Naarmate de technologie in de elektronica-industrie zich verder ontwikkelt, blijft de verpakking een van de belangrijkste succesfactoren die efficiëntie en betrouwbaarheid bepalen. Een voorbeeld van een dergelijke technologie die de afgelopen jaren veel aandacht heeft gekregen, is de Ball Grid Array (BGA). Deze innovatie in de verpakking heeft de verbinding van componenten met deze printplaten aanzienlijk veranderd, wat een hoge dichtheid en hoge prestaties mogelijk maakt. In deze gids geven we een kort overzicht van de BGA-technologie, inclusief de voor- en nadelen, verschillende soorten BGA-behuizingen, BGA-soldeertechnieken en inspectietechnieken voor de Ball Grid Array. Laten we er meteen induiken.
Wat is BGA (Ball Grid Array) op een PCB?
Een Ball Grid Array is eigenlijk een type oppervlaktemontagebehuizing dat wordt gebruikt bij de productie van geïntegreerde schakelingenIn tegenstelling tot andere behuizingen die gebruik maken van draden die vanaf de rand van de behuizing lopen, gebruikt BGA een rasterpatroon van soldeerbolletjes aan de onderkant van de behuizing. Deze soldeerbolletjes fungeren als contactpunten tussen de chip en de printplaat.
6 veelgebruikte BGA-pakkettypen
Er zijn verschillende soorten BGA-pakketten op de markt, voor verschillende toepassingen en vereisten. Hier bespreken we zes veelgebruikte typen BGA-pakketten:
PBGA (Plastic Ball Grid Array)
Bij PBGA is het substraat BT-hars/glaslaminaat, terwijl het verpakkingsmateriaal kunststof is. Dit type BGA-behuizing heeft als kenmerk dat er geen extra soldeer nodig is om de soldeerballen in de gewenste behuizing te bevestigen. Het is een betaalbare oplossing voor diverse toepassingen.
Keramische BGA (CBGA)
CBGA is een traditioneel ball grid array-behuizingstype, dat een meerlagig keramisch substraat als basismateriaal gebruikt. Het metalen deksel wordt vervolgens met verpakkingssoldeer aan het substraat gesoldeerd om de chip, de aansluitingen en de soldeerbolletjes af te schermen. De soldeerbolletjes zijn gemaakt van eutectisch soldeermateriaal, wat zorgt voor een betrouwbare verbinding tussen het substraat en de componenten.
Micro-BGA (uBGA)
Micro BGA (µBGA) is een geavanceerde Ball Grid Array-verpakkingstechnologie die zeer weinig ruimte inneemt. Het biedt veel kleinere chips, verbeterd thermisch beheer en een hogere datadichtheid. Zoals de naam al doet vermoeden, wordt µBGA voornamelijk gebruikt in compacte elektronische apparaten en biedt het de broodnodige verbeterde prestaties in gebieden met beperkte afmetingen.
Band BGA (TBGA)
Tape Ball Grid Array (TBGA) is een BGA-verpakkingstechniek die gebruikmaakt van flexibele tape in plaats van stijf laminaat. Dit resulteert in lichtgewicht en dunne verpakkingen met hoge dichtheid aan verbindingen en betere thermische en elektrische eigenschappen.
Flip Chip Ball Grid Array (FC-BGA)
Bij FC-BGA wordt de geïntegreerde schakeling omgedraaid zodat deze op de printplaat gesoldeerd kan worden. Dit type BGA-behuizing biedt verbeterde thermische en elektrische prestaties doordat de soldeerbolletjes met de printplaat verbonden zijn. PCB-pads direct.
Pakket op pakket (PoP)
In dit soort BGA-behuizing worden meerdere geïntegreerde schakelingen op elkaar gestapeld. Elke IC heeft een eigen ball grid array om componenten verticaal te kunnen integreren. Het wordt veel gebruikt voor toepassingen met beperkte ruimte, zoals mobiele apparaten.
