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ボールグリッドアレイのソルダリング技術を正しく理解する方法

だいたいボールグリッドアレイのソルダリング,電子デバイスのサイズが小さくなるにつれて、ピッチサイズは大幅に縮小しています。必要に応じて、電子部品を、トウモロコシの耳に穀物を詰めるのと同様に、プリント基板(PCB)に置く必要があります。したがって、PCB上のピン数の増加は、ボールグリッドアレイ(BGA)はんだ付けの発明に貢献しています。最も価値のある製品パッケージの中で見つけることができます。

しかし、BGA をはんだにする最善の方法や、はんだの欠陥を認識して処理する方法について疑問に思うでしょう。BGA自体のサイズが縮小しており、崩壊したはんだボールは肉眼では認識できません。この記事では、これらすべての点について説明します。始めましょう。

(PCB上のBGA技術のクローズアップを示しています)

1.ボールグリッドアレイはんだ付け – BGA(ボールグリッドアレイはんだ付け)とは何ですか?

BGAは、はんだボールの配置を介して電気接続を行う表面実装装置(SMD)です。リードを持たないし、パッケージははんだで構築され、はんだボールと呼ばれる金属球のアセンブリが含まれています。BGAパッケージの裏側に貼り付けられたこれらのはんだボールを積層基板に取り付けます。

BGAチップは、フリップチップ技術またはワイヤボンディングを介して基板に取り付けられています。内側には、BGAは基板結合とチップの間を接続する内部導電性トレースを有する。また、BGA結合と基板との間にも接続を行う。BGAには爪の代わりにはんだ金属ボールが付いているため、ピンを見ることでBGAパッケージと他のパッケージを区別できます。これらのはんだボールは、208以上のリードである高いリードカウントを与えます。

他のパッケージと比較すると、BGAは高いI/Oデバイスを採用する業界で需要があります。次のセクションでは、他のパッケージよりも BGA パッケージを好む理由について詳しく説明します。

BGA ICの近い図を描いています

(BGA ICの近い図を描いています)

2.ボールグリッドアレイはんだ付け – BGAの特徴

利:

トレース密度が低いほど、PCB 設計が向上します。クワッドフラットパックなどのパッケージでは、ピンが近くにあるため、トレース密度はかなり高くなります。ただし、BGA は、パッケージの表面全体に接点を広めることで、この問題を解決または大幅に軽減します。

頑丈な BGA パッケージ: あなたは非常に注意している場合でも、すぐにそれらを破壊することができるように、クワッドフラットパックは、敏感なピンを持っていることを知っているだろう。また、フックはピンピッチが非常に多く、曲がったピンを修復することはほとんど不可能です。しかし、BGAにはそのような問題はない。BGAでは、パッドとはんだボールは、損傷を与えやすい電気接続を提供します。

低い熱抵抗: ここでも、クワッドフラットパックは熱抵抗が高いですが、BGAはシリコンチップの耐熱性がはるかに低くなります。BGA集積回路が熱を発生させると、パッケージからPCB表面に素早く効率的に移動します。

クワッド フラット パック (QFP)

高速パフォーマンスの向上: BGAでは、導体はチップキャリアの底にあります。チップ内部のリード線の長さが短いことを意味します。それは、順番に、不要な鉛インダクタンスのより低いレベルにつながります。望ましくない鉛インダクタンスは、高周波および速度で動作する回路の不要な信号の歪みを引き起こす。したがって、BGA パッケージを使用すると、同等のクワッド フラット パック (QFP) と比較して高いパフォーマンスを得ることができます。

パッケージの厚さを減らしました: BGAを使用すると、厚さを減らし、スマートフォンなどのスリムな電子製品用のPCBを簡単に製造できます。

PCB スペースの実際的な使用法: BGAチップを使用して、PCBスペースを生産的に使用できます。このSMDチップの表面の下に電気的な接続を行うことができます。SMD パッケージの周辺にのみリンクを制限する必要がなくなりました。

小さなICパッケージを開発できます。ピングリッドアレイやデュアルインラインなどの標準的なSMDデバイスは、ピンが過密で、その間に小さな領域がありました。誤って 2 つ以上のピンを一緒にはんだ付けできるため、欠点です。しかし、BGAを使用すると、そのような問題に遭遇することはなく、簡単に小さなICパッケージを製造できます。

PCB上のBGAフットプリントを示しています

(PCB上のBGAフットプリントを示しています)

