Fehleranalyse und Prozessverbesserung von BGA-Lötverbindungen

Die Prüfung der BGA-Lötqualität ist eine Herausforderung, da sich die Lotkugeln unter dem Chip befinden. Überprüfen Sie ohne Inspektionsausrüstung visuell, ob der äußerste Lötring gleichmäßig ist, und prüfen Sie den Chip gegen Licht. Wenn jede Reihe und Spalte Licht durchlassen kann, kann daraus geschlossen werden, dass keine kontinuierliche Schweißung vorliegt. Manchmal ist auch das Lot mit einer größeren Größe zu sehen. Um die Qualität von Lötverbindungen besser beurteilen zu können, muss zusätzlich ein Röntgenprüfgerät eingesetzt werden.

Herkömmliche zweidimensionale Röntgen-Direktradiographiegeräte sind relativ günstig. Es hat jedoch einen Nachteil. Lötverbindungen auf beiden Seiten der Leiterplatte werden gleichzeitig in einem Foto entwickelt. Wenn auf beiden Seiten Bauteile an der gleichen Position vorhanden sind, überlappen sich deren Lötschatten. Dies macht es schwierig, die Seite der Komponente zu unterscheiden. Liegt ein Defekt vor, ist nicht klar, welche Schicht das Problem ist. Somit kann die Anforderung einer genauen Bestimmung von Schweißfehlern nicht erfüllt werden.

Unser Röntgen-Leiterplatteninspektor ist ein röntgentomographisches Inspektionsgerät, das speziell zur Inspektion von Lötstellen eingesetzt wird. Natürlich kann es nicht nur BGA überprüfen, sondern auch die Lötstellen aller Gehäuse auf der Leiterplatte. Obwohl früher angenommen wurde, dass solche Geräte zu teuer seien, waren die Kosten für die Inspektion von Lötstellen zu hoch. Doch mit der zunehmenden Verbreitung von BGA-Geräten konnten die Menschen diese teure Ausrüstung akzeptieren.

Beim Röntgen kommt die Röntgentomographie zum Einsatz. Dadurch können die Lotkugeln geschichtet werden, wodurch ein tomografischer Effekt entsteht. Röntgentomographiebilder können zur automatischen Analyse von Lötverbindungen auf der Grundlage der ursprünglichen CDA-Designdaten und vom Benutzer eingestellten Parametern verwendet werden. Es führt tomografische Scans in Echtzeit durch und kann alle Lötstellen aller Komponenten auf beiden Seiten der Leiterplatte innerhalb von zehn Sekunden oder 2 Minuten (abhängig von der Anzahl und Komplexität der Lötstellen auf der Leiterplatte) genau vergleichen und analysieren. Ziehen Sie eine Schlussfolgerung darüber, ob die Schweißung qualifiziert ist oder nicht. Warum können mit der Röntgenfotografie der Tomographie sehr hochauflösende Ergebnisse erzielt werden? Dies wird durch sein Funktionsprinzip bestimmt.

Die Röntgenstrahlen des Röntgensystems werden von einer Röntgenröhre erzeugt, die sich am oberen Ende des Geräts befindet. Beim Arbeiten muss die Spannung von 220 V auf 160 kV erhöht werden, und der Strom beträgt 100 mA. Bei hohen Spannungen erzeugte Elektronenstrahlen bestrahlen metallisches Wolfram und erzeugen Röntgenstrahlen. Dieser Röntgenstrahl schießt schräg nach unten und rotiert mit einer hohen Geschwindigkeit von 760 Umdrehungen pro Sekunde. Gleichzeitig rotiert auch eine Szintillatorplattform darunter synchron mit der Röntgenstrahlung mit der gleichen Geschwindigkeit.

Die Szintillatorplattform ist eigentlich ein röntgenempfindlicher Empfänger. Im Allgemeinen passieren Metalle und Schwermetalle wie Zinn und Blei die Röntgenstrahlen nicht und bilden eine dunkle Szene. Gewöhnliche Materie wird von Röntgenstrahlen durchdrungen und es ist nichts zu sehen. Die Röntgenstrahlen werden an einer bestimmten Position zwischen der Lichtquelle und der Szintillatorplattform gesammelt und es entsteht eine Sammelebene. Objekte oder Bilder auf der Fokussierungsebene erzeugen auf der Szintillatorplattform ein scharfes Bild. Aber Objekte oder Bilder, die sich nicht auf der Sammelebene befinden, werden auf der Szintillatorplattform verschwommen und hinterlassen nur einen Schatten.