| Type | Materiaal | Soldeer type | BELANGRIJKSTE KENMERKEN | Gemeenschappelijke toepassingen |
| PBGA | plastic | Loodhoudend of loodvrij | Geen extra soldeer nodig voor het bevestigen van de bal aan de behuizing | Consumentenelektronica, toepassingen in het lage tot middensegment |
| CBGA | keramiek | Eutectisch | Langdurig type, beschermend deksel | Toepassingen met hoge betrouwbaarheid, lucht- en ruimtevaart, leger |
| uBGA | Kunststof | Niet gespecificeerd | Kleiner formaat, betere warmteafvoer | Hoogfrequente bewerkingen, compacte elektronische apparaten |
| TBGA | Kunststof | Niet gespecificeerd | Dunnere, lichtere en dichtere verbindingen | Draagbare elektronica, smartphones, tablets |
| FC-BGA | Diverse | Direct naar PCB | Verbeterde thermische en elektrische prestaties | Hoogwaardige processoren, GPU's, netwerkprocessoren |
| Knal | Diverse | Meerdere BGA's | Verticale integratie, ruimtebesparend | Mobiele apparaten, waar ruimte schaars is, geheugen+processor-stacks |
Voordelen en nadelen van BGA-technologie
Voordelen
- Hogere dichtheid: vergeleken met traditionele behuizingen maken BGA's het mogelijk om meer componenten aan te sluiten, zelfs in een kleine ruimte, wat cruciaal is voor moderne elektronische apparaten.
- Verbeterde thermische prestaties: de soldeerballen zijn in een bepaald patroon gerangschikt, waardoor ze de warmte gelijkmatig verdelen en het risico op oververhitting op sommige plekken wordt verminderd.
- Verminderde inductie: Bij BGA kunnen de kortere verbindingspaden de inductie minimaliseren, waardoor de signaalintegriteit wordt verbeterd. Dit is vooral handig bij hoge frequenties.
- Betere betrouwbaarheid: Vergeleken met loodhoudende verpakkingen biedt BGA een hogere betrouwbaarheid omdat er minder mechanische spanningen optreden tijdens het thermische cyclusproces.
Nadelen
- Inspectie-uitdagingen: Het is lastiger om de kwaliteit van de soldeerpunten van BGA's te inspecteren, omdat ze zich aan de onderkant van de behuizing bevinden. Sommige soldeerproblemen zijn moeilijk met het blote oog te controleren. We moeten gespecialiseerde technieken gebruiken, zoals X-ray inspectie.
- Reparatiecomplexiteit: Een van de nadelen van de BGA-techniek is de complexiteit van de reparatie. Het is een tijdrovend en kostbaar proces waarvoor professionele tools zoals een BGA-reworkstation nodig zijn.
- Zeer voorzichtige montage: tijdens het BGA-soldeerproces moeten operators zeer voorzichtig te werk gaan om de componenten correct te monteren. Elke fout kan de prestaties beïnvloeden en zelfs leiden tot een slechte verbinding.
Hoe soldeer ik een Ball Grid Array op printplaten?
Om een hoge betrouwbaarheid te garanderen en het aantal defecten te minimaliseren, is het cruciaal om het BGA-soldeerproces nauwgezet te controleren. Hieronder vindt u een duidelijke, essentiële workflow en belangrijke technische aandachtspunten voor de BGA-assemblage.
Voorbereiding vóór het solderen
In deze stap is het belangrijk om de vochtigheid te beheersen, vooral bij Plastic Ball Grid Array (PBGA)-chips, die gevoelig zijn voor luchtvochtigheid. Als er vocht in de chip opgesloten zit, kan de snelle verhitting tijdens het reflow-proces het zogenaamde "popcorn-effect" veroorzaken, waardoor de chip beschadigd raakt of soldeerspatten ontstaan.
Wanneer vochtgevoelige PBGA's langer dan 8 uur niet zijn afgesloten, moeten ze worden gebakken. De bakomstandigheden zijn 120 °C ± 5 °C gedurende 24 uur of 80 °C ± 5 °C gedurende 48 uur.
Soldeerpasta afdrukken
Het printproces van de soldeerpasta heeft een aanzienlijke invloed op de soldeerkwaliteit van Ball Grid Array (BGA). Uit uitgebreide statistische gegevens blijkt dat, van de verschillende BGA-soldeerprocessen, het printen van de soldeerpasta verantwoordelijk is voor 64% van de soldeerfouten. Componenten zijn verantwoordelijk voor 6%, terwijl componentplaatsing en reflowsolderen elk 15% bijdragen.
Bij overmatig gebruik van soldeerpasta kunnen soldeerbruggen ontstaan. Omgekeerd kan te weinig soldeerpasta leiden tot defecten zoals koude soldeerverbindingen.
BGA Pick and Place
Nauwkeurige uitlijning is essentieel, omdat BGA-verbindingen na plaatsing niet visueel kunnen worden geïnspecteerd. Moderne pick-and-place-machines gebruiken doorgaans vision-systemen om het midden van de soldeerbolletjes uit te lijnen met het midden van de PCB-pads. Eenmaal geplaatst, mag de BGA niet handmatig worden verplaatst of bijgesteld, omdat dit vaak leidt tot kortsluiting of onvoldoende soldeer.
