通信モジュール BGA基板実装

       BGAのパッケージ形状の特殊性から、リワークには専用のリワークツールが必要であり、リワークが難しく成功率が低い。

       電子アセンブリ メーカーにとって、BGA アセンブリの品質を向上させることは、製品の品質を向上させ、コストを削減する上で非常に重要です。

①BGAのパッケージ形態

       現在のBGAパッケージは、主に基板の種類によってPBGA（プラスチックパッケージBGA）とCBGA（セラミックパッケージ）に分けられます。

(パッケージ BGA) および TBGA (テープ キャリア パッケージ BGA)。 PBGA パッケージは、両面または多層 PCB 基板に実装および相互接続されたチップで構成され、上面の信号トレースを基板の底面の対応するパッドに相互接続するビアがあります。 チップ ボンディングとワイヤ ボンディングの後、組み立てられた部品は、トランスファー成形または射出成形によって成形され、カプセル化されます。 現在、最も広く使用されている BGA デバイスであり、主に通信製品や民生用製品で使用されています。 次の利点があるため、SMT アセンブリで広く使用されています: パッケージ領域に対する I/O 端子の比率が高い: エポキシ樹脂 PCB の熱膨張係数 CTE と一致し、優れた熱総合性能を備えています。

良好な電気的性能; 相互接続密度が高い。 SMT アセンブリではんだボールの共平面性要件が低くなります。通常は 0.15 ～ 0.20 mm です。 SMT リフロー エンジニアリングにおけるセルフ センタリング機能: 狭ピッチのはんだペースト印刷を排除します。 パッド間のブリッジの可能性を減らします。     

       PBGA デバイスは湿度に非常に敏感なデバイスであり、アセンブリ前に影響を受けるコンポーネントを避けるために、一定の温度と乾燥した条件下で保管する必要があります。 一般的に BGA の理想的な保管環境は 20 ～ 25℃、RH は 10% 未満です (窒素保護対策を施した方がよい)。 そのため、BGA 封止防湿パッケージ開封後は、規定の時間内に基板に実装する必要があります。 開梱後の PBGA チップの使用期間は、チップの感度レベルによって決まります。

      組み立てプロセス中、BGAのパッケージは開封後の対応する時間内に組み立てることができず、露出時間が超過します

      BGA を次に使用する前に良好なはんだ付け性を持たせるために、BGA をベーキングすることをお勧めします。 加熱温度が高すぎると、はんだボールと BGA の接合部で金属間化合物が厚くなり、クラックが発生しやすくなるため、通常、焼成温度は 125°C を超えないようにし、RH は 60% 未満にする必要があります。 アセンブリ プロセス中に、BGA アセンブリの失敗につながります。 ベーキング時間は、BGA の感湿性レベルと BGA の厚さに密接に関係しています。

      PBGA はんだボール コンポーネントは、一般に Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、および Sn96.5Ag3 です。 0Cu0. 5 合金、はんだボール

間隔は一般に 1.50、1.27、1.0、0.8、および 0.5 mm で、はんだボールの直径はさまざまな用途に応じて調整できます。

必要な差は 0.75 ～ 0.30 mIn です。 ピッチが小さい BGA の場合、実装密度が高いほど、BGA アセンブリのプロセス要件が高くなります。 CBGA の相互接続は、Sn10Pb90 高温はんだボールと、Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、Sn96.5Ag3 などの低融点はんだを介してはんだボールを基板にはんだ付けすることによって完了します。 0Cu0.5。 はんだボール配列のピッチが1.27mmの場合のはんだボールの直径は0.89mmであり、ピッチが1.0mmの場合のはんだボールの直径は0.64rn/nである。 CBGA パッケージの主な利点には、(1) パッケージ化されたコンポーネントの高い信頼性と優れた性能があります。(2) 優れたコプラナリティと容易なはんだ付け。 (3)湿気および長い貯蔵時間に敏感でない; (4) 優れた電気的性能: (5) 高い実装密度。 CBGA の主な欠点は、PCB の熱膨張係数 CTE と一致しないことです。これにより、熱疲労障害が発生しやすくなり、熱信頼性が低くなり、パッケージのエッジを PCB パッドに合わせるのが難しくなります。 、およびパッケージングコストが高い。

