BGA-Übersicht
BGA ist eine Chipgehäuseart und steht für Ball Grid Array (englisch für Ball Grid Array). Die Gehäusestifte befinden sich in Form von Ball Grid Arrays an der Gehäuseunterseite. Die Stifte sind kugelförmig und gitterförmig angeordnet, daher der Name BGA.
Viele Motherboard-Steuerchips verwenden diese Art der Gehäusetechnologie, und die Materialien bestehen meist aus Keramik. Mit BGA-Technologie verpackter Speicher kann die Speicherkapazität um das Zwei- bis Dreifache erhöhen, ohne das Volumen zu verändern. Im Vergleich zu TSOP bietet BGA ein geringeres Volumen, eine bessere Wärmeableitung und eine bessere elektrische Leistung.
BGA-Paket-Pad-Routing-Design
1. Routing zwischen BGA-Pads
Während des Designs beträgt der Abstand der BGA-Pads weniger als 10 mil. Ein Routing zwischen zwei BGAs ist nicht zulässig, da der Linienbreitenabstand des Routings die Produktionskapazität übersteigt. Beim Routing kann das BGA-Pad nur verkleinert werden. Bei der Erstellung des Produktionsentwurfs wird durch Sicherstellung eines ausreichenden Abstands das BGA-Pad zugeschnitten. Das Pad wird in eine spezielle Form geschnitten, was beim nachfolgenden Schweißen zu ungenauen Schweißpositionen führen kann.
2. Füllen der Durchkontaktierung im Pad mit Harzstopfen
Wenn der Pad-Abstand des BGA-Gehäuses klein ist und die Verlegung des Drahtes nicht möglich ist, muss eine Durchkontaktierung im Pad vorgesehen werden. Das heißt, das Loch wird in das Pad gestanzt und der Draht wird von der Innen- oder Unterseite verlegt. Zu diesem Zeitpunkt muss die Durchkontaktierung im Pad mit Harz gefüllt und galvanisiert werden. Wenn die Durchkontaktierung im Pad nicht mit Harz gefüllt wird, führt dies zu schlechten Schweißergebnissen, da sich in der Mitte des Pads ein Loch befindet und der Schweißbereich klein ist. Aus diesem Loch tritt Zinn aus.
3. BGA-Bereich über Plugging
Die Vias im BGA-Pad-Bereich müssen in der Regel verschlossen werden. Aus Kosten- und Produktionsgründen werden die Vias im Beispiel mit Öl abgedeckt. Die Verschlussmethode ist Tintenverschluss. Der Vorteil des Verschlusses besteht darin, das Eindringen von Fremdkörpern in die Bohrung zu verhindern und die Lebensdauer des Vias zu verlängern. Beim Reflow-Löten des SMT-Patches verursacht das Via-Zinn zudem einen Kurzschluss auf der anderen Seite.
4. Via im Pad, HDI-Design
Bei BGA-Chips mit relativ kleinem Pin-Abstand empfiehlt es sich, direkt im Pad eine Durchkontaktierung zu entwerfen, wenn das Pin-Pad prozessbedingt nicht geroutet werden kann. Beispielsweise ist der BGA-Chip einer Handyplatine relativ klein, weist viele Pins und einen geringen Pin-Abstand auf, sodass es nicht möglich ist, die Drähte von der Mitte der Pins aus zu verlegen. Für die Leiterplattenkonstruktion kann nur die HDI-Blind-Burried-Hole-Verdrahtungsmethode verwendet werden. Das BGA-Pad wird mit einem Loch in die Platte gestanzt, die innere Schicht wird mit einem vergrabenen Loch gestanzt und die innere Schicht wird verdrahtet und verbunden.
Qualität des BGA-Schweißprozesses
1. Lötpaste drucken
Der Zweck des Lötpastendrucks besteht darin, eine angemessene Menge Lötpaste gleichmäßig auf die Pads der Leiterplatte aufzutragen, um sicherzustellen, dass die Patch-Komponenten und die entsprechenden Pads der Leiterplatte durch Reflow-Löten eine gute elektrische Verbindung und ausreichende mechanische Festigkeit erreichen. Zum Drucken der Lötpaste wird ein Stahlgitter hergestellt. Die Lötpaste gelangt durch die entsprechenden Öffnungen jedes Pads auf dem Stahlgitter, und die Zinnschicht wird durch den Schaber gleichmäßig auf jedes Pad aufgetragen, um eine gute Schweißverbindung zu erzielen.
2. Geräteplatzierung
Bei der Geräteplatzierung handelt es sich um Patching. Dabei werden Chipkomponenten mithilfe einer Bestückungsmaschine präzise auf der entsprechenden Position der mit Lötpaste oder Patchkleber bedruckten Leiterplattenoberfläche platziert. Hochgeschwindigkeits-Bestückungsmaschinen eignen sich für die Bestückung kleiner und großer Bauteile wie Kondensatoren, Widerstände usw. und können auch einige IC-Komponenten bestücken. Allzweck-Bestückungsmaschinen eignen sich für die Bestückung heterogener oder hochpräziser Bauteile wie QFP, BGA, SOT, SOP, PLCC usw.
3. Reflow-Löten
Beim Reflow-Löten wird die Lötpaste auf dem Leiterplatten-Pad geschmolzen, um eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Lötende des oberflächenmontierten Bauteils und dem Leiterplatten-Pad herzustellen und so einen Stromkreis zu bilden. Reflow-Löten ist ein Schlüsselprozess in der SMT-Produktion. Eine angemessene Temperaturkurveneinstellung ist entscheidend für die Qualität des Reflow-Lötens. Eine ungeeignete Temperaturkurve führt zu Schweißfehlern wie unvollständigem Löten, Kaltlöten, Bauteilverzug, übermäßiger Lotkugelbildung usw. auf der Leiterplatte und beeinträchtigt die Produktqualität.