 

Das Prinzip der Röntgenbeurteilungstomographie ist in der Abbildung dargestellt. Daher wird eine Tomographie an Lötstellen unterschiedlicher Höhe auf der Leiterplatte durchgeführt. Wenn Sie den Lötzustand einer bestimmten Schicht überprüfen möchten, müssen Sie diese Schicht nur an die Position der Sammelebene anpassen und die Scanergebnisse werden übersichtlich angezeigt. Dieses klare Bild wird von einer Röntgenkamera unter dem Gerät aufgenommen.

Unabhängig davon, welches Prüfgerät zur Prüfung verwendet wird, muss eine Grundlage für die Beurteilung vorhanden sein, ob die Qualität der Lötverbindungen qualifiziert ist. IPC-A-610C definiert speziell die Akzeptanzkriterien für BGA-Lötverbindungen. Die Anforderungen an die bevorzugten BGA-Lötstellen bestehen darin, dass die Lötstellen glatt, rund, mit klaren Grenzen und ohne Hohlräume sind. Durchmesser, Volumen, Graustufen und Kontrast aller Lötstellen sind gleich, die Position ist ausgerichtet, es gibt keinen Versatz oder Verdrehung und es gibt keine Lötkugel.

Nach Fertigstellung wird der bevorzugte Standard verfolgt, jedoch für qualifizierte Lötstellen leicht gelockert. Bei ausgerichteten Positionen darf die BGA-Lötstelle einen Versatz von maximal 25 % gegenüber dem Pad aufweisen. Die Lotkugel sollte 25 % des Abstands zwischen den nächstgelegenen Lotkugeln nicht überschreiten.

Zu den typischen Defekten von BGA gehören: Lötstellen, offene Schaltkreise, fehlende Lötkugeln, große Hohlräume, große Lötstellen und unscharfe Kanten der Lötstellen. Im Folgenden finden Sie eine Liste von Röntgenaufnahmen, die bei tatsächlichen Arbeiten gefunden wurden und die die meisten der oben genannten Mängel umfassen.

Ein immer noch umstrittenes Thema sind die Akzeptanzkriterien für Hohlräume in BGAs. Das Void-Problem betrifft nicht nur BGAs. Lötverbindungen für Durchgangsloch- und oberflächenmontierte sowie Durchgangsloch-Komponenten können in der Regel nicht durch Röntgenstrahlen, sondern visuell auf Hohlräume untersucht werden. Da bei BGAs alle Lötstellen unter dem Gehäuse verborgen sind, können sie nur durch Röntgenstrahlen überprüft werden. Selbstverständlich können mit Röntgenstrahlen nicht nur BGA-Lötstellen, sondern auch alle Arten von Lötstellen geprüft werden. Mithilfe von Röntgenstrahlen lassen sich Hohlräume leicht erkennen.

Die Lücke muss sich also negativ auf die Zuverlässigkeit des BGA auswirken? unsicher. Manche sagen sogar, dass das Entleeren gut für die Zuverlässigkeit sei. Der IPC-7095-Standard mit dem Titel „Design- und Montageprozess zur Realisierung von BGA“ bietet detaillierte Richtlinien für die BGA-Design- und Montagetechnologie. Das IPC-7095-Komitee erkennt an, dass kleine, unvermeidbare Hohlräume für die Zuverlässigkeit von Vorteil sein können. Allerdings sollte es einen definierten Standard geben, um die akzeptable Größe von Hohlräumen zu bestimmen.

Wo können bei der BGA-Lötstelleninspektion Fehlstellen auftreten? BGA-Lotkugeln können in drei Schichten unterteilt werden: eine ist die Komponentenschicht (Substrat in der Nähe der BGA-Komponente), eine ist die Pad-Schicht (Substrat in der Nähe der Leiterplatte) und die andere ist die mittlere Schicht der Lotkugel. Abhängig von den Umständen kann es in jeder dieser drei Schichten zu Hohlräumen kommen.