欠点:

まあ、あなたはすべてが完璧ではないことを知っているので、BGAは欠点がほとんどありません。まず第一に、あなたがナイーブでBGAを扱う専門家でなければ、回路の設計と作りが困難になります。第二に、BGAパッケージの障害を検査することが困難な場合があります。第三に、BGAは非延性である。最後に、コストが高く、予算によっては不利になる可能性があります。

3.ボールグリッドアレイはんだ付け – BGAの一般的なタイプ

プラスチックBGA

プラスチックBG(PBGA)は、低コストのおかげで最も需要の高いBGAです。彼らは1 mmから1.27ミリメートルまでの範囲のサイズのボールピッチを持っています。これらのBGAは、ガラス混合物ラミネート基板、プラスチックコーティングされたボディ、および刻まれた銅の痕跡に包まれていることがわかります。それらを使用すると、前もったはんだボールと強化された温度安定性を得るでしょう。

アプリケーションについて疑問に思う場合は、中高レベルのパフォーマンスを必要とするデバイスに使用できます。このようなデバイスは、低いインダクタンス、高信頼性レベル、および表面実装の容易さを必要とします。ビニール袋はまた、電力散逸レベルを増加させるのを助けることができる追加の銅層を有する。

セラミックBGA

セラミックBGA(CBGA)は、BGAの最も初期のタイプの一つです。それは外的な電気関係を作り出すためよりむしろはんだボールを利用する長方形か正方形の形の陶磁器のパッケージ入って来。CBGAは箱の本体の裏側に存在するグリッドにあります。ラップトップ、通信システム、およびテスト対象デバイス アプリケーションで使用できます。

フレックステープBGA

このタイプのBGAでは、フレックステープ、チップ、およびはんだボールは金属熱スプレッダーの裏側にあります。このヒートスプレッダーは、フレックステープBGAパッケージのキャリアとスチフナーとして機能します。チップは、ワイヤーボンディングを介してテープトレースに接続され、シースに入れられます。QPFAやPBGAと比較したい場合は、信頼性、電気、熱性能が優れています。ヒートシンクなしで高い熱性能を要求するソリューションのためにそれらを使用することができます。

高プロファイル高熱伝導率メタルトップBGA

フレックスタップBGAと同様に、高プロファイルの高い熱伝導性金属トップBGAを使用して、より高い電気および熱性能を達成することもできます。そのデザインはフレックステープBGAにやや似ています。チップはナメクジまたはヒートスプレッダーの裏側に取り付けられ、パッケージの上部に到達します。そのため、銅のヒートスプレッダーがパッケージ上部に到達するため、大幅に低い熱抵抗を取得し、パッケージ表面は、気流のために自由に利用可能です。

ヒートシンクやその他のパッシブまたはアクティブな熱管理デバイスも使用する必要がある場合は、ヒートスラッグを接続できます。さらに、余分な地面とパワープレーンを設計すると、電気性能が向上します。このタイプの BGA パッケージでは、BGA パッケージの検査が困難な欠点は無効になりました。その上面は反射性が高いので、偏光源ではなく拡散光源を利用する場合、ビジョンシステムは優れた性能を発揮します。

チップスケールパッケージ

このBGAパッケージは、チップのサイズ要件に応じてデザインできるため、その名前を取得します。BGA パッケージは、チップの仕様を満たし、表面実装デバイスである場合は、チップスケール パッケージ (CSP) です。スマートフォン、スマートデバイス、ノートパソコン、その他の高度な小型電子機器で使用できます。

4.ボールグリッドアレイはんだ付け- BGA溶接プロセス

4.1 BGA溶接の基礎

4.1.1 溶接温度

BGAデバイスの溶接やはんだ付けには、溶接温度とはんだ合金構造を選択する必要があります。簡単なヒントとして、BGAチップのはんだが完全に溶けないようにすることができます。半液体の形で残して、各はんだボールを他のはんだボールとは別に保つことを可能にする。

ボールグリッドアレイにはんだボールを置く技術者を示しています

(ボールグリッドアレイにはんだボールを置く技術者を示しています)

4.1.2 溶接キットおよび溶接機

幸いにも、溶接機や溶接キットの広い範囲は、エレクトロニクス市場でBGAのために利用可能です。この技術時代には、オンラインで注文することもできます。溶接機を購入する際に、次の主な機能を考慮するとよい場合があります。

