BGA ЭЛЕМЕНТЫ

Основным недостатком BGA является то, что выводы не являются гибкими. Например, при тепловом расширении или вибрации некоторые выводы могут сломаться. Поэтому BGA не популярен в военной технике или авиастроении.

Отчасти эту проблему решает залитие микросхемы специальным полимерным веществом — компаундом. Он скрепляет всю поверхность микросхемы с платой. Одновременно компаунд препятствует проникновению влаги под корпус BGA-микросхемы, что особенно актуально для некоторой бытовой электроники (например, сотовых телефонов). Также осуществляется и частичное залитие корпуса, по углам микросхемы, для усиления механической прочности.

Другим недостатком является то, что после того как микросхема припаяна, очень тяжело определить дефекты пайки. Обычно применяют рентгеновские снимки или специальные микроскопы, которые были разработаны для решения данной проблемы, но они дороги. Относительно недорогим методом локализации неисправностей, возникающих при монтаже, является периферийное сканирование. Если решено, что BGA неудачно припаяна, она может быть демонтирована термовоздушным феном или с помощью инфракрасной паяльной станции; может быть заменена новой. В некоторых случаях из-за дороговизны микросхемы шарики восстанавливают с помощью паяльных паст и трафаретов; этот процесс называют ребо́ллинг, от англ. .

Если у ноутбука, например, в материнской плате центральный процессор имеет сокет такого форм-фактора, то в случае апгрейда или неисправности его замена без специального оборудования невозможна, так как в этом случае нужно выпаивать старый процессор и запаивать новый, не повредив плату, не задев и не перегрев установленные рядом элементы. По этой же причине затруднена замена вышедших из строя микросхем чипсета, которые практически всегда реализуются в BGA.

Другие проблемы с надёжностью

После изготовления кристалла с ядрами и дополнительными схемами (например, кэшем), для применения в конечном изделии кристалл процессора разваривается в корпус с целью защиты его от внешних воздействий. Тип корпуса выбирается в зависимости от назначения системы, в которой будет работать процессор. Ранее существовали универсальные сокеты для процессоров любого производителя.

Процессор в корпусе CDIP-40

Процессор в корпусе PDIP-40

DIP (dual inline package) — корпус с двумя рядами выводов для пайки в отверстия в печатной плате. Представляет собой прямоугольный корпус с расположенными на длинных сторонах выводами. В зависимости от материала корпуса выделяют два варианта исполнения:

Некоторые процессоры, выполненные в корпусе DIP:

Процессор в корпусе TQFP-304

QFP (quad flat package) — плоский корпус с четырьмя рядами выводов для поверхностного монтажа. Представляет собой квадратный/прямоугольный корпус с расположенными на торцах выводами. В зависимости от материала корпуса выделяют два варианта исполнения:

Существуют также другие варианты: TQFP (Thin QFP) — с малой высотой корпуса, LQFP (Low-profile QFP) и многие другие.

Некоторые процессоры, выполненные в корпусе QFP:

Некоторые процессоры, выполненные в корпусе LCC:

Процессор в корпусе PLCC-68

PLCC (plastic leaded chip carrier) и СLCC (ceramic leaded chip carrier) представляют собой квадратный корпус с расположенными по краям выводами.

Некоторые процессоры, выполненные в корпусе PLCC:

Аббревиатура LCC используется для обозначения термина leadless chip carrier, поэтому для того, чтобы избежать путаницы, в данном случае необходимо называть аббревиатуры PLCC и CLCC полностью, без сокращений.

Процессор в корпусе CPGA

Процессор в корпусе FCPGA

Процессор в корпусе FCPGA2

PGA (pin grid array) — корпус с матрицей выводов. Представляет собой квадратный или прямоугольный корпус с расположенными в нижней части штыревыми выводами. В

В зависимости от материала корпуса выделяют три варианта исполнения:

Существуют следующие модификации корпуса PGA:

Для обозначения корпусов с выводами, расположенными в шахматном порядке, иногда используется аббревиатура SPGA (Staggered PGA).