4. Röntgeninspektion
Röntgenstrahlen können nahezu alle Prozessfehler erkennen. Durch die perspektivischen Eigenschaften von Röntgenstrahlen kann die Form der Lötstelle geprüft und mit der Standardform in der Computerbibliothek verglichen werden, um die Qualität der Lötstelle zu beurteilen. Dies ist insbesondere für die Lötstellenprüfung von BGA- und DCA-Bauteilen nützlich. Die Röntgenprüfung ist unverzichtbar, da keine Testformen erforderlich sind. Der Nachteil ist jedoch, dass die Kosten für Röntgenprüfungen derzeit recht hoch sind.
Gründe für schlechtes BGA-Schweißen
1. Unbearbeitete BGA-Pad-Löcher
Die Pads beim BGA-Schweißen weisen Löcher auf. Während des Schweißvorgangs können die Lotkugeln zusammen mit dem Lot verloren gehen. Da bei der Leiterplattenherstellung kein geeignetes Widerstandsschweißverfahren eingesetzt wird, können Lot und Lotkugeln durch die Löcher in der Nähe der Schweißplatte austreten, was zum Verlust von Lotkugeln führt.
2. Verschiedene Padgrößen
Die unterschiedlichen Größen der BGA-Lötpads können die Qualität des Schweißprozesses beeinträchtigen. Der Anschlussdraht des BGA-Pads sollte 50 % des Paddurchmessers nicht überschreiten, und der Anschlussdraht des Power-Pads sollte nicht weniger als 0.1 mm dick sein. Er sollte außerdem verdickt sein, um eine Verformung des Schweißpads zu verhindern. Das Schweißblockierfenster sollte außerdem nicht größer als 0.05 mm sein, und die Öffnung auf der Kupferoberfläche sollte der Größe des Schaltungs-Pads entsprechen. Andernfalls werden die BGA-Pads in unterschiedlichen Größen hergestellt, was zu Problemen beim Schweißprozess führen kann.
wonderfulpcb DFM-Dienste Über die BGA-Chip-Schweißlösung
1. Verpacktes Pad-in-Pad-Loch
Die Ein-Klick-Analyse von wonderfulpcb DFM Services erkennt, ob die Designdatei ein Pad-in-Pad-Loch enthält, und weist den Konstrukteur darauf hin, ob das Loch angepasst werden muss. Pad-in-Pad-Löcher werden aufgrund der hohen Herstellungskosten oft vermieden. Durch die Änderung des Pad-in-Pad-Lochs in ein normales Loch lassen sich die Produktkosten senken. Zusätzlich weist das System den Leiterplattenhersteller darauf hin, dass das Pad-in-Pad-Loch mit Harz gefüllt werden muss und das Pad-in-Pad-Loch-Herstellungsverfahren angewendet werden muss.
2. Pad-zu-Pin-Verhältnis
Die Bestückungsanalyse von wonderfulpcb DFM Services ermittelt das Größenverhältnis des BGA-Pads in der Designdatei zum tatsächlichen Gerätepin. Beträgt der Pad-Durchmesser weniger als 20 % des BGA-Pins, kann dies zu schlechten Schweißergebnissen führen. Liegt er hingegen über 25 %, wird der Verdrahtungsraum zu klein. In solchen Fällen muss der Konstrukteur das Verhältnis des Pad- zum BGA-Pin-Durchmesser anpassen.
wonderfulpcb DFM Services bietet Lösungen zur Lötbarkeit von BGA-Pads und hilft Anwendern, die Lötbarkeit von BGA-Designdateien vor der Produktion zu überprüfen. Dies hilft, Lötbarkeitsprobleme bei der Montage zu vermeiden und stellt sicher, dass BGA-Chips die Lötbarkeitsqualitätsstandards erfüllen.
Qualität des BGA-Schweißprozesses
1. Lötpaste drucken
Der Zweck des Lötpastendrucks besteht darin, eine angemessene Menge Lötpaste gleichmäßig auf die Pads der Leiterplatte aufzutragen, um sicherzustellen, dass die Patch-Komponenten und die entsprechenden Pads der Leiterplatte durch Reflow-Löten eine gute elektrische Verbindung und ausreichende mechanische Festigkeit erreichen. Zum Drucken der Lötpaste wird ein Stahlgitter verwendet. Die Lötpaste gelangt durch die entsprechenden Öffnungen jedes Pads auf dem Stahlgitter, und das Zinn wird durch die Einwirkung des Schabers gleichmäßig auf jedes Pad aufgetragen, um eine gute Schweißung zu erzielen.
2. Geräteplatzierung
Die Geräteplatzierung erfolgt durch Patchen. Dabei werden Chipkomponenten mithilfe eines Bestückungsautomaten präzise auf der entsprechenden Position der mit Lötpaste oder Patchkleber bedruckten Leiterplattenoberfläche platziert. Hochgeschwindigkeits-Bestückungsautomaten eignen sich für die Bestückung kleiner und großer Bauteile wie Kondensatoren, Widerstände und einiger IC-Komponenten. Allzweck-Bestückungsautomaten eignen sich für die Bestückung heterogener oder hochpräziser Bauteile wie QFP, BGA, SOT, SOP, PLCC usw.
