Георгий Александров
Главный инженер компании ProSMD
…иногда без них не обойтись, иногда можно подобрать сопоставимое решение на менее требовательной компонентной базе. Но если Вы решили их использовать – это серьезный шаг. Не менее серьезный, чем получение высшего образования после школы – в сравнении с обычным поверхностным монтажом это, фактически, переход к новому технологическому укладу. В ряде случаев имеется совместимость со стандартным оборудованием, где-то же проще старую линии дополнить специализированным монтажным участком.
Здесь не будет истории принятия стандартов, только краткий обзор и несколько технологических рекомендаций.
Эволюция живых организмов, в общем, идет по пути сокращения числа конечностей. В мире же электроники все наоборот – даже далекий от темы человек с первой попытки разложит по возрасту выводной резистор, SOIC-логику и BGA-процессор.
Визуально, а значит, и конструкционно, BGA отличается от микросхем с расположением выводов по периметру тем, что они расположены ± по всей его нижней поверхности (BGA – Grid Array) и имеют форму шариков (BGA - Ball). Переход к матричной компоновке связан с необходимостью уместить на ИС все необходимое количество выводов, при том, что с одной стороны, технологический предел плотности выводов на корпусах типа QFP исчерпан физической прочностью их материала, не беря в расчет такую экзотику, как применение луженых неметаллических выводов. С другой стороны – высокая плотность расположения линейных субмиллиметровых контактов создавала все растущие требования к точности позиционирования и подбору паяльных материалов при трафаретном нанесении припоев, пока цена и срок хранения специализированных паяльных паст, вкупе с дороговизной и высоким браком техпроцесса не сделали дальнейшую миниатюризацию абсурдным извращением.
Все перечисленное и привело к появлению и широкому распространению корпусов PGA, далее мутировавших в BGA, FBGA, FLGA, PBGA, Extremely Thin и прочие Fuck My Mind.
Почему шарики? Потому что поверхностное натяжение превращает в шар любую жидкость, в том числе расплавленный припой при нанесении его на контакт микросхемы. Среди прочих преимуществ принято называть и выравнивание компонента тем же поверхностным натяжением при оплавлении, хотя это характерный для SMD-монтажа процесс в принципе, любители ASMR-soldering видео на Ютубе не дадут соврать.
Другим преимуществом считается улучшенный теплоотвод, поскольку шары, по сути, являются достаточно массивными радиаторами, максимально плотно контактирующими �� матрицей дорожек под ними. И наконец – возможность подвести контакт напрямую к кристаллу радикально повышает степень оптимизации схемы – сокращая линейные ее размеры, снижая наводки и паразитные реактивности.
Недостатки:
Те же конструкционные особенности, что восхищают разработчиков, столь же восхитительным образом отравляют жизнь технологам.
Разводка плат. Как говорил мой любимый персонаж «Теории большого взрыва»: "Когда же у нас будет соитие?!?" А вот оно:
Если Вы решите, что у корпуса, например, FCBGA1849, 1849 – год изобретения сгущенки, то изрядно ошибетесь, ибо имеется ввиду число выводов. Чтобы развести их все, понадобится 10-15 слоев платы и немалое терпение. Большее число и шариков, и слоев уже не является чем-то фантастическим.
Комплектация. К печатной плате предъявляются повышенные требования: шариковые контакты, в отличие от традиционных выводов, не обеспечивают компенсацию температурного расширения, следовательно, плата должна быть не менее жесткой – это, естественным образом, обеспечивается многослойностью платы. А вот равномерная плоскостность, чтобы ни один шарик не повис в воздухе – задача нетривиальная, поскольку в плату, особенно участок под чипом, вносятся неоднородности, в том числе, за счет межслойных перемычек. Неочевидно, но на качество поверхности влияет и тип покрытия контактных площадок – предпочтительны, в порядке убывания, ImmSn, ImmAg, ENIG, в сочетании с OSP.
Хранение. Говорим BGA – подразумеваем шкаф сухого хранения. Из-за пребывания выводов в зоне затенения, которая, к тому же, не отличается хорошей конвекцией, приходится увеличивать время нахождения в стадии предварительного нагрева. Особенности диссоциации влаги из пористых материалов таковы, что это увеличивает вероятность взрывного парообразования. Соответственно – хранение строго по спецификации производителя, после распаковки – только в шкафу.
Пайка. Лютый цирк доставляет дерево алгоритмов, возникающее в связи с тем, что существует несколько вариантов припоя шаров: классический оловянно-свинцовый, тугоплавкий бессвинцовый и извратный малосвинцовый Sn90 (на керамических корпусах). Каждый из них вы можете попробовать паять как с пастой, так и без. Рискуя снова нахватать в панамку, замечу, что по слегка идеалистическому ГОСТ 28235-89, все они должны смачиваться и паяться православным ПОС-61, однако, по уверениям специалистов, наиболее подходящим является припой с 2% серебра.