Некоторые процессоры, выполненные в корпусе PGA:

На данный момент в десктопных материнских платах использует компания AMD.

Процессор в корпусе FCLGA4

LGA (land grid array) — представляет собой видоизменённый корпус PGA, в котором штыревые выводы заменены на выводы в виде контактных площадок. Может устанавливаться в специальное гнездо, имеющее пружинные контакты, либо устанавливаться на печатную плату. На данный момент в десктопных материнских платах в основном использует компания Intel, а AMD использует его для своих высокопроизводительных десктопных Threadripper и серверных EPYC. В зависимости от материала корпуса выделяют три варианта исполнения:

Существует компактный вариант корпуса OLGA с теплораспределителем, имеющий обозначение FCLGA4.

Некоторые процессоры, выполненные в корпусе LGA:

BGA (ball grid array) — представляет собой корпус PGA, в котором штыревые выводы заменены на выводы в виде шариков припоя. Предназначен для поверхностного монтажа.
Чаще всего используется в мобильных процессорах, чипсетах и современных графических процессорах.

Существуют следующие варианты корпуса BGA:

Некоторые процессоры, выполненные в корпусе BGA:

Процессор в корпусе SECC

Процессор в корпусе SECC2

Процессор Itanium 2 в корпусе PAC

Процессорные модули представляют собой унифицированный по размерам печатный узел с расположенными в нём процессором и вспомогательными элементами (обычно кеш-память), устанавливаемый в слот.

Существует несколько видов процессорных модулей:

Некоторые процессоры, выполненные в модульном исполнении:

BGA — это решение проблемы производства миниатюрного корпуса ИС с большим количеством выводов. Массивы выводов при использовании поверхностного монтажа «две линии по бокам» (SOIC) производятся всё с меньшим и меньшим расстоянием и шириной выводов для уменьшения места, занимаемого выводами, но это вызывает определённые сложности при монтаже данных компонентов. Выводы располагаются слишком близко, и растёт процент брака по причине спаивания припоем соседних контактов. B GA не имеет такой проблемы — припой наносится на заводе в нужном количестве и месте. Хотя хочется добавить, что даже выборочная проверка изделий рентгеном не даёт 100% гарантии качества пайки BGA, непропай может себя проявить при деформациях или перепадах температур в виде сложного плавающего дефекта. Также важно устанавливать чипы BGA на жесткий, относительно толстый текстолит, чтобы избежать провисаний, изгибов и вибраций, например как это бывает у видеокарт, когда отваливается BGA-процессор или память, отрываются пятаки от платы.

Что нужно для пайки BGA

Паяльная станция (фен и паяльник), припой (bga паста или шары), пинцет, изопропиловый спирт (или бензин калоша), оплетка для снятия припоя, термоскотч и трафареты. Еще понадобится нижний подогрев и инструменты для удаления компаунда с платы (химикаты, острые пинцеты и лезвия).

Какие бывают трафареты

Трафареты бывают очень разные.

Есть универсальные, у которых нет «рисунка» и ими можно накатывать разные микросхемы.

На фотографии сверху расположен трафарет для процессора iPhone. Он универсален, и отлично подойдет для MTK процессоров.

Универсальные трафареты подходят только в том случае, если шаг и диаметр шариков совпадает и нет хаотичного расположения. То есть, контакты должны быть прямолинейными, но если контакты находятся чуть-чуть не по прямой линии, то тут такие трафареты не особо помогут. Специализированные же имеют рисунок, и ими легче наносить шарики.

Однако не всегда в наличии есть нужный трафарет и его отдельно приходится заказывать. Так же есть и 3D трафареты, которые очень удобно крепятся. Есть как одиночные трафареты, так и на одном листе все сразу.

Еще к трафаретам предъявляются высокие требования качества. Они не должны быть гнутыми, мятыми, иметь большие царапины, резко гнуться от небольшого нагрева. Также имеет значение качество отверстий. Они должны быть строго по рисунку BGA, одинаковых размеров и без перекосов.