Wann erschien die Leere? BGA-Lötkugeln können vor dem Löten selbst Hohlräume aufweisen, so dass nach Abschluss des Reflow-Lötprozesses Hohlräume entstehen. Dies kann auf die Entstehung von Hohlräumen im Herstellungsprozess der Lötkugeln oder auf das Problem der auf der Leiterplattenoberfläche aufgetragenen Lötpaste zurückzuführen sein. Darüber hinaus ist auch das Design der Leiterplatte ein Hauptgrund für die Bildung von Hohlräumen.

Wenn beispielsweise das Durchgangsloch unter dem Pad ausgelegt ist, dringt während des Lötvorgangs Außenluft durch das Durchgangsloch in die geschmolzene Lotkugel ein, und nach Abschluss und Abkühlung des Lötvorgangs verbleibt ein Hohlraum in der Lotkugel.

Die Hohlräume in der Pad-Schicht können auf die Verflüchtigung des Flussmittels in der auf das Pad gedruckten Lotpaste während des Reflow-Lötprozesses zurückzuführen sein, das Gas entweicht beim tiefen Eindringen aus dem Lot und die Hohlräume bilden sich nach dem Abkühlen. Eine schlechte Pad-Beschichtung oder Verunreinigungen auf der Pad-Oberfläche können die Ursache für Hohlräume in der Pad-Schicht sein.

Die Komponentenschicht ist häufig der Bereich mit der höchsten Wahrscheinlichkeit von Hohlräumen und liegt zwischen der Mitte der Lotkugel und dem BGA-Substrat. Dies kann auf Luftblasen und verflüchtigtes Flussmittelgas auf dem BGA-Pad während des Reflow-Lötens auf der Leiterplatte zurückzuführen sein. Beim Zusammenfügen entsteht ein Hohlraum. Wenn die Reflow-Temperaturkurve in der Reflow-Zone nicht lang genug ist, haben die Luftblasen und das verflüchtigte Gas im Flussmittel keine Zeit, zu entweichen, und das geschmolzene Lot ist in die Kühlzone gelangt, wird fest und bildet einen Hohlraum.

Daher ist das Reflow-Temperaturprofil eine Ursache für die Bildung von Hohlräumen. Der BGA aus eutektischem Lot 63n/37Pb weist höchstwahrscheinlich Hohlräume auf, und der BGA, der aus illegalen eutektischen Lotkugeln mit hohem Schmelzpunkt 10Sn/90Pb besteht, hat einen Schmelzpunkt von 302 °C und weist im Allgemeinen keine Hohlräume auf. Die Lotkugeln auf dem BGA schmelzen beim Schwalllötprozess nicht.

Das Vorhandensein von Gas im Hohlraum kann bei thermischen Wechselbelastungen zu Schrumpfungs- und Ausdehnungsspannungen führen. Der Ort des Hohlraums wird zu einem Spannungskonzentrationspunkt und kann die Ursache für Spannungsrisse sein.
Das Vorhandensein von Hohlräumen verringert jedoch die mechanische Belastung der Lotkugeln, indem der durch die Lotkugeln beanspruchte überschüssige Raum verringert wird. Die konkrete Verkleinerung hängt von der Größe, Lage, Form und anderen Faktoren der Kavität ab.

Die in IPC-7095 festgelegten Akzeptanz-/Ablehnungskriterien für Hohlräume berücksichtigen hauptsächlich zwei Punkte: die Position und Größe der Hohlräume. Unabhängig davon, wo der Hohlraum vorhanden ist, ob in der Mitte der Lotkugel oder in der Pad-Schicht oder Komponentenschicht, wirkt sich dies je nach Größe und Menge des Hohlraums auf die Qualität und Zuverlässigkeit aus. Im Inneren der Lotkugeln sind kleine Lotkugeln erlaubt. Das Verhältnis des vom Hohlraum eingenommenen Raums zum Raum der Lotkugel kann wie folgt berechnet werden: Wenn beispielsweise der Durchmesser des Hohlraums 50 % des Durchmessers der Lotkugel beträgt, beträgt die vom Hohlraum eingenommene Fläche 25 % der Fläche der Lotkugel.

