BGA 솔더 조인트의 결함 분석 및 공정 개선

칩 아래에 솔더 볼이 있기 때문에 BGA 솔더링 품질을 검사하는 것은 어렵습니다. 검사 장비 없이 가장 바깥쪽 납땜 링이 일관성이 있는지 육안으로 확인하고 빛에 대해 칩을 검사합니다. 모든 행과 열이 빛을 투과할 수 있다면 연속 용접이 없다고 결론을 내릴 수 있습니다. 때로는 더 큰 크기의 땜납도 볼 수 있습니다. 솔더 조인트의 품질을 보다 명확하게 판단하려면 X-RAY 검사 장비도 사용해야 합니다.

기존의 XNUMX차원 X선 직접 방사선 촬영 장비는 상대적으로 저렴합니다. 그러나 단점이 있습니다. PCB 양면의 솔더 조인트가 한 장의 사진에서 동시에 개발됩니다. 구성 요소가 동일한 위치의 양쪽에 있으면 납땜 그림자가 겹칩니다. 이로 인해 구성 요소의 측면을 구별하기가 어렵습니다. 결함이 있는 경우 어느 레이어에 문제가 있는지 명확하지 않습니다. 따라서 용접 결함을 정확하게 판별해야 한다는 요구 사항을 충족할 수 없습니다.

당사의 X선 회로 기판 검사기는 솔더 조인트 검사에 특별히 사용되는 X선 단층 검사 장비입니다. 물론 BGA를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 회로 기판에 있는 모든 패키지의 솔더 조인트도 확인할 수 있습니다. 이전에는 이러한 장비가 너무 비싸다고 생각되었지만 솔더 조인트를 검사하는 데 드는 비용도 너무 높았습니다. 그러나 BGA 장치의 적용이 점점 더 광범위해지면서 사람들은 이 값비싼 장비를 받아들일 수 있게 되었습니다.

X-Ray는 X-ray 단층촬영을 사용합니다. 이를 통해 솔더 볼을 층층이 쌓아 단층 촬영 효과를 만들 수 있습니다. X-ray 단층촬영 이미지는 CDA 원본 설계 데이터와 사용자 설정 매개변수를 기반으로 솔더 조인트를 자동으로 분석하는 데 사용할 수 있습니다. 실시간으로 단층촬영을 수행하며, PCB 양면의 모든 부품의 모든 솔더 조인트를 수십초 또는 2분 이내에 정확하게 비교 분석할 수 있습니다(회로 기판의 솔더 조인트 수 및 복잡성에 따라 다름). 용접이 적격인지 여부에 대한 결론을 도출합니다. 단층촬영의 X선 사진이 매우 고화질의 결과를 얻을 수 있는 이유는 무엇입니까? 이는 작동 원리에 따라 결정됩니다.

X선 시스템의 X선은 장치 상단에 위치한 X선관에서 생성됩니다. 작업 시 전압을 220V에서 160KV로 올려야 하며 전류는 100mA입니다. 고전압에서 생성된 전자빔은 금속 텅스텐에 조사되어 X선을 생성합니다. 이 X선 빔은 비스듬히 발사되어 초당 760회전이라는 고속으로 회전합니다. 동시에 아래의 신틸레이터 플랫폼도 X선과 동기적으로 동일한 속도로 회전합니다.

신틸레이터 플랫폼은 실제로 X선에 민감한 수신기입니다. 일반적으로 금속, 주석, 납 등의 중금속은 X선을 통과하지 못하여 어두운 장면을 형성합니다. 일반 물질은 X선을 투과하여 아무것도 볼 수 없습니다. X선은 광원과 섬광체 플랫폼 사이의 특정 위치에 모여 집광면이 나타난다. 초점면의 물체나 이미지는 신틸레이터 플랫폼에서 선명한 이미지를 형성합니다. 그러나 집합면에 없는 물체나 이미지는 섬광체 플랫폼에서 흐릿해지고 그림자만 남게 됩니다.

 

X-ray 판단 단층 촬영의 원리는 그림에 나와 있습니다. 따라서 PCB의 높이가 다른 솔더 조인트에 대해 단층 촬영이 수행됩니다. 특정 레이어의 납땜 상태를 확인하려면 이 레이어를 집결 평면의 위치로 조정하기만 하면 스캔 결과가 명확하게 표시됩니다. 이 선명한 사진은 장치 아래에 있는 X선 카메라로 촬영됩니다.

검사에 어떤 검사 장비를 사용하든 솔더 조인트의 품질이 적합한지 여부를 판단할 수 있는 근거가 있어야 합니다. IPC-A-610C는 BGA 솔더 조인트에 대한 허용 기준을 구체적으로 정의합니다. 선호되는 BGA 솔더 조인트의 요구 사항은 솔더 조인트가 매끄럽고 둥글며 경계가 명확하고 보이드가 없어야 한다는 것입니다. 모든 솔더 조인트의 직경, 부피, 그레이 스케일 및 대비는 동일하고 위치가 정렬되어 있으며 오프셋이나 비틀림이 없으며 솔더 볼이 없습니다.