Припой

Есть два основных типа припоя для накатки шаров.

Паяльная паста

Паяльная паста — это тоже самое, что и обычный припой с флюсом. Только она имеет пастообразную форму.

В этой пасте содержится флюс и микроскопические шарики из припоя.
Преимущества пасты:

Из популярных — можно использовать пасту от производителя Mechanic. Самые ходовые и популярные — это XG30 и XG50. Продается в небольших баночках (есть разные размеры) и шприцах.

Температура плавления от 180 ℃. Хранится при температура от 0 ℃ до +10℃. Кстати, шарики в этой пасте начинаются с диаметром от 25 микрон (а в некоторых баночках и от 20). Такой диаметр шариков в домашних условиях трудно сделать, поэтому самодельные пасты уступают заводским.

Готовые шарики

Готовые шарики продаются разных диаметров. Бывают как 0,15 мм, так и 1 мм.

Преимущества готовых шаров:

Недостатки готовых шаров:

Выбор зависит в целом от потребностей и навыков. Кому-то проще будет с пастой. А при ремонте ПК, пасты будет мало, поэтому шары будут экономичнее. Все зависит от ситуации.

Какой паяльный флюс выбрать для BGA

Лучше всего подойдет пастообразный или гелевый флюс. Не пытайтесь паять жидкой канифолью или жиром. Канифоль и жир слабо распределяют температуру по шарикам, и еще начинают кипеть при нагреве. А это большой риск, поскольку микросхема может подскочить из-за большого парообразования. И в таком случае шарики слипнуться.

К тому же, спирто-канифоль будет негативно влиять на контакты под микросхемой.

Из бюджетных вариантов подойдет RMA 223 или его высококачественные клоны. Не покупайте дешевые подделки, которые стоят меньше 4$. Они плохо смачивают припой.

Отечественный вариант флюса для BGA — Interflux (интерфлюкс) IF 8300.

Если позволяет бюджет, то можно попробовать Martin HT00.0017.

• Solid State Technology: BGA underfills — Increasing board-level solder joint reliability, 12/01/2001
• Sparkfun tutorials: Reflow skillet, July 2006
• «More than just digital quilting: The «maker» movement could change how science is taught and boost innovation. It may even herald a new industrial revolution». The Economist. Dec 3, 2011.

Реболлинг

Реболлинг — это повторное нанесение (восстановление) шариковых выводов электронных BGA-компонентов. Применяется, как правило, при проведении ремонтно-восстановительных работ, а также для повторного использования демонтированного BGA компонента на другой плате.  Сначала производится демонтаж компонента, затем непосредственно процедура реболлинга, а дальше следует монтаж компонента на печатную плату. Монтаж и демонтаж компонентов можно производить как в ручном, так и в автоматическом и полуавтоматическом режимах (с использованием BGA ProfPlacer, например). А процесс реболлинга часто проводится вручную, особенно, если речь идет о небольших ремонтных мастерских. Для реболлинга в промышленных масштабах используются автоматические установки, такие как SB2-Jet.

Восстановление шариковых выводов может проводиться двумя способами: раскладыванием шариков и путем нанесения паяльной пасты через трафарет. И в том, и другом случае при проведении операции вручную последовательность действий примерно одинаковая:

Для этого могут понадобиться следующие материалы и инструменты:

Рассмотрим пошагово процедуру реболлинга.

1. Подготовка BGA компонента

Чтобы подготовить BGA микросхемы к реболлингу, необходимо сначала удалить частично оплавленные выводы и остатков припоя с контактных площадок корпуса. Для этого на контактные площадки наносится флюс, затем при помощи горячего воздуха поверхность компонента нагревается (используется специальная насадка паяльной станции), а с помощью другой насадки – вакуумного отсоса – удаляется припой.  После удаления припоя поверхность BGA компонента очищается от остатков флюса с помощью специальной отмывочной жидкости или салфетки, смоченной в изопропиловом спирте. Также завершить процесс очистки компонента можно, смочив его деионизированной водой и просушив горячим воздухом.