Solderen met reflow
Nadat de BGA's volledig op de printplaat zijn geplaatst, wordt de printplaat naar de reflow-oven gestuurd. Onder gecontroleerde verwarming smelt de soldeerpasta, koelt af en vormt een metallurgische verbinding. Het reflow-profiel moet nauwkeurig worden gecontroleerd om problemen zoals holtes, onvoldoende bevochtiging of overmatige thermische spanning op de componenten te voorkomen.
Inspectie na het solderen
Omdat de soldeerverbindingen van een ball grid array (BGA) verborgen zitten onder de behuizing, is traditionele visuele inspectie niet voldoende. Röntgeninspectie, visuele inspectie, elektrische testen of andere destructieve methoden zijn meestal nodig om de integriteit van de soldeerverbindingen te controleren. We zullen dit in het volgende gedeelte bespreken.
De 8 meest voorkomende BGA-defecten die je moet kennen
De volgende soldeerfouten komen vaak voor tijdens het assemblageproces van de Ball Grid Array:
Koude soldeerverbindingen: Ze zien er doorgaans dof en ruw uit, met een oneffen oppervlak. En ongesmolten soldeerdeeltjes zijn onder een microscoop te zien.
Soldeer Bridging: Twee of meer naast elkaar gelegen soldeerballen zijn onbedoeld elektrisch met elkaar verbonden.
Onvoldoende bevochtiging: De soldeerpasta bevochtigt de pad niet goed en vormt geen legeringsverbinding. Daardoor maken de BGA-soldeerbolletjes geen goede elektrische verbinding met de pads.
Ontbrekende soldeerballen: Na het reflowproces kunnen een of meer soldeerbolletjes volledig ontbreken, wat tot open verbindingen leidt.
Microscheuren: Dit kan gebeuren bij de soldeerverbinding of tussen de BGA-chip en de soldeerbal.
Verkeerde uitlijning: De soldeerbolletjes zijn niet goed uitgelijnd met de contactpunten op de printplaat, waardoor er een positionele afwijking ontstaat. Dit kan de mechanische integriteit van de soldeerverbindingen aantasten.
ledigen: Luchtbellen die in de soldeerbolletjes vastzitten, kunnen leiden tot de vorming van interne holtes.
Hoofd-in-kussen (HiP) defecten: De soldeerbolletjes en soldeerpasta zijn niet volledig of slechts gedeeltelijk samengesmolten, wat resulteert in kussenvormige soldeerverbindingen. Dit defect is moeilijk te inspecteren en de soldeerverbindingen zijn gevoelig voor breuken bij later gebruik.
Inspectietechnieken voor Ball Grid Arrays
Ball Grid Arrays bevatten doorgaans honderden soldeerballen, en hun soldeerverbindingen kunnen tegelijkertijd verschillende soorten soldeerfouten vertonen. Hieronder introduceren we 5 testtechnieken, die over het algemeen worden onderverdeeld in niet-destructief onderzoek en destructief onderzoek.
Non-Destructive Testing
Visuele inspectie
Doorgaans is de eerste stap het inspecteren van de buitenste rij BGA-soldeerverbindingen met het blote oog, vergrootglazen of microscopen. Visuele inspectie is echter een arbeidsintensieve taak en levert geen nauwkeurige kwantitatieve beoordelingen op. Daardoor is deze methode over het algemeen ongeschikt voor hoogwaardige en zeer betrouwbare producten en grootschalige inspectiescenario's.
X-ray inspectie
De "gouden standaard" voor niet-destructieve inspectie van Ball Grid Arrays (BGA's) is röntgeninspectie. Deze methode maakt gebruik van dichtheidsverschillen om de interne structuur van de soldeerbolletjes te visualiseren.
Bij een 2D-röntgeninspectie moet een 5-punts inspectiemethode worden gebruikt, waarbij de focus ligt op de vier zijden en de vijf centrale punten van het apparaat. Tegelijkertijd moet een snelle inspectie van andere gebieden worden uitgevoerd. Inspecteer eerst het gehele BGA-apparaat en controleer op defecten zoals ontbrekende of verkeerd uitgelijnde soldeerballen of soldeerbruggen. Voer vervolgens een lokale inspectie uit en controleer op holtes in de soldeerballen of andere afwijkingen aan de soldeerballen.
