ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА МИКРОСХЕМ В КОРПУСАХ BGA, CBGA, CSP

09.06.2023 |

При разработке и производстве современной электронной аппаратуры применение поверхностного монтажа компонентов является неотъемлемой частью технологического процесса ее сборки. Развитие технологии поверхностного монтажа связано с совершенствованием электронных компонентов и, прежде всего, микросхем, для которых характерными требованиями являются:

  • миниатюризация, уменьшение веса
  • повышение быстродействия, увеличение степени интеграции и функциональности
  • повышение рабочей частоты • увеличение количества выводов корпусов и уменьшение шага выводов.

Примером использования современных компонентов при разработке и выпуске электронной аппаратуры является применение в вычислительной технике, в аппаратуре связи и в специальной электронной аппаратуре микросхем в BGA (Ball Grid Array) и CSP (Chip Scale Package) корпусах. Конструктивные особенности микросхем в этих корпусах рассмотрены в [1]. Корпус BGA состоит из прямоугольной стеклотекстолитовой платы, на которой с помощью теплопроводящей пасты крепится один или несколько кристаллов микросхем, алюминиевые контактные площадки которых с помощью ультразвуковой или термокомпрессионной микросварки соединяются тонкими алюминиевыми или золотыми проводниками диаметром 10-25 мкм с контактными площадками на промежуточной стекло- текстолитовой печатной плате (рис. 1).

Рис. 1. Микросхема в корпусе BGA

Контакты промежуточной платы соединяются с соответствующими площадками на внешней стороне корпуса микросхемы. Затем микросхема опрессовывается пластмассой, а на нижнюю сторону корпуса наносится массив шариковых выводов припоя. Микросхемы в таких корпусах относительно недороги и, несмотря на большое количество выводов, занимают небольшое место на плате. В таблицах 1 и 2 приведены параметры и характеристики некоторых типов пластмассовых корпусов BGA.

Таблица 1. Параметры и характеристики некоторых типов пластмассовых
корпусов BGA с шагом выводов 1 мм

Тип корпуса Кол-во выво­дов Размер основания корпуса, мм Размер матрицы выводов, мм Кол-во в упаковке (поддоне)
С матричным расположением шариковых выводов
PBGA144 144 13×13 12×12 160
PBGA196 196 15×15 14×14 126
PBGA256 256 17×17 16×16 90
PBGA678 676 27×27 26×26 40
С расположением шариковых выводов по периметру
PBGA160 160 15×15 14×14 126
PBGA192 192 17×17 16×16 90
PBGA208 208 17×17 16×16 90
PBGA288 288 23×23 22×22 60
PBGA324 324 23×23 22×22 60
PBGA416 416 27×27 26×26 40
PBGA516 516 31×31 30×30 27
PBGA580 580 35×35 34×34 24
PBGA680 680 35×35 34×34 24

Таблица 2. Основные характеристики шариковых выводов корпусов BGA

Шаг выводов, мм 0.5 0.8 1.0 1.27 1.5
Диаметр вывода, мм 0.325 0.44 0.6 0.76 0.76

Для сборки специальной электронной аппаратуры используются микросхемы в керамических корпусах СBGA (Ceramic Ball Grid Array) с матричным расположением золоченых контактных площадок на нижней поверхности корпуса. Для монтажа таких микросхем на многослойную керамическую плату применяются шарики из тугоплавкого припоя, нанесенные через трафарет и припаянные с помощью паяльной пасты, которой предварительно покрыта плата, к корпусу микросхемы и к контактным площадкам на плате. Используемые шариковые выводы припоя обеспечивают надежное крепление микросхемы на керамической плате с постоянным зазором между ней и корпусом.

Идентичность коэффициентов температурного расширения керамического корпуса и керамической платы обеспечивает возможность эксплуатации электронной аппаратуры, в которой установлены такие микросхемы, в жестких климатических условиях. В табл. 3 приведены параметры и характеристики некоторых керамических CBGA корпусов.