Для флюсования BGA микросхем рекомендуется использовать клейкий флюс, так как он поможет в последующем прикреплении шариковых выводов. Наносить флюс можно специальной щеточкой.

3. Нанесение пасты/раскладывание новых шариков через трафарет

Для реболлинга используются специальные стальные BGA трафареты с отверстиями, выполненными с шагом 1.0, 1.27 и 1.5мм. Через эти трафареты можно наносить паяльную пасту или точно распределять шарики.

При заполнении апертур трафарета шариками, необходимо убедиться, что на каждой контактной площадке компонента установлен шариковый вывод. При нанесении пасты – что все апертуры заполнены пастой. Паяльная паста наносится на трафарет с помощью специального шпателя. Затем по поверхности трафарета проводят каучуковым ракелем, удаляя излишки пасты. Важно, чтобы трафарет при этом плотно прилегал к поверхности корпуса. Для закрепления трафарета на корпусе используются специальные механические приспособления — фиксаторы.

Далее BGA c уложенными шариками помещается в печь оплавления. При использовании пасты некоторые производители рекомендуют использовать вместо традиционной печи оплавления ремонтную станцию с подачей горячего воздуха и маленьким соплом (7х7 или 12х12 мм). Необходимо также придерживаться того профиля оплавления, который рекомендовал производитель. Для BGA-компонентов максимально допустимая температура нагрева составляет ~220–230°С.

Оплавление паяльной пасты с помощью горячего воздуха

После оплавления следует дождаться полного охлаждения компонента. Оно должно происходить при температуре окружающей среды, принудительное охлаждение не допускается.

5. Очистка, сушка

Далее BGA компонент вынимается из фиксатора.  Фиксатор очищается от остатков флюса. Для этого его вымачивают в деионизированной воде в течение ~15 мин., затем чистят специальной щеткой, ополаскивают и сушат в воздушном потоке. Для достижения наилучших результатов специалисты рекомендуют использовать установки ультразвуковой очистки.

Конструкция и материал корпуса

Микросхемы в корпусах BGA берут свое начало от PGA микросхем («Pin grid array»), которые представляют собой корпуса с матрицей штырьковых выводов. Они и сейчас используются, в основном – в персональных компьютерах.

В BGA микросхемах, как уже говорилось выше, используются шарики.

А есть еще LGA микросхемы («Land Grid Array»), в которых нет ни шариков, ни штырьков, только контактные площадки. Чаще всего LGA микросхемы используются в  компьютерной технике для процессоров.

Выбор материалов для производства BGA микросхем обусловлен, как правило, стоимостью, предъявляемыми требованиями и технологичностью пайки.

Также существуют BGA микросхемы в керамическом корпусе (СBGA). Они герметичны и практически не чувствительны к влажности. Керамика используется в основном там, где необходим большой теплоотвод или предъявляются высокие требования к качеству плоскости подложки, например, при упаковке перевернутых кристаллов. У керамических BGA шарики изготовлены из тугоплавкого припоя (90Pb/10SN). Эти шарики не оплавляются во время пайки и выполняют только роль опоры для компонента. При монтаже керамических корпусов без паяльной пасты не обойтись. Это необходимо для прочного соединения выводов в виде шариков или столбиков с контактными площадками. Для нанесения пасты используются дозаторы или специальные трафареты BGA.

Еще можно встретить микросхемы TBGA («Tape Ball Grid Array») с гибким пленочным основанием. Они также имеют шарики, но из высокотемпературного припоя (90Pb/10Sn), прикрепленные к корпусу методом частичного оплавления. Такие микросхемы обладают улучшенными тепловыми характеристиками.

Реже встречаются BGA микросхемы в корпусах из металла или металлокерамики.

Размер корпуса

По размерам корпуса BGA микросхемы можно разделить на стандартные и близкие к размеру кристалла (микроBGA). Последние – можно считать апогеем развития электроники на сегодняшний день.

