Ball-Grid-Array-Inspektionstechniken

Ball-Grid-Array-Inspektionstechniken

Der ständige technologische Fortschritt hat die Elektronik in Richtung kleiner, leichter Produkte bewegt. Um mit diesen Verbraucherwünschen Schritt zu halten, wurde die Oberflächenmontagetechnologie (SMT) eingeführt. Die gestiegene Nachfrage nach diesen Produkten erforderte jedoch auch die Entwicklung von High-Density-Technologien, die schnell zusammengebaut werden konnten. Dieser Vorstoß führte zur Entwicklung der Ball Grid Array (BGA)-Technologie.

BGA und ähnliche Bauelemente sind schnell zu einem Standardelement im Design moderner Leiterplatten (PCB) geworden. Diese Vorrichtungen sind jedoch nach dem Zusammenbau notorisch schwierig zu inspizieren. In diesem Artikel besprechen wir die Herausforderungen der BGA-Inspektion, Inspektionstechniken, die bei der BGA-Qualitätskontrolle verwendet werden, und Möglichkeiten zur Vermeidung häufiger BGA-Fehler vor der Montage.

Was ist eine Ball-Grid-Array-Inspektion?

Ein Ball Grid Array ist ein oberflächenmontiertes Gehäuse für integrierte Schaltungen, das zur Montage von Geräten verwendet wird. Die Unterseite des BGA ist mit Stiften bedeckt, die in einem Gittermuster angeordnet sind, daher der Name der Technologie. Anstatt Drahtstifte zu sein, werden diese Verbindungen mit Pads mit Lötkugeln hergestellt. Diese Verbindungen müssen aufgrund ihrer Position unter dem Gehäuse sorgfältig gelötet werden.

Sind die Lötverbindungen aber fertig, sind sie für den flüchtigen Betrachter nicht mehr sichtbar. Da sie nicht sichtbar sind, sind fortschrittlichere Inspektionstechniken erforderlich, um ihre Qualität sicherzustellen. Hier spielt die BGA-Inspektion eine entscheidende Rolle.

Die BGA-Inspektion ist ein Prozess, bei dem die Verbindungen zwischen einem Chip und einer Leiterplatte analysiert werden, um die Qualität sicherzustellen. BGA-Inspektionen betrachten verschiedene Aspekte des Ball Grid Arrays, einschließlich der Abstandshöhe des Gehäuses, der Qualität der Verbindungen und mehr. Bei BGA-Inspektionen ist die visuelle Inspektion ohne fremde Hilfe äußerst begrenzt, sodass andere Techniken erforderlich sind, um einen detaillierten Blick auf die Verbindungen zu werfen.

Diese Analysemethoden umfassen elektrische Tests, unterstützte optische Inspektion und Röntgeninspektion. Die Komponenten dieser Techniken werden weiter unten in diesem Artikel ausführlicher besprochen.

Warum ist eine Inspektion wichtig?

Die BGA-Inspektion ist aus einem Grund notorisch schwierig – die Lötstellen befinden sich unter dem BGA-Gehäuse. Aufgrund der Positionierung dieses Merkmals kann es schwierig sein, eine gute Sicht auf das BGA für die Inspektion zu bekommen. Trotz dieser Schwierigkeit ist die Inspektion für BGAs aus mehreren Gründen unerlässlich, darunter:

