ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА МИКРОСХЕМ В КОРПУСАХ BGA, CBGA, CSP

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

Таблица 2. Основные характеристики шариковых выводов корпусов BGA

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

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

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
t1В >>60 с — время выдержки
t1В >>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.