BGA-Löten: Techniken, Röntgenprüfung und Nacharbeit

Der stetige technologische Fortschritt hat die Elektronik hin zu leichten, kleinen Produkten vorangetrieben. Um diesen Kundenanforderungen gerecht zu werden, wurde SMT eingeführt. Darüber hinaus erfordert die steigende Nachfrage nach diesen Produkten die Entwicklung hochdichter Technologien, die schnell montiert werden können. Dieser Vorstoß führte zur Entwicklung von Ball Grid Arrays (BGA). Technologie.

Auf den ersten Blick mag das BGA-Löten jedoch schwierig erscheinen, da die Lötkugeln zwischen der Leiterplatte und dem BGA-Körper selbst eingeschlossen sind. Die Leiterplattenmontage mit BGAs hat sich jedoch als erfolgreich erwiesen. Die Vorteile der Verwendung von BGAs sind hinsichtlich Leistung und Zuverlässigkeit erheblich.

Dieser Artikel behandelt wichtige BGA-Löttechniken, Geräte, Prozesse und bewährte Methoden zum Zusammenbau, Prüfen und Überarbeiten von Leiterplatten mit BGA-Komponenten.

Was ist BGA-Löten?

BGA unterscheidet sich deutlich von Pin-Gehäusen, wie beispielsweise Quad-Flatpacks. Die Pins der BGA-Gehäuse sind gitterförmig angeordnet, was dem BGA-Gehäuse seinen Namen gibt. Anstelle der herkömmlichen Drahtstifte werden zusätzliche Lötpads mit Lötkugeln für die Verbindungen verwendet. Auf der Leiterplatte, auf der die BGA-Komponenten montiert werden, sorgt ein passender Satz Kupferpads für die erforderliche Konnektivität.

Vorteil von BGA

BGA-Gehäuse bieten gegenüber ihren Konkurrenten im Quad-Flat-Pack-Format verschiedene Vorteile. Daher werden sie zunehmend zur Herstellung elektronischer Schaltungen eingesetzt. Einige dieser Vorteile sind:

· Das BGA-Löten ist robust: Andere Gehäuse haben sehr feine Pins, die selbst bei sorgfältigster Handhabung leicht beschädigt werden können. Und wenn die Pins erst einmal verbogen sind, ist eine Reparatur fast unmöglich. Bei BGAs ist dies jedoch nicht der Fall, da die Anschlüsse über Pads mit BGA-Lötkugeln erfolgen, die sehr schwer zu beschädigen sind.

· Hochgeschwindigkeitsleistung: Bei BGA-Gehäusen befinden sich die Leiterbahnen auf der Unterseite des Chipträgers. Dadurch sind die Zuleitungen im Chip kürzer. Dadurch sinkt die unerwünschte Zuleitungsinduktivität. Dadurch bieten BGA-Bauelemente eine höhere Leistung als vergleichbare Bauelemente.

· Verbessertes PCB-Design: Aufgrund der engen Kontaktfläche der Pins ist die Leiterbahndichte vieler Gehäuse sehr hoch. Ein BGA verteilt die Kontakte über die gesamte Gehäusefläche und reduziert so das Problem potenziell.

· Niedriger Wärmewiderstand: BGAs bieten einen geringeren Wärmewiderstand zwischen den Siliziumchips. Dadurch kann die von der integrierten Schaltung im Gehäuse erzeugte Wärme schneller und effektiver aus dem Gerät auf die Leiterplatte abgeleitet werden.

Anwendungen von BGA

Ball Grid Array-Löten wird in vielen Branchen eingesetzt, darunter in der Luft- und Raumfahrt, der Computerreparatur und der Elektronikfertigung. Es wird auch zur Verbesserung der Leistung von Hochgeschwindigkeitsschaltungen eingesetzt. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind:

· Reparatur elektronischer Geräte: Es wird zur Reparatur von Geräten wie Laptops, Smartphones, Spielekonsolen und Tablets verwendet.