     TBGA は、基板として銅/ポリイミド キャリア テープを使用して、チップとはんだボールおよび PCB 間の接続を実現するパッケージ形式です。

     TBGA パッケージには次のような特徴があります。(1) エポキシ樹脂回路基板との良好な熱的整合。(2) パッケージの端から PCB パッドと位置合わせできます。 (3) 湿気や熱に弱く、異種材料の多成分重合は信頼性に悪影響を及ぼします。

②基板設計

      BGA パッケージの特殊性により、そのはんだ接合部は BGA パッケージ本体の下部のエリア アレイ構造にあり、組み立てプロセス中に PCB がわずかに変形すると、BGA はんだボールが断線する可能性があります。 したがって、BGA の位置設計は、PCB の 4 つのコーナー、エッジの位置、コネクタ、取り付け穴、スロット、まな板、ギャップ、およびコーナーなど、PCB のたわみが大きく応力の高い領域から離れている必要があります。

     BGA は熱容量が大きいため、PCB 表面コンポーネントの温度均一性を確保するために、BGA の周囲 5 分間の領域にコンポーネントを配置して、PCB アセンブリ中の不均一な温度分布による変形を回避する必要があります。

     PCB の変形を減らし、BGA アセンブリの品質を向上させるためには、リフロー温度の上昇により、特に鉛フリーの電子アセンブリに適したはんだ付けプロセスのために、優れた PCB 材料が必要です。 材料。 現在広く使用されている修正FR4タイプの基板は、170°Cを超える値を持ち、基本的に鉛フリーおよびスズ鉛リフローはんだ付けプロセスの要件を満たすことができます。

      BGA に対応する PCB のパッド設計は、通常、はんだボールの直径よりも 20% 小さく、各はんだボールに対応するパッドは純銅でなければなりません。

      PCB パッドの最大直径は、BGA デバイスの下部にあるはんだボールのパッド直径であり、最小直径は、BGA デバイスの下部パッドの直径から実装精度を引いたものでなければなりません。 はんだマスクはパッドの周囲に設計する必要があり、はんだマスクのサイズはパッドより 0.1 ～ 0.15 mm 大きくして、はんだの損失と短絡または仮想はんだ付けの原因となるのを防ぐ必要があります。 パッドの隣にスルー ホールを設計する必要があります。 ホール メッキ後、スルー ホールは誘電体または導電性接着剤でブロックする必要があり、高さはパッドの高さを超えてはなりません。

③BGA組立工程

      BGA アセンブリ プロセスでは、すべてのステップとすべてのプロセス パラメータが BGA アセンブリに影響を与えるため、BGA アセンブリのすべてのステップを厳密に管理する必要があります。 スズ鉛および鉛フリーの電子アセンブリ プロセスでは、はんだペースト印刷とチップ配置プロセスに大きな違いはありません。 主な違いは、リフロー プロセスでの温度曲線の設定にあります。 溶接工程には大きな違いがあります。 さらに、BGA のパッケージ形式が異なるため、熱抵抗も異なります。 リフローはんだ付け温度曲線の要件を満たすために、温度設定と時間にも一定の違いがあります。

3.1 はんだペースト印刷

      はんだペーストは、合金はんだ粉末、フラックス系、およびチキソトロピー剤系の均一な混合物であり、チキソトロピー特性を備えたペーストの流れを持っています。

      バルクはんだペーストの保管条件は、一般的に 2~5°C で 3~6 ヶ月保管されます。 保管中に化学変化がなく、はんだ粉とフラックスが分離せず、粘度や粘度が変化しません。 はんだペーストは印刷前に自然に温める必要があり、一般的な温め時間は 4 ～ 8 時間です。 はんだペーストを室温に温める前に、容器を分解したり、はんだペーストをかき混ぜたり、はんだフラックスへの損傷を避けるために無理に加熱したりしないでください。 の分析。 良好な印刷適性とはんだ付け性を確保するため。