완료 후에는 선호되는 표준이 추구되지만 자격을 갖춘 솔더 조인트에 대해서는 약간 완화됩니다. 정렬된 위치의 경우 BGA 솔더 조인트는 패드에 대해 25% 이하의 오프셋을 가질 수 있습니다. 솔더 볼은 가장 가까운 솔더 볼 사이 거리의 25%를 초과해서는 안 됩니다.

BGA의 일반적인 결함에는 솔더 조인트, 개방 회로, 솔더 볼 누락, 큰 보이드, 큰 솔더 볼 및 솔더 조인트의 흐릿한 가장자리가 포함됩니다. 다음은 위에서 언급한 불량을 대부분 포함하여 실제 작업에서 접하게 되는 엑스레이 사진 목록이다.

여전히 논란이 되고 있는 문제 중 하나는 BGA의 보이드 허용 기준입니다. 보이드 문제는 BGA에만 국한되지 않습니다. 스루홀, 표면 실장 및 스루홀 부품의 솔더 조인트는 일반적으로 X-레이보다는 육안으로 보이드를 검사할 수 있습니다. BGA에서는 모든 솔더 조인트가 패키지 아래에 숨겨져 있으므로 X-ray로만 검사할 수 있습니다. 물론 X-Ray는 BGA 솔더 조인트뿐만 아니라 모든 종류의 솔더 조인트를 검사하는 데에도 사용할 수 있습니다. X-ray를 사용하면 보이드를 쉽게 감지할 수 있습니다.

그렇다면 공극은 BGA의 신뢰성에 부정적인 영향을 미치게 되는 것일까요? 불확실한. 어떤 사람들은 보이딩이 신뢰성에 좋다고 말하기도 합니다. IPC-7095 표준은 'BGA 구현을 위한 설계 및 조립 프로세스'라는 제목으로 BGA 설계 및 조립 기술에 대한 세부 지침을 제공합니다. IPC-7095 위원회는 작고 피할 수 없는 공백이 신뢰성에 도움이 될 수 있음을 인정합니다. 그러나 허용 가능한 보이드 크기를 결정하기 위해서는 정의된 표준이 있어야 합니다.

BGA 솔더 조인트 검사에서 보이드는 어디에서 찾을 수 있습니까? BGA 솔더 볼은 세 가지 레이어로 나눌 수 있습니다. 하나는 구성 요소 레이어(BGA 구성 요소에 가까운 기판), 하나는 패드 레이어(PCB에 가까운 기판), 다른 하나는 솔더 볼의 중간 레이어입니다. 상황에 따라 이 세 층 중 어느 층에서든 보이드가 발생할 수 있습니다.

공백은 언제 나타났습니까? BGA 솔더 볼 자체에는 솔더링 전에 보이드가 있을 수 있으므로 리플로우 솔더링 프로세스가 완료된 후에 보이드가 형성됩니다. 이는 솔더볼 제조 과정에서 보이드가 발생했거나 PCB 표면에 코팅된 솔더 페이스트 재료의 문제 때문일 수 있습니다. 또한, 회로기판의 설계도 보이드 형성의 주요 원인이다.

예를 들어 패드 아래에 비아홀을 설계한 경우 납땜 공정 중에 외부 공기가 비아홀을 통해 용융된 솔더볼로 유입되고, 납땜이 완료되고 냉각된 후 솔더볼에 캐비티가 남게 됩니다.

패드 층의 보이드는 리플로우 솔더링 공정 중 패드에 인쇄된 솔더 페이스트의 플럭스 휘발로 인해 발생할 수 있으며, 깊은 침투에서 가스가 솔더에서 빠져나오고 냉각 후에 보이드가 형성됩니다. 패드 표면의 불량한 패드 도금 또는 오염은 패드 층에 보이드의 원인이 될 수 있습니다.

부품 레이어는 솔더 볼 중심과 BGA 기판 사이에 위치하며 보이드 가능성이 가장 높은 영역인 경우가 많습니다. 이는 PCB의 리플로우 솔더링 중 BGA 패드의 기포 및 휘발된 플럭스 가스로 인해 발생할 수 있습니다. 뭉치면 중공이 생긴다. 리플로우 온도 곡선이 리플로우 구역에서 충분히 길지 않으면 플럭스의 기포와 휘발된 가스가 빠져나갈 시간이 없고 용융된 솔더 프라이가 냉각 구역으로 들어가 고체가 되어 캐비티를 형성합니다.

따라서 리플로우 온도 프로파일은 보이드 형성의 원인이 됩니다. 공융 솔더 63n/37Pb의 BGA는 보이드가 있을 가능성이 가장 높으며, 10Sn/90Pb 불법 공융 고융점 솔더 볼로 구성된 BGA의 융점은 302°C로 일반적으로 보이드가 없습니다. BGA의 솔더 볼은 플로우 솔더링 공정 중에 녹지 않습니다.