· Wärmemanagement: BGA-Löten kann das Wärmemanagement in elektronischen Geräten verbessern.

· Reduzierte elektromagnetische Störungen: Es kann elektromagnetische Störungen in Geräten reduzieren, die mit höheren Frequenzen arbeiten.

BGA-Pakete

BGA-Gehäuse sind eine Art SMT-Baugruppe für integrierte Schaltkreise. Sie bieten gegenüber herkömmlichen bedrahteten Bauteilen zahlreiche Vorteile, wie Zuverlässigkeit sowie die Möglichkeit, Dichte und Wärmeableitung zu verfolgen.

BGA-Pakettypen

Wie wird das BGA auf eine Leiterplatte gelötet – BGA-Lötprozess?

Der BGA-Lötprozess ist in der modernen Elektronikfertigung von großer Bedeutung, da er zuverlässige Verbindungen zwischen BGA-Gehäuse und Leiterplatte gewährleistet. Für eine fachgerechte Ausführung sollten Sie jedoch bewährte Verfahren einhalten, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen. Im Folgenden erläutern wir die wesentlichen Schritte und Techniken dieses Prozesses.

BGA-Löttechniken

Beim BGA-Löten kommen hauptsächlich zwei Techniken zum Einsatz: Reflow-Löten und Handlöten. Bei der ersten Methode wird die Lötpaste in einem Reflow-Ofen erhitzt, wodurch sie schmilzt und robuste elektrische und mechanische Verbindungen entstehen. Handlöten wird für Reparaturen und Prototypen eingesetzt und erfordert spezielle Werkzeuge wie Heißluftstationen und erfahrene Bediener, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Wie ich bereits erwähnt habe, ist die Auswahl einer BGA-Löttechnik hängt von der Anwendung, dem Produktionsumfang und der Komplexität des PCB-Designs ab.

BGA-Leiterplatten-Anschlussflächenmuster

Für ein effektives BGA-Löten ist ein ordnungsgemäßes Design des Anschlussflächenmusters auf der Leiterplatte von entscheidender Bedeutung. Die Landmuster sollten dem BGA-Ball-Pitch und -Durchmesser entsprechen. Diese Muster verfügen über nicht lötmaskendefinierte (NSMD) Pads für eine höhere Zuverlässigkeit der Lötverbindungen. Darüber hinaus umfassen diese Muster auch Via-in-Pad-Designs für hochdichte Leiterplatten. Die Einhaltung der IPC-Standards trägt dazu bei, konsistente Ergebnisse zu erzielen und Lötfehler zu reduzieren.

BGA-Lötpastendruck

Der wichtigste Schritt ist das präzise Auftragen der Lötpaste auf die Leiterplatte. Zu den wichtigsten Aspekten gehören:

· Schablonendesign: Sie sollten eine Schablone mit geeigneten Öffnungsgrößen verwenden, die zum Landmuster passen.

· Konsistenz der Paste: Sie sollten außerdem sicherstellen, dass die Lötpaste eine gleichmäßige Viskosität aufweist, um Hohlräume und Lücken zu vermeiden.

· Ausrichtung: Sie sollten auf eine präzise Ausrichtung zwischen Schablone und Leiterplatte achten, um Fehldrucke zu vermeiden.

Komponentenplatzierung

Die korrekte Platzierung der Komponenten des BGA-Gehäuses auf der Leiterplatte erfordert Präzision, um die Lötkugeln mit den entsprechenden Pads auszurichten. Glücklicherweise werden hierfür üblicherweise automatisierte Bestückungsautomaten eingesetzt. Diese Maschinen gewährleisten eine präzise Positionierung, schonende Handhabung zur Vermeidung von Beschädigungen des BGA-Gehäuses und die Überprüfung der Ausrichtung mithilfe optischer Inspektionssysteme.