• Schwierigkeit beim Löten :Das Löten von BGA-Komponenten ist schwierig, da ausreichend Wärme auf das Array aufgebracht werden muss, damit alle Kugeln im Gitter ausreichend schmelzen, um Lötverbindungen herzustellen. Sowohl die Dichte der Verbindungen als auch die Schwierigkeit beim Löten bedeuten eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein Defekt auftritt. Inspektionen helfen Experten, diese Fehler zu erkennen, damit sie den Versand fehlerhafter Teile vermeiden können.
• Unzuverlässige elektrische Tests: Bei elektrischen Tests wird ein Strom durch die Leiterplatte geleitet, um sicherzustellen, dass sie elektrisch einwandfrei ist. Diese Art von Test kann jedoch nur beurteilen, ob der Strom ein- oder ausgeschaltet ist, wenn die BGA-Komponenten angeschlossen sind. Diese Tests sind nicht zuverlässig, da sie nur eine Handvoll Fehlertypen finden können und die Orte der gefundenen Fehler nicht genau bestimmen können. Umfassende Inspektionen, die diese Methode mit anderen Techniken kombinieren, können einen vollständigeren Überblick über Fehler und deren Orte verschaffen.
• Materialwiederverwendung: Wenn bei einem BGA ein Lötdefekt festgestellt wird, kann es mithilfe einer Rework-Station entfernt und zur Wiederverwendung ersetzt oder aufbereitet werden. Durch den Inspektionsprozess werden Mängel frühzeitig erkannt, sodass auf diese Weise Material eingespart werden kann, was Materialverschwendung reduziert.
• Qualitätskontrolle: Die BGA-SMT-Montage ist auf hochwertige physische Verbindungen angewiesen, daher muss die BGA-Qualitätskontrolle eine detaillierte Inspektion dieser Verbindungen umfassen. Inspektionen können auch allgemeine Mängel und Muster identifizieren. Diese sind wichtig, da wiederholte Defekte auf Probleme mit dem Herstellungs- und Montageprozess oder sogar dem PCB-Produktdesign hinweisen können.
• Kostensenkung: Gründliche Inspektionsprozesse minimieren die Anzahl von Fehlern, die an die nächste Produktionsstufe weitergegeben werden. Defekte, die die Inspektion bestehen, können im weiteren Verlauf des Produktionsprozesses erfasst werden, was die Nacharbeit kostspieliger macht. Je später der Fehler erkannt wird, desto teurer wird es für Ihr Unternehmen. Aus diesem Grund ist eine frühzeitige Prävention und Lösung von entscheidender Bedeutung.

Aufgrund der Bedeutung der Inspektion müssen die Inspektionsteams während des Prozesses gründliche und effektive Werkzeuge und Techniken einsetzen. Auf diese Weise können diese Teams alle Probleme erkennen und ihre Standorte und Ursachen lokalisieren, bevor sie zu größeren und kostspieligeren Problemen werden.

Häufige BGA-Defekte

Aufgrund der Komplexität des BGA können während des Lötprozesses für ein BGA viele potenzielle Defekte auftreten. Folgende Probleme können auftreten:

• Fehlausrichtung: Eine Fehlausrichtung tritt auf, wenn PCB und BGA während des Reflows versetzt werden und sich an falschen Punkten verbinden. Dies ist eines der häufigsten Probleme, die während der BGA-Montage auftreten.
• Inkonsistente Abstandshöhe: BGAs werden auf PCBs gesetzt, und unsachgemäßes Löten kann dazu führen, dass das BGA in einem schiefen Winkel auf der Oberfläche der PCB sitzt. Diese asymmetrische Abstandshöhe kann die Sicherheit von Verbindungen beeinträchtigen.
• Fehlende Bälle: Wenn dem BGA Kugeln fehlen, wenn es an der Leiterplatte befestigt wird, können wichtige Verbindungspunkte in der Baugruppe fehlen.
• Nicht benetzte Pads: In manchen Fällen benetzt aufgeschmolzene Lötpaste das Pad möglicherweise nicht richtig. Dies kann durch unvollständiges Reflow oder Lötstopplackreste aus vorherigen Schritten im Produktionsprozess verursacht werden.
• Brücken: Brücken entstehen, wenn zusätzliche Lötpaste zwischen Pastenablagerungen verbleibt. Brücken zwischen Verbindungspunkten führen oft zu Kurzschlüssen.
• Teilweiser Reflow: In einigen Fällen bedeckt der Reflow die Platine möglicherweise nicht vollständig. Dies tritt häufig aufgrund von unzureichendem Lötmittelrückfluss, menschlichem Versagen oder mechanischen Fehlfunktionen auf.
• Popcorn: Popcorning tritt auf, wenn Kugeln während des Lötvorgangs miteinander verschmelzen. Dies ist ein häufiges Problem bei BGA und führt wie Brücken zu Kurzschlüssen.
• Offene Schaltkreise: Unterbrechungen treten auf, wenn Lot das PCB-Pad nicht benetzt und auf Lotkugeln und auf die Bauteiloberfläche klettert. Während ein elektrischer Test dies als Problem auf einer Platine identifizieren kann, kann er die Ursache des Problems nicht identifizieren.
• Entwertung: Voiding tritt auf, wenn der Fluss kurz vor einer Lötverbindung stoppt. Dies ist ein häufiges Problem bei zusammenklappbaren BGA-Komponenten.