これらは、手動でマウント、はんだ、デダー、BGAチップを取り外すことを可能にするはずです。

4.1.3 PCBのクリーニングを徹底的に行う

さて、あなたは溶接機やキットを持っていて、開始するのに最適な溶接温度を選択したので、それはまだ十分ではありません。BGAのはんだ付けを始める前に、PCBとBGAを完全にきれいにする必要があります。BGAの場合、必要なのはサーフェスを滑らかにすることです。次のセクションでは、ステップバイステップでそれらをきれいにする方法を見てみましょう。

4.1.4 ボールグリッドアレイはんだ付け– BGA洗浄方法

まず、BGAを導電性パッドに配置し、その表面に少量のはんだペーストを追加する必要があります。

次に、はんだ付けアイロンとワイヤーを使用してボールをBGAから分離します。BGAの表面に洗濯ラインを移動する前に、はんだ付け鉄がスズボールをリキフィとし、透過性ワイヤーを加熱しましょう。また、表面割れにつながる可能性がありますので、はんだ付け鉄が表面にあまり圧力をかけないようにしてください。

BGA表面を洗浄するために工業用アルコールを使用し、BGA表面はんだエイドを除去するために摩擦運動を行います。多くの場合、エッジから開始し、コーナーを無視しないでください。続けて拭き続けてください。すべてのBGAにクリーンな溶剤を使用してください。

その後、顕微鏡を使用して、除去されていないスズボールや損傷したパッドがないかBGA表面を確認することもできます。

ブラシと脱イオンスプレーでBGA表面を洗浄します。BGA表面の残りのはんだペーストを除去するのを助けます。BGAを空気中に置いて乾かします。BGA表面を2回テストします。

水分を除去するには、一定温度のオーブンで80°C〜90°Cの温度で10〜20時間、BGAとPCBを焼きます。湿気のレベルに応じて、焼成時間と温度を調節することができます。

静電気による不要なチップの中断を防ぐために、その後のすべての操作で帯電防止手袋または静電気リングを着用してください。

ボールグリッドアレイにはんだボ

4.2 ボールグリッドアレイはんだ付け- BGAはんだジョイント検査

はんだジョイント検査の重要性

BGAの部品の下にあるはんだ接合部は目視で見えないため、PCBメーカーは、BGAを調べるために光学的方法を利用していません。電気鑑は、その正確な瞬間にのみthBGAのe電気伝導率のみを示すため、あまり正確ではありません。それは兵士の寿命を推定しません。はんだジョイントは時間とともに劣化する可能性があります。

X線検査方法

X線はBGAのはんだ付け継手を監視します。X線解析では、部品の下のはんだ付け継手で見ることができます。その結果、業界はBGA検査のために自動X線検査(AXI)技術を広く利用しています。

4.3 ボールグリッドアレイのソルダリング– BGAの基本的な溶接プロセス

BGAの主な問題の1つは、溶接またははんだ付け操作を成功させることができればでした。また、BGAチップの裏側にピンの代わりにパッドが付いているので、適切な溶接方法に従う必要があります。

幸いなことに、BGA溶接技術は、標準のクワッドフラットパックよりも効果的であることを実証しています。プロセスを正しく設定する必要があります。したがって、これはPCBアセンブリのプロトタイプとPCBアセンブリの生産を広い規模で行うということです。

BGA溶接プロセスを開始する前に、はんだとボールのサイズと折りたたまれた高さを慎重に選択する必要があります。はんだボールを加熱し、それらが溶けると、表面張力は、それらが正しくPCBとBGAにフィットすることができます。その後、はんだが冷却され、BGA PCBを準備し、ダウンします。

しかし、はんだボールのこの加熱は、それが聞こえるほど単純ではありません。このためには、リフローはんだ付け方法を使用する必要があります。BGAチップの下のはんだが溶けないようにする必要がありますので、それは非常に重要です。このためには、アセンブリ全体が融点温度を超える必要があります。最終的には、リフロー プロセスのみがリフローを実行できます。

4.4 ボールグリッドアレイのソルダリング – BGAのリフローはんだ付け

フラックスの選択:水溶性および無クリーン

さて、リフローはんだ付け手順を使用する必要がある理由がわかったので、使用するフラックスのタイプに移ります。基本的に、水溶性と非クリーンの2つの変化があります。最終リフローとPCB組立段階で、回路基板を脱イオン水で洗浄できない場合は、クリーンなフラックスを使用できます。LCD、結晶、またはより多くの水に敏感な部品が含まれている場合は、回路基板を渡したくないかもしれません。