Der IPC-Standard legt fest, dass Hohlräume in der Pad-Schicht 10 % der Lötkugelfläche nicht überschreiten dürfen. Fehlstellen von mehr als 25 % gelten als Mängel und stellen ein Risiko für die mechanische und elektrische Zuverlässigkeit dar. Bei Hohlräumen zwischen 10 % und 25 % wird eine Prozessverbesserung empfohlen, um diese zu beseitigen oder zu reduzieren.

Wenn das BGA aus eutektischem Lot während des Lötvorgangs Lötstellen bildet, müssen die auf der Leiterplatte aufgetragene Lotpaste und die in den Bauteilen enthaltenen Lotkugeln miteinander verschmolzen werden. Dieser Prozess ist in zwei Phasen des Zusammenbruchs unterteilt. Die erste Phase des Zusammenbruchs besteht darin, dass zuerst die Lotpaste auf der Leiterplatte schmilzt und die Komponenten zusammenbrechen. Im zweiten Schritt schmelzen auch die Lotkugeln der Bauteile selbst und verschmelzen mit der geschmolzenen Lotpaste auf der Leiterplatte, wobei die Lotkugeln wieder zusammenfallen und eine abgeflachte Lötstelle bilden.

Beim Schweißvorgang ist darauf zu achten, dass die Schweißkurvenübergänge natürlich verlaufen, damit das Gerät insbesondere im Schweißbereich gleichmäßig erhitzt wird

Im Schweißbereich ist darauf zu achten, dass alle Lötstellen vollständig aufgeschmolzen sind. Bei ungenügender Temperatur können sich kalte Lötstellen bilden, die zu rauen Lötstellenoberflächen oder unvollständigem Aufschmelzen im zweiten Abschmelzstadium führen. Dies kann zu Rissen zwischen der Lotpaste auf der Leiterplattenoberfläche und dem Lot des Bauteils führen, was zu einer virtuellen oder offenen Verlötung führt.

Die Viskosität der Lötpaste trägt dazu bei, das Gerät vorübergehend zu sichern und die Bildung von Lötbrücken beim Schmelzen zu verhindern. Bei BGA-Schablonen beträgt die Lötstellenöffnung typischerweise 70–80 % der Pad-Größe und die Schablonendicke beträgt normalerweise 0.15 mm (6 mil).

Wenn einige Prozesse unter den Pads gestaltet werden müssen, sollten Sie auch einen geeigneten Leiterplattenhersteller finden. Die Polsterposition sollte gebohrt werden und eine unbefugte Vergrößerung des Polsters sollte vermieden werden. Dies liegt daran, dass das Durchgangsloch nicht zu klein gebohrt werden darf. Dadurch unterscheiden sich die Zinnmenge und die Höhe nach dem Löten zwischen den großen und kleinen Pads. Schweißnaht oder offener Stromkreis.

Stellen Sie vor dem Löten eines BGA sicher, dass die Lötmaske um das Pad qualifiziert ist und die Durchkontaktierungen mit einer Barrierefolie beschichtet sind. Das Anbringen eines Lötstoppfilms auf der anderen Seite der Leiterplatte während der Produktion ist wirkungslos. Der Zweck der Lötstoppfolie besteht darin, die Bildung von Luft und Hohlräumen während des Lötens sowie den Fluss von Lot durch Durchgangslöcher zu verhindern.

Das Drucken von Lotpaste ohne Nacharbeit vermeidet überschüssiges Lot und verbessert die Lötqualität. Durchgangslöcher sind plattiert, sodass überschüssiges Lot oder Lötprobleme zu virtuellen Kurzschlüssen und Kurzschlüssen führen können. Eine BGA-Überarbeitung ist der letzte Ausweg, da sie lange dauert.

Um BGA erfolgreich zu löten, benötigen wir geeignete Lötkugeln und Nacharbeitswerkzeuge. Das Pflanzen von Ballen hat geringe Erfolgsraten und verschwendet Ressourcen. Reparierte Chips überstehen mindestens vier Reflow-Zyklen, was die Zuverlässigkeit beeinträchtigt. Bereiten Sie sich vor dem BGA-Löten gut vor, um Fehler zu minimieren und eine hohe Erfolgsquote zu erzielen. Unser Ziel ist die Beseitigung von Mängeln ohne Reparatur.