Таблица 3. Основные параметры некоторых керамических CBGA корпусов с матричным расположением выводов и шагом выводов 1.27 мм

Тип корпуса Кол-во выводов Размер основа­ния корпуса, мм Размер матри­цы выводов, мм
CBGA121 121 15×15 11×11
CBGA256 256 21×21 16×16
CBGA304 304 21×25 16×19
CBGA361 361 25×25 19×19
CBGA625 625 32.5×32.5 25×25

Дальнейшее развитие технологии изготовления пластмассовых корпусов BGA привело к созданию корпусов CSP, показанных на рис. 2 и содержащих два (а), три (б) и более (в) кристаллов. Исключение печатной микроплаты и размещение шариковых выводов непосредственно на контактных площадках в верхнем слое металлизации кристалла позволили создать наиболее перспективную конструкцию CSP корпуса, в ко- торой после формирования шариковых выводов кристалл микросхемы заливают тонким слоем пластмассы и монтируют на печатную плату так же, как корпус BGA (рис. 3)

Рис. 2. Многокристальный модуль в корпусе CSP с двумя (а), тремя (б) и более (в) кристаллами

 

Рис. 3. Микросхема в корпусе CSP с перевернутым кристаллом (flip;chip)

В табл. 4 приведены параметры и характеристики некоторых CSP корпусов.

Таблица 4. Параметры и характеристики ряда CSP корпусов

Тип корпуса Кол-во выводов Шаг выводов, мм Размер основания корпуса, мм
CSP20 20 0.5 2.76×2.26
A-CSP72 72 0.8 8×10
A-CSP72 72 0.8 8×10
А-АСР72 72 0.8 8×12

Толщина современных CSP корпусов может составлять 0.3 мм. Необходимо подчеркнуть, что при разработке топологии печатных плат, на которых производится монтаж микросхем в BGA и CSP корпусах, следует учитывать ряд требований, выполнение которых обеспечивает равномерный нагрев корпуса микросхемы при пайке [2]. Ниже перечислены основные требования:

  • место на плате для установки микросхемы должно выбираться так, чтобы вблизи отсутствовали массивные компоненты и элементы печатной платы, которые при пайке могут вызвать отток тепла от корпуса
  • контактные площадки должны быть одинаковыми по форме и площади, соответствовать диаметру и шагу шариковых выводов, а также не должны иметь переходных отверстий на нижние слои многослойной платы
  • если отдельные контактные площадки не имеют связей с проводниками на плате, необходимо предусмотреть для них технологические теплоотводы для выравнивания температуры по всей поверхности корпуса при пайке микросхемы • теплоотводы должны быть одинаковыми для всех незадействованных выводов корпуса • переходные отверстия, расположенные на плате рядом с микросхемой, при пайке не должны изменять картину теплового поля на плате и корпусе • отверстия в паяльной маске на плате должны быть центрированы относительно контактных площадок.

В экспериментальном и опытном производстве пайка установленных на плату вручную микросхем в корпусах BGA, CBGA и CSP производится индивидуально, например, на специализированных установках конвекционной пайки TF-700 фирмы PACE (США). Технические характеристики и особенности пайки на указанной установке подробно рассмотрены в [1]. Процесс пайки на установке выполняется под управлением программы, которая формируется в микропроцессорном блоке управления. Устройство автономного управления хранит в памяти до 80 температурных профилей.

На рис. 4, а приведена температурно-временная характеристика процесса конвекционной пайки микросхемы в BGA корпусе на установке TF-700, на рис. 4, б − схематическое изображение движения горячего воздуха в насадке, конструкция которой обеспечивает не только направленную подачу и циркуляцию горячего воздуха по поверхности корпуса микро- схемы, но и направленный его отвод от поверхности платы.

Рис. 4. Температурно;временная характеристика процесса пайки микросхем в корпусе BGA на установке TF;700 (а) и схематическое изображение движения воздуха в насадке (б)

В серийном производстве установка микросхем в BGA, CBGA и CSP корпусах на плату производится на автоматах-установщиках, например, CP45 фирмы Samsung, оснащенных системой технического зрения, обеспечивающей высокую точность их позиционирования на плате [3]. Пайка микросхем осуществляется в конвекционных печах. Температурно-временная характеристика процесса пайки микросхем в печи приведена на рис. 5. В начальный момент в первой зоне печи происходит нагрев корпуса микросхемы со скоростью 2-5 °С/с, при этом испаряются летучие вещества из паяльной пасты. Во второй зоне при температуре 160-170 °С происходит выравнивание температуры корпусов компонентов и печатного узла в целом.

В этой области происходит снижение температурных градиентов, возникающих на первом этапе нагрева.

Скорость нагрева микросхем и других компонентов в этой зоне весьма низка и этот этап процесса является одним из наиболее важных для получения качественных паяных соединений «вывод корпуса − контактная площадка платы». В третьей зоне происходит оплавление паяльной пасты, плавление вывода из припоя и формирование паяного соединения за минимальное время 3-10 с, что позволяет снизить до минимума время пребывания чувствительных к температуре полу- проводниковых микросхем при температуре пайки.