一方、PCBを脱イオン水で洗浄する場合は、水溶性フラックスを使用できます。使用するフラックスの種類に関係なく、フラックス タイプは変更アクティビティとはんだペーストのアクティビティ レベルを定義することに注意してください。

はんだの選択

最後に、フラックスを選択した後、右はんだを選択することも不可欠です。リフローが不十分、不十分な変更、および低いステンシル印刷は、すべて開いたはんだボールの障害につながる可能性があります。

5.ボールグリッドアレイはんだ付け – BGAのはんだ欠陥

私たちはちょうどオープンはんだボールの失敗という言葉を述べました。これは、はんだ欠陥の一種であり、また、利用可能なはんだジョイントまたは非崩壊ボールとして知られています。その原因は、リフロー中の不十分な熱です。BGA間欠接続(BIC)は、もう一つのタイプのはんだ欠陥である。それはすべてのピッチサイズに影響を与え、それはしばしば不規則であるため、非常に危険です。無駄な製造時間に隠された数千ドルのOEMの損失と製品リリースの遅延を引き起こす可能性があります。

それにもかかわらず、その名前が示すように、BICは時折崩壊するだけです。見つけにくいため、BICは、追跡が困難な設計のジレンマを複数のOEMエンジニアリンググループに送信し、最終的に管理委員会に送信することで連鎖反応を起せるでしょう。

崩れ落ちないボールやBICのほかに、ショート、オープン、ひび割れたBGAボールも必要です。折りたたまれたボールや BIC と同様に、リフローの熱プロファイルが弱いと、これらの欠陥が発生します。

熱プロファイルは、リフロー中にPCBを温める温度範囲と、ボードが任意の温度で費やした時間を定義します。温度プロファイルのすべての温度ゾーンを適切に接続すると、結果は完全なリフローになります。その後、BGA X線検査で確認できます。

6.ボールグリッドアレイのソルダリング – BGAは問題を修正

6.1 ボールグリッドアレイのソルダリング – 手動BGAはんだり

初めて正しくはんだを使用しなかった場合は、更新する必要があります。部品を取り外すために再作業を行わない場合は、要素の周りにPCBを加熱して、再びはんだが溶けて(田んだを脱田化)し、溶接が改善されるようにする必要があります。コンポーネントとはんだを取り外す必要がある場合は、BGAパッケージの手作業と手はんだ付けが最も複雑な部分です。次のサブセクションで説明します。

6.2ボールグリッドアレイのソルダリング – 手動BGA溶接

1: BGAを取り外し、残りのPCBパッドはんだ付けは慎重に拭き取ります。

2: 次に、湿気に敏感なBGAに水分がないことを確認します。

3: はんだペーストを印刷するための小さなBGAテンプレートを選択します。テンプレートの開口部のサイズと厚さを決定するには、ボールの距離と直径を使用する必要があります。最後に、印刷の品質も検査する必要があります。

4: はんだ付けアイロンを使用して、残差を洗浄し、平準化します。平らなはんだ付けの先端および分解ベルトを更に使用することができる。はんだマスクとパッドを傷つけないように注意してください。

5: 手順 2 と 3 を繰り返します。

6: さて、それはBGAをマウントする時間です。これは、(印刷後)表面PCBアセンブリプレートをワークベンチに配置した場合に役立ちます。その後、適切な吸引ノズルを選択した後、真空ポンプをオンにする必要があります。ノズルはBGAチップを飲み込み、PCBパッドとBGAが重なったら下げます。最後に、BGAチップをPCBと統合し、真空ポンプを閉じます。

7: PCBの厚さ、デバイスサイズなどに与える適切なリフローはんだ付け温度を選択します。一般に、BGA 温度は従来の SM よりも 15 度高い。

8: あなたは今、すべて設定されています。最後のステップはBGA溶接を点検することです。

概要:

この記事では、BGA技術、その種類、長所、および欠点を紹介しました。また、はんだ付けのために購入できる溶接キットや機械について説明しました。そして、あなたがうまくはんだがなかったら、どのようにBGAの手直しを行うことができます。

また、BGAを従来の表面実装デバイスと比較しました。最後に、我々はあなたがそれらを避けることができるようにはんだの欠陥を提示しました。BGA技術に関する情報が必要な場合は、当社にお問い合わせの上、一緒に話し合うことができます

Hommer
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