All diese Probleme können schwerwiegende Fehler für das Endprodukt sein, daher ist es eine Notwendigkeit, sie mit Qualitätsprüftechniken und -technologien zu erkennen. Glücklicherweise sind moderne Inspektionstechniken so weit fortgeschritten, dass die meisten dieser Defekte mit einem oder mehreren Inspektionsverfahren identifiziert werden können. Allerdings gilt es auch diese Mängel vor der Montage möglichst zu vermeiden.

Designüberlegungen zur Vermeidung von BGA-Defekten

Während die Inspektionstechniken so weit fortgeschritten sind, dass sie viele Fehler erkennen können, bevor sie den Herstellungsprozess durchlaufen, ist es immer ideal, Unregelmäßigkeiten zu vermeiden. Dies erfordert eine sorgfältige Planung durch das Designteam. Um die Chancen auf erfolgreiche Lötverbindungen auf einem BGA zu maximieren, sollten Designteams beim PCB-Layout Folgendes berücksichtigen:

• BGA-Fußabdrücke: PCB-Designer müssen sicherstellen, dass sie das richtige Footprint-Muster für das BGA-Gerät haben, das sie verwenden möchten. Stellen Sie sicher, dass der Footprint korrekt ist, und achten Sie darauf, das PCB-Footprint-Pad genau zu entwerfen, um Kurzschlüsse und Lötprobleme während der Montage zu vermeiden.
• Wärmemanagement: Das PCB-Layout muss die thermische Masse berücksichtigen. Eine enge Gruppierung von BGAs kann zu einem thermischen Ungleichgewicht zwischen stark bestückten und weniger bestückten Teilen der Platine führen. Zum Beispiel kann das Aufbringen von genügend Wärme zum ordnungsgemäßen Löten eng gruppierter BGAs zu Verbrennungen in weniger besiedelten Gebieten führen. Umgekehrt kann die Anwendung von ausreichend Wärme, um zu vermeiden, dass weniger besiedelte Gebiete verbrannt werden, zu Hohlräumen in den BGAs führen.
• Über Platzierung: Vias oder Durchgangslöcher sind übliche Merkmale von PCBs, aber die Platzierung von Vias kann das Verhalten des Lötmittels im BGA-Montageprozess beeinflussen. An ein BGA-Pad angrenzende Vias können dazu führen, dass überschüssiges Lot vom Pad zum Via fließt und einen Kurzschluss verursacht. Um dies zu vermeiden, decken Sie alle Vias neben einem BGA-Pad mit Lötstoppmaske ab.