Отмечается, что в связи с расположением выводов под корпусом микросхемы, после пайки затруднен визуальный контроль качества соединений «вывод корпуса − контактная площадка платы». Лучшим методом контроля в этом случае является рентгеновский, т. к. оловянно-свинцовый припой поглощает рентгеновские лучи гораздо лучше других материалов: стеклотекстолита, керамики, меди, пластмассы, кремния, никеля и ковара, т. е. материалов, из которых изготовлены компоненты и печатные платы. Поэтому на рентгеновских изображениях паяные соединения сферических выводов микросхем в рассматриваемых корпусах заметно выделяются на фоне других элементов. После пайки микросхем в BGA, CBGA и CSP корпусах на плату рентгеновский контроль позволяет обнаружить перемычки припоя между выводами микросхем, брызги припоя под ее корпусом, отсутствие соединения из-за непропая, что особенно важно при пайке микро- схем в корпусах BGA и CSP с шагом выводов 0.5 мм и менее.

Однако сдерживающим фактором широкого применения в производственных условиях рентгеновского метода контроля паяных соединений выводов электронных компонентов с платой является высокая стоимость оборудования.

Частичным решением проблемы контроля качества соединений сферических выводов микросхем с контактными площадками на плате явились средства оптического контроля «Эрсаскоп» фирмы ERSA (Германия) и оптические системы LS3000 фирмы PACE (США) [4, 5]. Созданные этими фирмами устройства с помощью волоконной оптики позволяют проследить за кинетикой формирования паяного соединения и установить связь между формой вывода, состоянием его поверхности и качеством образованного паяного соединения «вывод − контактная площадка платы». Использование таких устройств показало, что в процессе пайки микросхем в корпусах BGA, CBGA, CSP на плату отмечается поэтапный характер формирования паяных соединений «сферический вывод − контактная площадка платы». Причем, вначале расплавляется паяльная паста на контактных площадках платы. С образованием расплава паяльной пасты на контактных площадках сферический вывод корпуса контактирует с ним, при этом форма вывода правильная, поверхность гладкая, не подплавленная, слегка матовая, очевидно, из-за осаждения на ней паров флюса паяльной пасты. Под действием веса корпуса происходит его «оседание» с погружением сферических выводов в расплав припоя на контактных площадках. При этом увеличивается площадь контакта вывода с расплавленным припоем на контактной площадке. В момент достижения температуры пайки происходит расплавление всех выводов из припоя на корпусе и его вторичное «оседание», в связи с чем форма сферических выводов становится бочкообразной, а поверхность − гладкой и блестящей. При этом за счет сил поверхностного натяжения припоя корпус размещается и фиксируется на контактных площадках в требуемом положении.

Рис. 5. Температурно;временная характеристика процесса конвекционной пайки микросхем в печи:
Тв = (150 … 160) °С — температура выдержки для прогрева платы
Tпл = (180 …200) °С — температура плавления припоя
Tп = (215 .. 280) °С — пиковая температура в зоне оплавления припоя
t>>60 с — время выдержки
t>>10 с — время воздействия пиковой температуры

Использование отмеченных средств оптического контроля позволило установить, что основными дефектами при пайке микросхем в корпусах BGA, CBGA, CSP с матричным расположением шариковых выводов являются: • неоднородная или пористая поверхность выводов, царапины на их поверхности • деформация выводов (асимметричность, впадины, искривления) • микротрещины и брызги припоя • остатки флюса • посторонние включения (окалина, шлаки).

Опыт пайки на плату микросхем в рассматриваемых корпусах показал, что для образования качественных паяных соединений необходима полная и точная повторяемость температурных режимов процесса пайки, что возможно только с использованием оборудования с соответствующим оснащением и программным управлением температурой. Это обеспечивает высокое качество паяных соединений по всей поверхности матрицы контактных площадок корпуса, критичных к рассогласованию теплового расширения при температурных циклах. Следует отметить, что после пайки микросхем в BGA, CBGA, CSP корпусах из-за малого расстояния между корпусом и платой, определяемого диаметром сферических выводов припоя, появляются трудности, связанные с удалением остатков флюса и других загрязнений, образовавшихся под корпусом.

Известно, что выбор технологии очистки печатных узлов зависит от вида загрязнений, оставшихся после пайки компонентов. К основным из них относятся:

  • жиры, масла, частицы пыли, волокна тканей
  • остатки травильных растворов, активаторов флюсов, отпечатки пальцев и т. д.
  • органические кислоты, продукты разложения флюсов.