По высоте профиля принято различать высокие и очень высокие, стандартные, низкопрофильные, тонкие и ультра тонкие корпуса BGA.

The BGA is a solution to the problem of producing a miniature package for an integrated circuit with many hundreds of pins. Pin grid arrays and dual-in-line surface mount (SOIC) packages were being produced with more and more pins, and with decreasing spacing between the pins, but this was causing difficulties for the soldering process. As package pins got closer together, the danger of accidentally bridging adjacent pins with solder grew.

A further advantage of BGA packages over packages with discrete leads (i.e. packages with legs) is the lower thermal resistance between the package and the PCB. This allows heat generated by the integrated circuit inside the package to flow more easily to the PCB, preventing the chip from overheating.

The shorter an electrical conductor, the lower its unwanted inductance, a property which causes unwanted distortion of signals in high-speed electronic circuits. BGAs, with their very short distance between the package and the PCB, have low lead inductances, giving them superior electrical performance to pinned devices.

X-ray of BGA

Lack of compliance

A disadvantage of BGAs is that the solder balls cannot flex in the way that longer leads can, so they are not mechanically compliant. As with all surface mount devices, bending due to a difference in coefficient of thermal expansion between PCB substrate and BGA (thermal stress) or flexing and vibration (mechanical stress) can cause the solder joints to fracture.

Thermal expansion issues can be overcome by matching the mechanical and thermal characteristics of the PCB to those of the package. Typically, plastic BGA devices more closely match PCB thermal characteristics than ceramic devices.

Another solution to non-compliant connections is to put a «compliant layer» in the package that allows the balls to physically move in relation to the package. This technique has become standard for packaging DRAMs in BGA packages.

Difficulty of inspection

Due to the cost of visual X-ray BGA inspection, electrical testing is very often used instead. Very common is boundary scan testing using an IEEE 1149.1 JTAG port.

Difficulties during circuit development

During development it is not practical to solder BGAs into place, and sockets are used instead, but tend to be unreliable. There are two common types of socket: the more reliable type has spring pins that push up under the balls, although it does not allow using BGAs with the balls removed as the spring pins may be too short.

Cost of equipment

Планшет загружался через раз. При давлении на процессор проходит экран загрузки, но процент зарядки 0%. Смена аккумулятора и попытки прошить аппарат ни к чему не привели. Так же режим инженера не доступен.

Возле процессора есть много рассыпухи, лучше закрыть ее плотным алюминиевым скотчем, чтобы случайно не сдуть.

Выпайка процессора

Обязательно нужно сфотографировать место пайки, чтобы не было проблем определить в какой стороне находится ключ. Сначала место пайки прогревается 100 — 150 °C на максимальном потоке воздуха. Где-то после минуты постепенно увеличиваем температуру. 200 °C, 250 °C и потолок 310 °C — 320 °C. При температурах от 250 пытаемся аккуратно пинцетом покачивать процессор. Если он стоит на мертво, то ждем еще (или увеличиваем температуру, но не больше 320 °C). Когда процессор от одного прикосновения пинцета пошатывается, то время снимать его. В данном случае все защищено фольгой, то риск задеть рассыпуху минимален, поэтому пинцетом можно откинуть его на плату.

Убираем припой

Лучше не использовать оплетку, дабы избежать повреждения маски. При помощи паяльника и немного припоя на жале (для разбавки припоя с тем, что на плате) легкими и не резкими движениями проходим по площадкам. Естественно перед этим наносим флюс на плату. Та же процедура и с самим процессором. Важно не перегреть его и не сорвать пятак.

Кстати, после выпайки обнаружилось, что на нескольких контактах был отвал процессора от платы. Так как слой меди был на процессоре целый, то удалось заново залудить оторванные контакты с шарами.

Реболлинг процессора

Реболлинг — это перепайка микросхемы. Это не замена старой на новую, по сути обновляются шарики на микросхеме для лучшего контакта с платой.