Reflow-Lötprozess

Der Reflow-Löten Der Prozess dient üblicherweise der Verfestigung der Lötstellen und stellt auch die elektrische Verbindung her. Er umfasst:

1. Vorheizen: Durch diesen Schritt wird die Temperatur schrittweise erhöht und dadurch der Thermoschock minimiert.

2. Einweichen: Es stabilisiert die PCB-Temperatur und aktiviert das Flussmittel zur Reinigung der Oberflächen.

3. Reflow-Zone: Dieser Schritt dient dazu, die Lötpaste über ihren Schmelzpunkt zu erhitzen. Dadurch kann sie fließen und Verbindungen bilden.

4. Kühlung: Wie der Name dieses Schritts schon sagt, verfestigt er das Lot und verhindert thermische Belastungen der Baugruppe.

Daher ist eine genaue Löttemperaturprofilierung wichtig, um Defekte und Fehler wie Lötbrücken, Grabsteinbildung oder Hohlräume zu vermeiden. Durch die Befolgung der oben genannten Schritte können Hersteller robuste Verbindungen und leistungsstarke Baugruppen gewährleisten, und zwar für Anwendungen, die balle gzu befreien array-Komponenten.

BGA-Lötstellenprüfung

Die BGA-Inspektion ist ein Bereich des PCB-Montageprozesses, der bei der Einführung von BGAs auf beträchtliches Interesse stieß.

Inspektionstechniken

Die BGA-Inspektion kann nicht auf herkömmliche Weise mit einfachen optischen Techniken durchgeführt werden. Denn ganz offensichtlich ist die Die Lötstellen liegen unterhalb der BGA-Bauteile und sind nicht sichtbar. Dies sorgte bei der Einführung dieser Technologie für erhebliches Unbehagen. Viele Hersteller führten Tests durch, um sicherzustellen, dass sie die BGA-Bauteile zufriedenstellend löten konnten.

Darüber hinaus erfordert die Qualitätskontrolle von BGA-Lötverbindungen spezielle Prüfverfahren wie Sichtprüfung, Röntgenprüfung, Querschnittsprüfung und akustische Mikroskopie. Diese Prüfverfahren identifizieren proaktiv latente BGA-Lötprobleme, bevor die Produkte die Fertigung verlassen.

Röntgeninspektion für BGA

Die Lötstellen können nicht vollständig durch die Prüfung der elektrischen Leistung geprüft werden. Diese Prüfung des BGA-Lötprozesses zeigt zwar die Leitfähigkeit an, liefert aber kein detailliertes Bild über den Erfolg des BGA-Lötprozesses. Hierfür bietet sich eine BGA-Inspektion mittels Röntgenstrahlen an.

Die Röntgeninspektion ermöglicht es, durch das Gerät hindurch die darunterliegende Lötstelle zu betrachten. Daher hat sich die automatisierte Röntgeninspektion zu einer wichtigen Technologie für die Prüfung von Leiterplatten mit BGAs entwickelt. Erfreulicherweise lässt sich das Löten von BGA-Komponenten sehr gut durchführen, sobald das Wärmeprofil der BGA-Lötmaschine korrekt eingestellt ist, und es treten beim BGA-Lötprozess nur wenige Probleme auf.

Fehlerbehebung bei schlechten BGA-Verbindungen

Vor der BGA-Nacharbeit ist es wichtig, die Ursache zu finden und zu beheben. Mögliche Ursachen für fehlerhafte BGA-Lötstellen sind:

· Thermische Spannungsrisse

· Lötkugeldefekte oder -schäden

· Fehlausrichtung zwischen Kugeln und Feldern

· Feuchtigkeitsaufnahme unter der Verpackung

· Verschmutzungsverhindernde Benetzung

· Unzureichende Lötpastenhöhe oder -menge

BGA-Überarbeitung und Reparatur

Wie erwartet ist es nicht einfach, BGA-Baugruppen nachzubearbeiten, wenn nicht die richtige Ausrüstung zur Verfügung steht.