Zusätzlich zu diesen Konstruktionsüberlegungen sollten Sie auch darauf achten, vor der Montage ein geeignetes Reflow-Profil zu entwickeln und zu überprüfen. Dazu wird ein Profiler verwendet, um den Temperaturbereich an der BGA-Kugel/Pad-Verbindung zu messen und zu protokollieren, wenn die Platine den Reflow-Ofen durchläuft. Dies kann mit unbestückten Leiterplatten und BGA-Teilen erfolgen. Diese Daten können verwendet werden, um sicherzustellen, dass das Reflow-Profil für die Paste und das thermische Profil der Leiterplatte korrekt sind, und um alle Designprobleme vor der Montage zu identifizieren.

Inspektionstechniken für Ball Grid Array

Das Vermeiden von Fehlern ist das Ziel, aber eine BGA-Inspektion ist immer notwendig, um die Verbindungen zwischen einem BGA und einer Leiterplatte zu analysieren. Da es fast unmöglich ist, die Lötstellen durch direkte visuelle Beobachtung zu sehen, wird diese Analyse mit verschiedenen Inspektionstechniken und -werkzeugen durchgeführt. Diese Tools und Techniken haben sich im Laufe der Jahre entwickelt, um zuverlässig und benutzerfreundlich zu sein. Obwohl diese Tools nicht einzeln verwendet werden können, um alle Aspekte der Inspektion abzudecken, können sie in Kombination einen umfassenden Überblick über die BGA bieten.

Inspektionswerkzeuge und -techniken werden häufig in die folgenden Kategorien eingeteilt:

1. Elektrische Prüfung

Das elektrische Testen von BGAs ist ein weiterer Inspektionsprozess, der die elektrischen Eigenschaften der Platine testet. Dies unterscheidet sich von mechanischen Tests, bei denen es sich um einen destruktiven Prozess handelt, bei dem das BGA Schock- und Schertests unterzogen wird, um die Qualität von Lötverbindungen unter Belastung zu bewerten.

Elektrische Tests lassen einen Strom durch ein BGA laufen, um die elektrische Stabilität der Platine zu analysieren. Der Test bestimmt, ob der Strom ein- oder ausgeschaltet ist, nachdem die BGA-Komponente angeschlossen wurde. Diese Art von Test ist nützlich, um festzustellen, ob elektrische Probleme wie Kurzschlüsse oder Unterbrechungen vorliegen. Wie bereits erwähnt, können elektrische Tests jedoch nur das Vorhandensein dieser Defekte identifizieren – sie können nicht verwendet werden, um zu lokalisieren, wo sich ein Defekt auf einem BGA befindet.

Während elektrische Tests ein wichtiger Schritt im Inspektionsprozess sind, ist es schwierig, Testpunkte unter BGA-Komponenten zu erkennen. Es ist auch schwierig, Bewertungsanforderungen allein mit elektrischen Tests zu erfüllen. Stattdessen werden elektrische Tests häufig in Kombination mit anderen Testtechniken verwendet, um Probleme bei einer Ball-Grid-Array-Inspektion zu identifizieren.

2. Optische oder Sichtprüfung

Die optische Inspektion, auch als visuelle Inspektion bezeichnet, ist die Verwendung optischer Technologie zum Betrachten eines BGA und seiner Verbindungen. Diese Technik verwendete in der Vergangenheit das bloße Auge oder Mikroskope, die nur begrenzte Ergebnisse lieferten. Als besonders wertvoll hat sich bei dieser Untersuchungstechnik jedoch das Einführen des Endoskops erwiesen.

Das Endoskop wurde ursprünglich für medizinische Anwendungen entwickelt, aber die Fähigkeit der Technologie, winzige Objekte in engen Bereichen visuell zu inspizieren, macht es ideal für BGAs. Die Technologie beinhaltet die Verwendung einer Kamera mit einem stark vergrößernden Objektiv und einem angeschlossenen Monitor, um Nahaufnahmen eines Inspektionsbereichs zu erhalten. Diese Technologie wird häufig mit Visualisierungssoftware für erweiterte Bilderfassung und -messung kombiniert.