При помощи паяльной пасты и трафарета наносим новые шарики на процессор.

Температура пайки значительно ниже. 180 °C — 200 °C. Закрепляем процессор на трафарет при помощи все того же алюминиевого скотча.

После трафарета чистим процессор и наносим немного флюса. Затем снова греем его, чтобы шары точнее встали на свои места и лучше расплавились. Чистить после этой процедуры.

Затем, перед установкой, на плату ровным слоем наносим флюс. При помощи лопаток или зубочисток распределяем его равномерно, чтобы все контакты хорошо пропаялись и процессор не поплыл.

Ставим процессор по ключу и позиционируем его края. Так как вокруг много скотча это не составит особого труда. После этого также сначала греем плату на 100 — 150 °C, затем увеличиваем до 200 °C — 230 °C и аккуратно пытаемся пинцетом прикоснуться дабы убедиться, расплавился припой или нет. Если сделать это резко, то придется повторять все заново т.к. шары слипнуться.

После пайки убираем скотч и лучше всего не чистить плату вообще. Под BGA микросхемами очень мало воздуха, и поэтому, когда чистящее средство доберется туда, то полностью его удалить оттуда очень сложно. Конечно, можно попытаться на 100 °C «выпарить» флюс, но если у вас хороший и безотмывочный флюс, то не стоит беспокоиться.

Теперь нужно тщательно проверить все его функции. Камера, звук, микрофон, Wi-Fi, тачскрин.

Оборудование для монтажа

Монтаж BGA микросхем может проводиться в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. В первом случае специальное оборудование не требуется (только высокая квалификация персонала), но производительность у такого монтажа очень низкая. Поэтому на производстве, как правило, используются автоматические и полуавтоматические системы. Например:

Предприятие «Совтест АТЕ» может предложить несколько моделей установок для монтажа BGA микросхем. Все они обладают высокой точностью и 100%-ной повторяемостью, но отличаются  друг от друга по способу нагрева, размеру рабочего стола и способу совмещения компонента и платы.

Оборудование.

Пайка BGA – довольно трудоемкий процесс, требующий высокой точности и соблюдения строгого температурного режима. Для достижения наилучшего результата на производствах используют специальное оборудование, причем как по отдельности, так и в связке друг с другом.

Термовоздушные паяльные станции (например, TMT-HA300)

. Они предназначены для монтажа и демонтажа таких компонентов, как SOIC, QFP, PLCC, BGA и многих других. Горячий воздух обеспечивает требуемый режим нагрева для паяльных материалов. Широкий выбор наконечников позволяет подобрать необходимый размер, чтобы обеспечить качественный процесс пайки;

Термостолы для подогрева печатных плат (например, TMT-PH)

. Это специализированное оборудование, предназначенное для равномерного и аккуратного нагрева печатных плат во время их сборки и ремонта. Термостол серии TMT-PH имеет инфракрасный кварцевый подогреватель. Область нагрева: от 130 до 310 мм, а диапазон температур: от 50 до 400 °C .

Ремонтные центры BGA (например, TermoFlo-550).

Конвекционная система для монтажа/демонтажа BGA-компонентов представляет собой технический комплекс, предназначенный для высококачественного монтажа и замены BGA-компонентов с шагом до 1 мм, а при определенном опыте применения — и с меньшим шагом. Управление процессом нагрева осуществляется по термопрофилю, который создается и записывается в память системы с помощью обычного компьютера. Чтобы исключить коробление платы, а также в целях уменьшения теплоотвода при пайке многослойных плат используется нижний подогреватель. Диапазон температур: от 176 до 482°С.

Конвекционные печи камерного типа (например, X-Reflow 306LF)

. Это неконвейерные печи, которые предназначены для пайки печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры с применением паяльных паст в условиях мелкосерийного и единичного производства и при изготовлении опытных образцов. Может использоваться также для отверждения клея. Конвекционный метод передачи тепла обеспечивает равномерный, щадящий нагрев плат, исключающий появление теневых эффектов. Нагрев в печи производится с обеих сторон.