Первая группа загрязнений может легко удаляться путем очистки печатных узлов в бензине. Две последующие группы загрязнений имеют высокую адгезию к поверхности печатного узла, поэтому очистку от органических кислот, продуктов разложения флюсов проводят в спирто-бензиновой смеси. При этом спирт смывает остатки канифоли, а бензин удаляет эфиры и масла. Недостаток − сложность регенерации и высокая пожаро- и взрывоопасность смеси. Некоторые загрязнения, состоящие из остатков травильных растворов, активаторов флюсов, отпечатков пальцев, спирто-бензовая смесь не удаляет. Удаление этих загрязнений возможно очисткой печатных узлов в водных растворах технических моющих средств, содержащих поверхностно-активные вещества, либо для этого следует использовать изопропиловый спирт. Окончательная очистка печатных узлов в этих случаях должна проводиться промывкой изделия деионизированной водой с последующей сушкой.

Применяемая при пайке паяльная паста, например, фирмы AIM (США) с флюсом No Clean (не требующим очистки), разработанным для пайки компонентов на плату, очистка которой невозможна, затруднена или нежелательна. Поэтому при использовании такой паяльной пасты остаток неиспаряющихся в момент пайки веществ, содержащихся во флюсе, сведен к минимуму. Тем не менее, для обеспечения надежности аппаратуры, в которой применяются микросхемы в рассматриваемых корпусах, а также перед покрытием печатных узлов влагозащитным лаком, необходима их очистка. Для этого могут быть рекомендованы современные моющие средства, поставляемые научно-производственной фирмой VD MAIS, например, FLU, SWA, SWAX, ULS фирмы Electrolube (Англия) [6].

Моющая жидкость ULS растворяет и удаляет остатки канифоли и флюса после пайки, позволяет удалять масла, жиры и лаки, быстро и без остатков испаряется. Применяется для очистки печатных плат, печатных узлов и компонентов, обезжиривания электронных приборов, смывки лаков и компаундов до и после монтажно-ремонтных работ и при сервисном обслуживании электронной аппаратуры.

Очиститель на водной основе Safewash Extra (SWAX) удаляет остатки паяльной пасты и клея для крепления компонентов при поверхностном монтаже, имеет легкий запах; при его использовании не требу- ется вытяжная вентиляция.

Для повышения качества очистки печатных узлов, на которых установлены микросхемы в BGA, CBGA, CSP корпусах, при использовании рассмотренных моющих жидкостей целесообразно применять ультра- звук. Известно, что при этом главными факторами, ускоряющими процесс очистки, являются кавитация и акустические течения, возникающие как в объеме моющей жидкости, так и на границе с поверхностью платы и компонентов. Интенсивность кавитации, скорость и характер акустических течений в ультразвуковой ванне зависят от частоты, мощности ультразвукового преобразователя и физических свойств моющих жидкостей. Ультразвуковая очистка печатных узлов, как правило, проводится в химически активных средах, а химическая активность среды, в свою очередь, зависит от физических свойств моющей жидкости, особенно от ее температуры, и повышается под действием ультра- звука. Поэтому при ультразвуковой очистке разрушение, отделение и растворение пленки загрязнений происходят в результате совместного воздействия химически активной среды и ультразвукового акустического поля. Однако следует учесть, что при ультразвуковой очистке значительные трудности вызывает установка и контроль допустимых режимов обработки печатных узлов, кроме того, при этом способе очистки можно разрушить активные электронные компоненты − полупроводниковые приборы и интегральные схемы. Поэтому изделие, подлежащее очистке, должно быть проверено на стойкость компонентов к ультразвуковому облучению. Положительные результаты могут быть получены при очистке печатных узлов в режиме удельной мощности не более 0.6 Вт/см2 и частоте от 22 до 44 кГц.

Рассмотренные методы очистки можно дополнить методом струйной очистки печатных узлов с узкими токоведущими дорожками и малыми зазорами между платой и корпусами монтируемых на поверхность компонентов. При этом под действием давления струй моющей жидкости и при изменении интенсивности и угла наклона струй удаляются различные загрязнения. После струйной очистки печатные узлы могут погружаться в кипящую моющую жидкость и затем промываться струей деионизованной воды.

Автор надеется, что изложенная информация будет полезна разработчикам и производителям электронной аппаратуры.

НПФ VD MAIS занимается продвижением на рынок Украины оборудования для поверхностного монтажа и демонтажа микросхем в BGA, CBGA и CSP корпусах, средств контроля качества паяных соединений на плате, а также оборудования и средств для очистки печатных узлов; оказывает техническую поддержку в решении технологических вопросов.