Встречается рекомендация, держащая на себе целую индустрию, по обязательному реболлингу BGA с бессвинцовыми выводами на шары с ПОС. Категорически не рекомендую, ввиду повышенного риска брака из-за увеличения количества циклов нагрева, а также потому, что происходит оный реболлинг, по причине дороговизны оборудования, ручным способом.
Касаемо оборудования, специалисты отрасли сходятся, что наилучшим выбором будет конденсационная пайка – из-за равномерного нагрева, и отсутствия локальных эффектов. При отсутствии таковой, может применяться традиционная конвейерная печь числом зон не менее 10, из которых не менее 2 зон охлаждения. Нагрев и поток в каждой зоне должны регулироваться независимо сверху и снизу.
Мытье. Настоящий ад, худший из возможных вариантов отмывки, особенно, если припаялось как надо – с усадкой на плату. Флюс выходит плохо, остается его много и моется так тяжело, что пристойную аналогию не подберешь. Приходится применять специализированнные отмывочные среды с увеличенным содержанием органических компонентов и пост-отмывкой в деионизированной воде. Что касается оборудования для мытья – предпочтителен ультразвук с принудительной циркуляцией и подогревом.
Контроль. Визуальный контроль ограничен эндоскопами и камерами бокового обзора, которые мало эффективны для обзора глубоких слоев, которые могут скрывать смещения, сколы, непропаи и т.н. серые контакты – которые то контакты, то не контакты, смотря по температуре, наклону и прочим внешним условиям. Требуется многоэтапное тестирование, как параметрическое, так и рентгеновское. Их лучше сочетать, поэтому предусмотрите тестировочный порт – только электронное тестирование однозначно подтверждает работоспособность изделия, в то время, как источник потенциального отказа должен выявить уже рентген.
Надежность и ремонтопригодность. Все плохо, очень плохо. Специалисты подвальных мастерских подтвердят, заводчане им вторят – сломать легко, ремонтировать тяжко. Сочетание же матричного корпуса, бессвинцового припоя и компаунда – гарантированный суицид в случае поломки. Как говорилось выше – жесткое крепление к плате не поз��оляет компенсировать смещения, возникающие при изгибе платы, перегрузке, тепловых циклах. Так же упомянутая затененность выводов препятствует равномерному прогреву при выпайке, поэтому многие предпочитают при любых проблемах плату пропечь подольше и сплавить обратно потребителю – авось затянется.
Широкое распространение получили так называемые ремонтные станции BGA – на видео выше мы как раз с такой играемся. Вопреки названию, их используют не только для ремонта, но и для монтажа в составе, в остальном, вполне полноценных линий.
Резюмируя размазанное выше:
Храните сухо, используйте быстро.
При заказе плат параметры плоскостности должны указываться в ТЗ.
Пайка в порядке предпочтения: конденсационная, длинная печь на 10+ зон с точной подстройкой, ремонтный центр в составе линии.
Совместимым припоем, в крайнем случае – паста Ag2, флюс M0/L0.
Успешная пайка – когда плата осела из-за оплавления шаров. Если паяете без оплавления выводов – когда припой смочил их полностью.
Мытье в УЗ с подогревом и мешалкой, в два приема – спец.жижа + деионизированная вода.
Обязательный контроль! Минимум – инспекционный микроскоп с призмой для осмотра сбоку и функциональный тест, желательно – рентген.
В прошлых публикациях комментаторы радовали меня лайфхаками и продуктивной дискуссией, надеюсь, эта статья не уступит по количеству таковых.
В прошлых публикациях комментаторы радовали меня лайфхаками и продуктивной дискуссией, надеюсь, эта статья не уступит по количеству таковых.
Почитать
IPC/JEDEC J‑STD 020C. Moisture / Reflow
Sensitivity Classificasion for Nonhermetic Solid
State Surface Mount Devices.
IPC 7095B. Design and Assembly Process
Implementation for BGAs.
Фокусная инфракрасная пайка — ремонт BGA-микросхем с превосходным качеством. Антон Кантер 2015 Технологии в электронной промышленности, № 5'2015
Памятка разработчику. BGA – это просто.
Лейтес И. Реболлинг и проблема обеспечения надежности паяных соединений //Производство электроники. 2008. № 12.
Device Package User Guide/Xilinx, Inc. – 2006. www.xilinx.com
А. Медведев. Технология производства печатных плат. Москва: Техносфера, 2005. - 360с. ISBN 5-94836-052-0
C. Pfeil "BGA Breakouts and Routing" Mentor Graphics Corp. 2013