      はんだペーストの印刷量は適量にしてください。 ブリッジングなどのはんだ付け不良が多すぎると発生しやすく、はんだペーストが少なすぎると、回路の断線や仮想はんだ付けなどのはんだ付け不良が発生しやすくなります。

       欠点をピックアップ。 はんだペースト EO, ~U 量の制御は、印刷テンプレートの厚さ、スキージの圧力、および印刷速度に依存します。 印刷テンプレートは、一般的にステンレス鋼でできています。 BGA テンプレートの開口部の直径は、通常、パッドの直径よりもわずかに小さく、その厚さは通常、適切な量のはんだペーストの印刷を確保するために 0.12 ～ 0.15 mm です。

       はんだペーストを印刷する場合は、通常 60 を使用します。ステンレス鋼のスクレーパーでは、スクレーパーの圧力は通常 35 ～ 100 N に制御されます。     

       はんだペーストの転写量が不十分で大きすぎると、印刷されたはんだペーストが薄くなりすぎて、テンプレートの裏側と PCB 基板にはんだペーストが混入する可能性が高くなります。

       印刷速度は一般的に 10 -25 mllfS です。 速すぎると、スクレーパーがスライドして印刷を逃しやすくなります。 遅すぎると、はんだペーストのインプリントのエッジが不均一になりやすく、PCB 基板の表面が汚染されます。 BGAはんだ接合部のピッチが小さいほど、印刷速度が遅くなり、良好な印刷品質を確保できます。 印刷後の成形速度は、一般的に0.5～1.5倍に設定されます。 0 mllfS では、はんだ接合部の間隔が小さいほど、離型速度を遅くする必要があります。 現在、研究では、脱型速度を加速するように設定する、つまりゼロから徐々に加速するように設定すると、一定速度の脱型中のはんだペーストの崩壊とはんだペーストとテンプレートの分離不良を回避でき、脱型効果が良好であることが示されています。

       また、印刷時は使用環境の管理に注意し、温度は約25℃、湿度は約RH55%に管理しております。

       そうです、印刷された PCB は 30 分以内にリフローして、はんだペーストが長時間空気にさらされてアセンブリの品質に影響を与えるのを防ぐ必要があります。

3.2 パッチ

       パッチの主な目的は、BGA 上の各はんだボールを PCB 上の対応する各パッドに位置合わせすることです。 BGA のはんだボールはパッケージの底にあるため、位置合わせには特別な装置を使用する必要があります。 BGAを搭載する搭載機の搭載精度は、0.001rain程度が必要です。 BGA デバイスは、画像認識によって PCB に正確に配置できます。 BGA はんだボールのコプラナリティには一定の偏差があり、はんだペーストの印刷には一定の違いがあるため、良好なはんだ付け品質を確保するために、一般に BGA の高さから 25-41-50.80 pm を差し引き、遅延を使用して電源をオフにします。 同時に約 400 ミリ秒の真空システム。これにより、BGA のはんだボールが取り付け時にはんだペーストと完全に接触し、リフロー プロセス中に BGA の特定のはんだ付け回路が開回路になる現象を回避できます。

3.3 リフローはんだ付け

       リフローはんだ付けは、BGA アセンブリ プロセスで制御が難しいプロセスです。 プロセスパラメータを設定し、適切な温度曲線を取得します

       BGA の良好なはんだ付けは非常に重要です。 BGA のパッケージ形態が異なるため、CBGA の熱抵抗は PBGA の熱抵抗よりも大きいため、同じ温度を実現するには、CBGA は PBGA よりも高い温度設定と長い予熱時間を必要とします。 錫鉛はんだペーストと鉛フリーはんだペーストでは、設定温度や加熱時間が大きく異なります。