Übersicht über BGA-Nacharbeit

Die Schritte in einem typischen BGA-Komponenten-Nacharbeitsprozess sind:

1) Zubereitung: Überprüfen Sie zunächst den ursprünglichen Montageprozess auf mögliche Faktoren. Stellen Sie außerdem sicher, dass Ersatzwerkzeuge und -komponenten bereitliegen.

2) Ausbau: Reinigen Sie in diesem Schritt die Pads gründlich und rückstandsfrei. Tragen Sie anschließend erneut Flussmittel auf, um sie für neue Kugeln vorzubereiten. Richten Sie nun die Pads aus und legen Sie das PCB-Landemuster fest.

3) Reballing: Tragen Sie zunächst mithilfe einer Schablone neue Lötkugeln auf das BGA-Gehäuse auf und befestigen Sie diese anschließend mit Reflow-Kugeln an den Gehäuseanschlüssen.

4) Ersatz: Jetzt muss die Komponente vorübergehend mit Klebstoff befestigt werden, das neue BGA muss vor Ort sorgfältig neu ausgerichtet werden und es muss ein Reflow-Verfahren durchgeführt werden, um Verbindungen herzustellen.

5) Inspektion: Zum Schluss müssen Ausrichtung und Kugelverbindungen überprüft und etwaige Kollateralschäden an Pads oder Platine beurteilt werden.

Nacharbeitsgeräte

Zu den typischen BGA-Nacharbeitsgeräten gehören:

· Der Vorwärmer erhitzt die Platine allmählich, um einen Thermoschock zu vermeiden.

· Die Heißluftdüse leitet den erwärmten Luftstrom zur lokalen Erwärmung.

· Das Mikroskop bietet eine hohe Vergrößerung zur Überprüfung von Ausrichtung und Verbindungen.

· Leiterplattenhalterung Sichern Sie die Platine unter dem Bauteil, um eine Erhitzung zu verhindern.

· Geschlossener Kreislauf Temperaturregelung Auch die Düsenauswahl gehört zu den überarbeiteten Ausstattungsmerkmalen.

· Konvektions-Nacharbeitsofen ist für kleine Platinen, die ein vollständiges thermisches Ofenprofil erfordern.

· Das BGA-Toolkit bietet Ausrichtungshilfen, Flussmittel, Kugeln, Schablonen und Klebstoffe.

Diese speziellen Nacharbeitswerkzeuge helfen dabei, BGAs ordnungsgemäß und mit minimalem Kollateralschaden zu entfernen und zu ersetzen.

Nacharbeitsprozess

Wenn der Verdacht besteht, dass ein BGA-Bauteil defekt ist, kann das Bauteil entfernt werden. Dies geschieht durch lokales Erhitzen des BGA-Bauteils, um das darunterliegende Lot zu schmelzen. Bei der BGA-Nacharbeit Das Erhitzen erfolgt häufig in einer speziellen Nacharbeitsstation. Diese besteht aus einer Vorrichtung mit Infrarotstrahler, einem Vakuumgerät zum Anheben des Gehäuses und einem Thermoelement zur Temperaturüberwachung.

Es ist äußerste Sorgfalt erforderlich, darauf zu achten, dass nur das BGA erhitzt und entfernt wird. Andere Bauteile in der Nähe dürfen so wenig wie möglich beeinträchtigt werden, da sie sonst beschädigt werden können.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die BGA-Technologie im Allgemeinen und das BGA-Löten Insbesondere diese Verfahren haben sich seit ihrer Einführung als sehr erfolgreich erwiesen. Sie sind heute ein wichtiger Bestandteil des Leiterplattenbestückungsprozesses, der in den meisten Unternehmen sowohl für die Prototypenbestückung von Leiterplatten als auch für die Massenproduktion eingesetzt wird.

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