصيلًا كهربائيًا جيدًا ومتانة ميكانيكية كافية. لطباعة معجون اللحام، نحتاج إلى صنع شبكة فولاذية. يمر معجون اللحام عبر الفتحات المقابلة لكل وسادة على الشبكة الفولاذية، ويُغطى كل وسادة بالقصدير بالتساوي تحت تأثير الكاشطة لتحقيق لحام جيد.
2. وضع الجهاز
تركيب الأجهزة هو عملية ترقيع، أي استخدام آلة تركيب لوضع مكونات الشريحة بدقة على الموضع المقابل لسطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) المطبوع باستخدام معجون اللحام أو غراء الترقيع. تُعد آلات التركيب عالية السرعة مناسبة لتركيب المكونات الصغيرة والكبيرة، مثل المكثفات والمقاومات، وغيرها، كما يمكنها تركيب بعض مكونات الدوائر المتكاملة (IC). أما آلات التركيب متعددة الأغراض، فهي مناسبة لتركيب المكونات غير المتجانسة أو عالية الدقة، مثل QFP وBGA وSOT وSOP. PLCج، الخ.
3. لحام إعادة التدفق
لحام إعادة الانصهار هو إذابة معجون اللحام على لوحة الدوائر المطبوعة لتحقيق اتصال ميكانيكي وكهربائي بين طرف لحام المكون المثبت على السطح ولوحة PCB لتشكيل دائرة كهربائية. يُعد لحام إعادة الانصهار عملية أساسية في إنتاج SMT. يُعد ضبط منحنى درجة الحرارة المناسب مفتاح ضمان جودة لحام إعادة الانصهار. سيؤدي منحنى درجة الحرارة غير المناسب إلى عيوب لحام، مثل اللحام غير المكتمل، واللحام البارد، وتشوه المكونات، وكرات اللحام الزائدة، وما إلى ذلك، على لوحة PCB، مما يؤثر على جودة المنتج.
4. فحص الأشعة السينية
يمكن للأشعة السينية فحص جميع عيوب العمليات تقريبًا. من خلال خصائصها المنظورية، يمكن فحص شكل وصلة اللحام ومقارنتها بالشكل القياسي في مكتبة الحاسوب لتقييم جودتها. يُعد هذا مفيدًا بشكل خاص لفحص وصلة اللحام لمكونات BGA وDCA. لا غنى عن دور فحص الأشعة السينية، إذ لا يتطلب قوالب اختبار. ومع ذلك، فإن عيبه هو ارتفاع تكلفته حاليًا.
أسباب ضعف لحام BGA
1. فتحات لوحة BGA غير المعالجة
توجد ثقوب في منصات لحام BGA. أثناء عملية اللحام، قد تضيع كرات اللحام مع اللحام نفسه. ونظرًا لعدم اتباع عملية لحام مقاومة مناسبة في إنتاج لوحات الدوائر المطبوعة، قد يتسرب اللحام وكرات اللحام عبر الثقوب القريبة من لوحة اللحام، مما يؤدي إلى فقدان كرات اللحام.
2. أحجام مختلفة من الفوط
يؤثر اختلاف أحجام وسادات لحام BGA على جودة عملية اللحام. يجب ألا يتجاوز سلك التوصيل الخارجي لوسادة BGA 50% من قطر الوسادة، وألا يقل سلك التوصيل الخارجي لوسادة الطاقة عن 0.1 مم. كما يجب زيادة سُمكه لمنع تشوه وسادة اللحام. بالإضافة إلى ذلك، يجب ألا يزيد عرض نافذة حجب اللحام عن 0.05 مم، ويجب أن يتناسب حجم الفتحة على سطح النحاس مع حجم وسادة الدائرة. وإلا، فسيتم تصنيع وسادات BGA بأحجام مختلفة، مما قد يُسبب مشاكل أثناء عملية اللحام.
خدمات WonderfulPCB DFM حول حلول لحام شريحة BGA
1. فتحة الوسادة داخل الوسادة المُعبأة
يكشف تحليل خدمات DFM من WonderfulPCB بنقرة واحدة عن وجود ثقب في ملف التصميم، ويُنبه مهندس التصميم إلى ضرورة تعديله. غالبًا ما يتم تجنب تصميم ثقوب البطانة نظرًا لارتفاع تكلفة التصنيع. إذا أمكن استبدال ثقب البطانة بثقب عادي، يمكن خفض تكلفة المنتج. بالإضافة إلى ذلك، يُنبه النظام مصنع ألواح التصنيع إلى ضرورة ملء تصميم ثقب البطانة بالراتنج، وضرورة استخدام عملية إنتاج الثقوب.
2. نسبة الوسادة إلى الدبوس
يكشف تحليل التجميع الذي أجرته خدمات WonderfulPCB DFM عن نسبة حجم وسادة BGA في ملف التصميم مقارنةً بدبوس الجهاز الفعلي. إذا كان قطر الوسادة أقل من 20% من قطر دبوس BGA، فقد يؤدي ذلك إلى ضعف اللحام. أما إذا كان أكبر من 25%، فإن مساحة الأسلاك تصبح ضيقة جدًا. في هذه الحالات، يحتاج مهندس التصميم إلى تعديل نسبة قطر الوسادة إلى قطر دبوس BGA.
تقدم خدمات WonderfulPCB DFM حلولاً لحام لوحات BGA، مما يساعد المستخدمين على مراجعة قابلية لحام ملفات تصميم BGA قبل الإنتاج. هذا يساعد على تجنب مشاكل اللحام أثناء التجميع، ويضمن استيفاء شرائح BGA لمعايير جودة اللحام والإنتاجية.
جودة عملية لحام BGA
1. طباعة معجون اللحام
الغرض من طباعة معجون اللحام هو توزيع كمية مناسبة من معجون اللحام بالتساوي على وسادات لوحة الدوائر المطبوعة لضمان لحام مكونات الرقعة والوسادات المقابلة لها بطريقة إعادة التدفق، مما يضمن توصيلًا كهربائيًا جيدًا ومتانة ميكانيكية كافية. لطباعة معجون اللحام، تُستخدم شبكة فولاذية. يمر معجون اللحام عبر الفتحات المقابلة لكل وسادة على الشبكة الفولاذية، ويُغطى كل وسادة بالقصدير بالتساوي تحت تأثير الكاشطة لتحقيق لحام جيد.
2. وضع الجهاز
تركيب الأجهزة هو عملية ترقيع، تتضمن استخدام آلة تركيب لوضع مكونات الشريحة بدقة على الموضع المقابل من سطح لوحة الدوائر المطبوعة، والذي يُطبع باستخدام معجون اللحام أو غراء الترقيع. تُعد آلات التركيب عالية السرعة مناسبة لتركيب المكونات الصغيرة والكبيرة، مثل المكثفات والمقاومات وبعض مكونات الدوائر المتكاملة (IC). أما آلات التركيب متعددة الأغراض، فهي مناسبة لتركيب المكونات غير المتجانسة أو عالية الدقة، مثل QFP وBGA وSOT وSOP. PLCج، الخ.