Конвейерные печи (например, ).

Данные печи отличаются высокой стабильностью температуры, которая не зависит от производительности (скорости конвейера), веса и габаритных размеров печатной платы.  Применяются на средне и крупносерийном сборочно-монтажном производстве для оплавления паяльной пасты на печатных платах.

Intel Mobile Celeron in a flip-chip BGA2 package (FCBGA-479); the die appears dark blue. Here the die has been mounted to a printed circuit board substrate below it (dark yellow, also called an interposer) using flip chip and underfill.

Inside a wire bond BGA package; this package has an Nvidia GeForce 256 GPU

Effectively also the flip chip methods for mounting chip dies to a carrier is sort of a BGA design derivate with the functional equivalent of the balls there being called bumps or micro bumps. This is realized at an already microscopic size level.

To make it easier to use ball grid array devices, most BGA packages only have balls in the outer rings of the package,
leaving the innermost square empty.

Intel used a package designated BGA1 for their Pentium II and early Celeron mobile processors. BGA2 is Intel’s package for their Pentium III and some later Celeron mobile processors. B GA2 is also known as FCBGA-479. It replaced its predecessor, BGA1.

Материалы

Для качественной пайки BGA микросхем важно выбрать не только подходящее  оборудование, но и правильные паяльные материалы.

Для монтажа SMD-компонентов, включая микросхемы в BGA корпусах, используются:

Для процедуры реболлинга (см.п.4. Реболлинг) рекомендуется использовать клейкие флюсы. Флюсы с высокой степенью активности лучше не использовать, так как они могут очистить трафареты до такой степени, что будет происходить смачивание их припоем при оплавлении, и вследствие этого такие трафареты станут непригодными для осуществления реболлинга и потребуют замены.

Одна из основных проблем, возникающих при пайке BGA, — это обеспечение оптимальных условий для создания надежного паяного соединения (ПС). Потенциальная надежность паяных соединений, и электронного модуля в целом, должна закладываться еще на этапе проектирования (выбор материалов ЭРИ ИП, их КТЛР и так далее), а реализовываться в процессе производства после отработки и полной оптимизации параметров технологии сборки и монтажа, в том числе дозированного нанесения припойной пасты и температурно-временных режимов пайки.

Тенденция к постоянному увеличению функциональности устройств на фоне их общей миниатюризации ставит разработчиков перед еще одной проблемой — увеличение количества выводов в BGA и уменьшение интервала между ними. При этом важно сохранить качество сигнала на высоком уровне и уменьшить по возможности стоимость производства. Но, к сожалению, эти два требования несовместимы. Уменьшение перекрёстных помех, как правило, сопровождается увеличением пространства между проводниками, что может увеличить число слоёв, плюс трассировка плотных BGA корпусов требует миниатюризации и большее количество слоёв. Чем меньше элементы и больше слоёв, тем выше стоимость платы.

Многослойная печатная плата с BGA компонентом в разрезе

При пайке BGA корпусов в шариковых выводах часто встречаются пустоты (void). Если суммарная площадь этих пустот превышает 25% от площади сечения шарикового вывода на рентгеновском снимке, то это уже считается дефектом. И он может оказывать существенное влияние на надежность паяного соединения. Иногда эти пустоты присутствуют в шариковых выводах новых компонентов еще до пайки. Часть из них локализованы в самом шарике и являются побочными эффектами производства шариков, а часть — находятся вблизи границы шарик/контактная площадка корпуса BGA и являются следствием процесса прикрепления выводов к корпусу.

Пустоты в шариковых выводах

Для снижения вероятности появления пустот следует строго соблюдать рекомендации производителя BGA компонента, касающиеся его чувствительности к влажности; наносить достаточное количество паяльной пасты для образования качественного паяного соединения (в т.ч. использовать специальные low-void паяльные пасты); не использовать просроченные пасты; не допускать большой разницы в размерах контактной площадки и шарикового вывода.