Die Sichtprüfung mit einem Endoskop ermöglicht es Technikern, die äußere Reihe von Verbindungen zwischen einem BGA und einer Leiterplatte zu betrachten – bei guter Beleuchtung können Techniker auch einige innere Reihen sehen. Diese optische Technik hilft dabei, die Gesamtqualität einer Lötstelle zu identifizieren und zu bewerten, einschließlich der Form, Oberflächenstruktur und des Aussehens der Lötstelle, die alle auf unterschiedliche Defekte hinweisen können.

Die optische Inspektion kann auch Kurzschlüsse, Unterbrechungen, Ablagerungen und kaltes Lot identifizieren und ist für die Beurteilung von Nacharbeiten unerlässlich, da sie eine ordnungsgemäße Reflow-Abdeckung erkennen kann. Die visuelle Leistungsfähigkeit dieser Inspektionstechnik ist jedoch begrenzt und ermöglicht keine detaillierte Analyse der internen Verbindungen.

Ein letzter Hinweis zu Endoskopen ist, dass sie ein äußerst vielseitiges Inspektionsgerät sind. Endoskope können verwendet werden, um BGA-Lötstellen sowie verschiedene oberflächenmontierte und durchkontaktierte Baugruppen zu inspizieren, die mit normalen Methoden schwierig zu analysieren sind.

3. Röntgeninspektion

Die fortschrittlichste Inspektionsmethode für BGAs ist die Röntgeninspektion. Röntgenstrahlen funktionieren, indem sie Röntgenenergie von einer Röntgenröhre auf die Platine emittieren. Röntgenstrahlen passieren die Platine in unterschiedlichen Mengen, wobei mehr Röntgenstrahlen in dichten Bereichen wie Lötstellen eingefangen werden. Die Röntgenstrahlen werden dann an einem Detektor gesammelt, der sie in sichtbares Licht umwandelt und ein Bild erzeugt.

In diesem Bild sind Lötstellen dunkler als ihre Umgebung, sodass der Betrachter Lötmuster erkennen kann. Das resultierende Bild zeigt ein einheitliches Gitter identischer dunkler Kreise in einer idealen Platine, wobei die Kreise die Lötstellen sind.

Der Röntgentest führt zu einem Bild, in dem das Kugelgitter und die Lötmuster leicht zu sehen und von oben nach unten zu inspizieren sind. Eine fortschrittlichere Röntgeninspektionstechnologie verfügt über eine Neigungsfunktion, mit der die Form von Lötstellen aus verschiedenen Winkeln analysiert werden kann. Diese Bilder sind besonders nützlich, um Variationen in Lötmustern und -formen zu sehen, was dies zu einer guten Technologie zum Identifizieren von Lötbrücken, Popcorning, überschüssigem Lötmittel und ähnlichen Defekten macht. Diese Technologie ist jedoch nicht gut darin, Öffnungen zu erkennen.

Wie Endoskope kann die Röntgeninspektionstechnologie in verschiedenen Anwendungen außerhalb der BGA-Inspektion eingesetzt werden. Einige Beispiele umfassen Durchkontaktierungs- und Durchgangslochinspektion, Oberflächenmontage-Defektanalyse und bleifreie Lotinspektion.

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Wenn sie in Kombination miteinander verwendet werden, können effektive und gründliche Ball-Grid-Array-Inspektionstechniken die Anzahl der Fehler, die die Inspektionsphase bestehen, erheblich reduzieren. Durch die Verringerung der Anzahl von Fehlern, die sich im Produktionsprozess fortbewegen, können Unternehmen das Auftreten kostspieliger Nacharbeiten und Rückrufaktionen verringern. Es ist jedoch immer ideal, BGA-Defekte durch hochwertiges Design zu vermeiden. Wenn Sie Fragen zu BGAs, Inspektionstechniken und Möglichkeiten zur Vermeidung von BGA-Defekten haben, wenden Sie sich für weitere Einzelheiten an die Experten von Millennium Circuits.

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