       予熱段階: 予熱の主な目的は、PCB とそのコンポーネントを均等に加熱すると同時に、PCB とコンポーネントにベーキング効果を与えることです。

       ベーキングの機能は、その中の水分を取り除き、はんだペースト内の適切な量のフラックスを蒸発させることです。 予熱段階での温度上昇率は、PCB の加熱が速すぎて大きな変形を引き起こすのを防ぐために、速すぎてはいけません。 - 一般に、加熱速度は 3"C/s で制御され、予熱時間は 60 ～ 90 秒です。     

       活性化段階: この段階の主な目的は、はんだペースト内のフラックスを活性化し、パッドの表面とはんだペースト合金の表面の酸化物を除去し、きれいな金属表面を実現してはんだペーストのリフローに備えることです。 処理する。 同時に、はんだペースト内の余分なフラックスを蒸発させ、PCB を予熱することで、リフロー プロセス中の過度の温度上昇による PCB の変形を防止します。 スズ鉛はんだ付けの場合、この段階の温度は 60 ～ 120 ℃ で 150 ～ 180 ℃に維持する必要があります。鉛フリーはんだ付けの場合、この段階の温度は 60 ～ 180 ℃ で 160 ～ 200 ℃ に維持する必要があります。 S、フラックスがその効果を十分に発揮できるように。 活性化段階での温度上昇率は、一般に0.3±0.5℃/Sに制御されています。

       リフロー段階：この段階では、はんだ接合部の温度がはんだペーストの融点を超えて上昇し、はんだペーストが溶融状態になります。 戻る

      フロー段階の主な目的は、溶融はんだがコンポーネントのパッドとリードを濡らして、良好なはんだ付け要件を達成することです。 PBGA の場合、そのはんだボールは Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、および Sn96 です。 リフロー プロセス中、はんだボールは溶融せず、はんだペーストが溶融してパッドと高温のはんだボールを濡らし、はんだ接合を形成します。 したがって、溶融はんだペーストがパッドとはんだボールを十分に濡らすには、適切な時間が必要です。 時間が短すぎると、濡れが悪くなり、仮想的な継ぎ目を形成する可能性があります。 時間が長すぎると、はんだとパッドの間に厚い隙間ができることがあります。 - 層状金属間化合物 Cu6sn5 および Cu3Sn は、脆い特性により、クラックを形成しやすく、はんだ接合不良を引き起こします。 特に鉛フリーの電子アセンブリでは、鉛フリーはんだに含まれる合金元素 Sn の含有量が高いため、高温でより厚い金属間化合物が形成されやすくなり、はんだ接合部の故障につながります。 時間は 60. -90 秒以内に制御され、210 ～ 225 ℃ のピーク温度範囲内の時間は 10 ～ 20 秒以内に制御されます。鉛フリーはんだ付けの場合、通常、溶融以上の時間を制御する必要があります。 217 ～ 219 ℃ の点は 60 ～ 120 秒以内で、そのうち 230 ～ 235 ℃ のピーク温度範囲での時間は 20 ～ 40 秒以内に制御するのが適切です。     

       冷却段階: はんだペーストがリフローされた後、フラックスが完全に消費され、溶融金属はんだ接合部が形成されます。 主な冷却段階

主な目的は、はんだ接合部を凝固させながら結晶粒を微細化し、金属間化合物の成長を抑制し、はんだ接合部の強度を向上させることです。 ただし、過度の冷却速度により、PCB の変形や電子部品、特に BGA などの熱吸収の大きい部品の熱割れが発生します。 冷却速度が速すぎると、内部パッケージが損傷しやすくなり、BGA の故障につながります。 通常、冷却速度は 1～3℃/s の範囲で制御されます。

4. 結論

     BGAの組み立ては非常に複雑なプロセスです。 BGA のパッケージ形態、PCB の設計、はんだペーストの特性とその印刷プロセス、SMT プロセス、および適切なリフローはんだ付け温度曲線から、どのプロセスの問題も BGA アセンブリの失敗を引き起こす可能性があります。 したがって、BGA の組み立て工程では、BGA の組み立て品質を向上させるために、組み立て工程を厳密に管理する必要があります。