Inspecteurs gebruiken 2D-röntgenresultaten (zoals de grootte, vorm en grijswaarden van de soldeerverbindingen) om te bepalen of 3D-tomografie nodig is. De beoordelingscriteria zijn als volgt: de BGA-soldeerverbindingen hebben een normale vorm (rond) en vertonen geen afwijkingen in grootte of grijswaarden. Hoewel 3D-tomografie aanvullende informatie over soldeerverbindingen kan verschaffen, kan het proces kostbaar zijn.
Elektrisch testen
Bij elektrische testen gebruiken we gespecialiseerde apparatuur zoals een multimeter en een flying probe tester om parameters zoals weerstand en continuïteit binnen BGA-componenten te meten. Hiermee worden problemen met de verbinding opgespoord en wordt gecontroleerd of soldeerverbindingen correct functioneren.
Destructief testen
Verf- en wriktest
Dit is een kosteneffectieve destructieve methode die uitgebreide informatie verschaft over de soldeerverbinding. Een kleurstof met hoge penetratiekracht wordt op de BGA aangebracht. Vervolgens wordt de soldeerverbinding uit elkaar getrokken om de omvang en verspreiding van interne scheurtjes te observeren. Elk gebied dat met kleurstof is gekleurd, duidt op een reeds bestaande scheur of loslating.
Metallografische dwarsdoorsnedeanalyse
Dit is de meest precieze methode waarmee de meeste defecten definitief kunnen worden vastgesteld. Informatie verkregen via dwarsdoorsneden kan aangeven of defecten proces- of materiaalgerelateerd zijn. Vervolgens helpt het bepalen in welke fase de correctie moet worden doorgevoerd. Metallografisch onderzoek kent echter ook bepaalde beperkingen. Het testproces is arbeidsintensief en vereist relatief dure apparatuur.
BGA-mogelijkheden bij TestPcbas
TestPcbas is trots op onze geavanceerde BGA-assemblage- en inspectietechnieken. We maken gebruik van geavanceerde faciliteiten en moderne technologie, waardoor we zowel precisie als kwaliteit kunnen garanderen in elke assemblagefase. Hierdoor kunnen we vrijwel alle BGA-pakketten verwerken. Ons aanbod aan BGA-diensten omvat BGA-assemblage op maat, zeer geavanceerde inspectietechnieken, technische ondersteuning en rapid prototyping. Heeft u een totaaloplossing nodig voor BGA PCB-assemblage? Neem dan gerust contact met ons op.
Veelgestelde vragen over BGA-pakketten
- Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen BGA en LGA pakketten?
Ze verschillen op diverse aspecten, waaronder aansluitmethoden, pindichtheid, thermische prestaties, enzovoort.
BGA-eigenschappen:
Maakt gebruik van soldeerbolletjes om rechtstreeks verbinding te maken met de printplaat.
Ondersteunt een hoge pindichtheid.
Inspectie en herstelwerkzaamheden zijn relatief moeilijk.
Goede warmteafvoer via de printplaat.
LGA-kenmerken:
Maakt gebruik van platte contactvlakken of aansluitingen.
Maakt vervanging en upgrades eenvoudiger.
Vereenvoudigt inspectie en herstelwerkzaamheden.
Goede mechanische betrouwbaarheid, met name dankzij het ontwerp van de aansluiting.
- Welk type IC-behuizing – BGA, QFP of QFN – vormt de grootste uitdaging voor het PCB-ontwerp, en waarom?
BGA is de grootste uitdaging, gevolgd door QFN en QFP. Ball Grid Array (BGA)-pakketten vormen de grootste uitdagingen wat betreft ontwerp en productie. Daarna komt QFN, dat kleiner is dan QFP. Dit betekent dat het lastiger is om de componenten te routeren.
- Wat is reballing bij BGA-assemblage?
Het houdt in dat oude, beschadigde of defecte soldeerbolletjes van een BGA worden verwijderd en vervangen door nieuwe. Dit proces vereist doorgaans gespecialiseerde apparatuur en materialen, waaronder stencils, soldeerbolletjes en een reflow-oven of heteluchtpistool.
- Wat zijn de dog-bone fan-out- en via-in-pad-technieken bij het ontwerpen van BGA-printplaten?
De dog-bone fan-out techniek is een gangbare en kosteneffectieve optie. Bij deze routingmethode loopt een kort spoor van een BGA-pad naar een nabijgelegen via (waardoor een "dog-bone"-vorm ontstaat). Via-in-pad is een geavanceerde techniek waarbij via's direct op de BGA-soldeerpad worden geplaatst.