Также среди проблем, возникающих при пайке BGA, можно выделить высокую теплоемкость массивных корпусов и печатных плат. Это создает трудности в определении оптимального температурного режима для предварительного нагрева. Наиболее эффективным в данном случае является применение массогабаритного макета изделия из стеклотекстолита или других термостойких материалов для отладки термопрофиля. Платы, на которые монтируются BGA микросхемы, должны быть устойчивы высоким температурам при монтаже и к температурным деформациям, возникающим в результате линейных расширений плат во всех трех осях.

Неудовлетворительная плоскостность плат при монтаже BGA микросхем с большими линейными размерами и большим количеством выводов, а также при малых размерах шариков, приводит к увеличению брака и вероятности возникновения скрытых дефектов в процессе дальнейшей эксплуатации микросхем. Для обеспечения необходимой плоскостности поверхности печатных плат применяют иммерсионные (ENIG, ImmAg, ImmSn, ImmBi) или другие равномерные (OSP) покрытия контактных площадок. Также многослойные платы с использованием микросхем как в BGA-корпусах, так и в других типах бызвыводных корпусов (LGA, SON, QFN и т.п.), должны изготавливаться из высокотемпературных стеклотекстолитов, имеющих высокую температуру стеклования и малые коэффициенты линейных расширений.

Видео по теме

Очень интересно видео. Способ накатки шаров паяльником без трафарета.

https://youtube.com/watch?v=ZP_upYsuwmc%3F

Пример пайки ноутбука от YouTube канала CORE

https://youtube.com/watch?v=jtivjHCRjM4%3F

Преимущества BGA микросхем

1) BGA – это большая функциональность в малых размерах. То есть на ограниченной

площади можно разместить большое количество выводов с соблюдением достаточного расстояния между ними;

2) выводы находятся не по бокам, а непосредственно под корпусом, поэтому их длина минимальна, что сказывается на их индуктивности. Чем меньше паразитных наводок на электрическую сеть, тем лучше сигнал;

3) малые габариты способствуют миниатюризации изделий, размер многих микроBGA-компонентов приближается к размеру кристалла;

4) в отличие от выводных корпусов — BGA имеют меньшее тепловое сопротивление между корпусом и платой;

5) с использованием шариков отпадает проблема компланарности выводов, как у корпусов QFP, например;

6) есть возможность многочипового исполнения, благодаря технологии Flip-Chip, – получается своего рода «компонент в компоненте», что обеспечивает еще более высокую плотность монтажа и очень короткие электрические связи, поскольку вывод располагается непосредственно в необходимой точке кристалла.

Однако, стоит отметить, что некоторые из перечисленных преимуществ накладывают и определенные требования к использованию BGA-микросхем. Например:

— малая длина выводов характеризуется, в том числе, и механической жесткостью этих выводов, делая BGA микросхему очень уязвимой при ударе;

— отсутствие выводов, подверженных изгибу, компенсируется особыми требованиями,  которые предъявляются к плоскостности платы и ее покрытию. Так, плата должна быть идеально ровной, а в качестве покрытия желательно использовать такие материалы, как иммерсионное золото, серебро, олово или OSP.

Где ключ у BGA микросхемы

Давайте разберем момент, когда  мы  вдруг забыли, как ставится микросхема. Думаю, у всех ремонтников была такая проблема ;-). Рассмотрим нашу микрушку поближе через  электронный микроскоп. В красном прямоугольнике мы видим кружок. Это и есть так называемый «ключ» откуда идет счет всех шариковых выводов BGA .

Ну вот, если вы забыли, как стояла микросхема на плате телефона, то ищем  схему на телефон (в интернете их пруд пруди),  в данном случае Nokia 3110С, и смотрим расположение элементов.

Опаньки! Вот теперь мы узнали, в какую сторону должен быть расположен ключик!

Кому лень покупать паяльную пасту (стоит она очень дорого), то  проще будет приобрести готовые шарики и вставлять их в отверстия трафарета BGA.

На Али я их находил целым набором, например здесь.