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 с 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 позволяет 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:

1. Храните сухо, используйте быстро.

2. При заказе плат параметры плоскостности должны указываться в ТЗ.

3. Пайка в порядке предпочтения: конденсационная, длинная печь на 10+ зон с точной подстройкой, ремонтный центр в составе линии.

4. Совместимым припоем, в крайнем случае – паста Ag2, флюс M0/L0.

5. Успешная пайка – когда плата осела из-за оплавления шаров. Если паяете без оплавления выводов – когда припой смочил их полностью.

6. Мытье в УЗ с подогревом и мешалкой, в два приема – спец.жижа + деионизированная вода.

7. 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

1. IPC/JEDEC J‑STD 020C. Moisture / Reflow

   Sensitivity Classificasion for Nonhermetic Solid

   State Surface Mount Devices.

2. IPC 7095B. Design and Assembly Process

   Implementation for BGAs.

3. Фокусная инфракрасная пайка — ремонт BGA-микросхем с превосходным качеством. Антон Кантер 2015 Технологии в электронной промышленности, № 5'2015

4. Памятка разработчику. BGA – это просто.

   http://www.pcb.by/files/memo_4.pdf

5. Лейтес И. Реболлинг и проблема обеспечения надежности паяных соединений //Производство электроники. 2008. № 12.

6. Device Package User Guide/Xilinx, Inc. – 2006. www.xilinx.com

7. А. Медведев. Технология производства печатных плат. Москва: Техносфера, 2005. - 360с. ISBN 5-94836-052-0

8. C. Pfeil "BGA Breakouts and Routing" Mentor Graphics Corp. 2013