캐비티에 가스가 있으면 열 순환 중에 수축 및 팽창 응력이 발생할 수 있습니다. 캐비티의 위치는 응력 집중점이 되어 응력 균열의 근본 원인이 될 수 있습니다.
그러나 보이드가 있으면 솔더 볼에 의해 적용되는 과잉 공간이 줄어들어 솔더 볼에 대한 기계적 응력이 줄어듭니다. 구체적인 감소량은 와동의 크기, 위치, 모양 및 기타 요인에 따라 달라집니다.

IPC-7095에 명시된 보이드에 대한 허용/거부 기준은 주로 보이드의 위치와 크기라는 두 가지 사항을 고려합니다. 보이드가 존재하는 위치가 솔더볼 중앙이든, 패드 층이든, 부품 층이든, 보이드의 크기와 수량에 따라 품질과 신뢰성에 영향을 미칩니다. 솔더볼 내부에는 작은 솔더볼이 허용됩니다. 보이드가 차지하는 공간과 솔더볼 공간의 비율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 예를 들어 보이드의 직경은 솔더볼 직경의 50%이고 보이드가 차지하는 면적은 25입니다. 솔더볼 면적의 %입니다.

IPC 표준은 패드 층의 보이드가 솔더볼 면적의 10%를 초과해서는 안 된다고 명시하고 있습니다. 25%를 초과하는 보이드는 결함으로 간주되어 기계적 및 전기적 신뢰성에 위험을 초래합니다. 10%~25% 사이의 보이드의 경우 이를 제거하거나 줄이기 위한 공정 개선이 권장됩니다.

솔더링 공정 중 공융 솔더의 BGA가 솔더 조인트를 형성할 때 PCB에 코팅된 솔더 페이스트와 부품에 포함된 솔더 볼이 서로 융합되어야 합니다. 이 과정은 붕괴의 두 단계로 나누어진다. 붕괴의 첫 번째 단계는 PCB의 솔더 페이스트가 먼저 녹고 부품이 붕괴되는 것입니다. 두 번째 단계에서는 부품 자체의 솔더 볼도 녹아서 PCB의 녹은 솔더 페이스트와 융합되고, 솔더 볼이 다시 붕괴되어 편원형 솔더 조인트를 형성합니다.

용접 과정에서 용접 곡선이 자연스럽게 전환되도록 해야 장치가 특히 작업 공간에서 고르게 가열됩니다.

용접 영역에서는 모든 솔더 조인트가 완전히 녹았는지 확인해야 합니다. 온도가 충분하지 않으면 차가운 솔더 조인트가 형성되어 두 번째 슬럼프 단계에서 솔더 조인트 표면이 거칠어지거나 불완전하게 녹을 수 있습니다. 이로 인해 PCB 표면의 솔더 페이스트와 부품 솔더 사이에 균열이 발생하여 가상 또는 개방형 솔더링이 발생할 수 있습니다.

솔더 페이스트의 점도는 장치를 일시적으로 고정하고 녹는 동안 솔더 브리징을 방지하는 데 도움이 됩니다. BGA 템플릿의 경우 솔더 조인트 개구부는 일반적으로 패드 크기의 70-80%이고 템플릿 두께는 일반적으로 0.15mm(6mil)입니다.

일부 프로세스를 패드 아래에 설계해야 하는 경우 적합한 PCB 제조업체도 찾아야 합니다. 패드 위치는 드릴로 뚫어야 하며, 패드를 무단으로 확대하는 것은 피해야 합니다. 비아홀을 너무 작게 뚫을 수 없기 때문이다. 결과적으로, 큰 패드와 작은 패드 사이에 납땜 후 주석의 양과 높이가 달라집니다. 용접 또는 개방 회로.

BGA를 납땜하기 전에 패드 주변의 납땜 마스크가 적합하고 비아가 차단 필름으로 코팅되어 있는지 확인하십시오. 생산 중에 PCB 반대편에 솔더 레지스트 필름을 추가하는 것은 효과적이지 않습니다. 솔더 레지스트 필름의 목적은 솔더링 중 공기와 보이드 형성을 방지하고 솔더가 구멍을 통해 흐르는 것을 방지하는 것입니다.

재작업 없이 솔더 페이스트를 인쇄하면 과도한 솔더가 방지되고 솔더링 품질이 향상됩니다. 비아 홀은 도금되어 있으므로 과도한 납땜 또는 납땜 문제로 인해 가상 단락 결함 및 단락이 발생할 수 있습니다. BGA 재작업은 시간이 오래 걸리기 때문에 최후의 수단이다.

BGA를 성공적으로 납땜하려면 적합한 납땜 볼과 재작업 도구가 필요합니다. 볼 심기는 성공률이 낮고 자원을 낭비합니다. 수리된 칩은 최소 4번의 리플로우 주기를 견뎌야 하며 이는 신뢰성에 영향을 미칩니다. 결함을 최소화하고 높은 합격률을 달성하려면 BGA를 납땜하기 전에 잘 준비하십시오. 우리의 목표는 수리하지 않고 결함을 제거하는 것입니다.