DFM: postępowanie z BGA (Cz.1).

Pomiary współpłaszczyznowości i wypaczeń BGA

Współpłaszczyznowość jest miarą odchylenia wyprowadzeń (tj. kulek lutowniczych) względem płaszczyzny osadzenia. Więcej definicji i metod pomiaru współpłaszczyznowości można znaleźć w normie JEDEC 22-B108B. Przykładowo, układy BGA firmy Micron spełniają specyfikacje współpłaszczyznowości w następujący sposób:

• 100 µm dla obudów o odstępie kulek 1,0/0,80/0,65 mm (średnica kulki 0,35–0,40 mm)

• 80 µm dla układów o odstępie kulek 0,50 mm (średnica kulek 0,3, 0,25 i 0,20 mm)

W ramach procesu produkcyjnego Micron mierzy współpłaszczyznowość w temperaturze pokojowej na wszystkich obudowach BGA przed wysyłką do klienta.

Wypaczanie to deformacja czy też odchylenie od płaskiej powierzchni obudowy, które występuje podczas etapu lutowania rozpływowego. Wypaczenie pakietu podczas montażu płytki może spowodować, że wyprowadzenia pakietu (tj. kulki lutownicze) będą tworzyć otwarte połączenia lub będą zwarte. Wypaczenie w dużej mierze wynika z niedopasowania współczynnika rozszerzalności cieplnej (coefficient of thermal expansion, CTE) między materiałami z którego wykonane jest BGA, ale także na występowanie tego defektu może mieć wpływ absorpcja wilgoci.

Charakter wypaczenia może być wklęsły (-) lub wypukły (+) (Rysunek 1). Więcej informacji i metody pomiaru wypaczenia można znaleźć w normach JESD22-B112A lub JEITA ED 7036. Wymagania dotyczące wypaczeń różnią się w zależności od aplikacji i wymiarów opakowania.. Trzeba też zauważyć, że niektóre produkty BGA, takie jak na przykład pakiety PoP, muszą mieć jeszcze mniejszą tolerancję na wypaczenia niż inne komponenty w całym zakresie temperatur rozpływu.

Rysunek 1: Wsklęsłe i wypukłe wypaczenie pakietu BGA. Żródło: BGA Manufacturer’s User Guide for Micron BGA Parts © Micron

DFM: Wytyczne dotyczące projektowania obwodów drukowanych z BGA

Wytyczne dotyczące projektowania PCB zależą od wielu zmiennych, w tym rozstawu kulek, ich średnicy i typu padu na PCB. Pola lutownicze zdefiniowane w masce lutowniczej (solder mask-defined, SMD) mają maskę lutowniczą, która częściowo zachodzi na metalowy stanowiący pad i określa tym samym jego  otworu. Pady NSMD (non-solder mask-defined) maski mają pewien prześwit pomiędzy maską lutowniczą oraz samym padem, tak że średnica padu jest określona bezpośrednio przez krawędzie metalu, z którego jest wykonany. Rysunek 2 ilustruje różnicę między padami SMD i NSMD.

Rysunek 2: Pady typu NSMD oraz SMD. Żródło: BGA Manufacturer’s User Guide for Micron BGA Parts © Micron

W przypadku padów typu SMD, przepływ lutowia jest ograniczony do górnej części metalowego padu, co zapobiega zwilżaniu jego boków/ścian (w przeciwieństwie do padu typu NSMD). Poniżej wymieniono niektóre zalety i wady padów SMD i NSMD w kontekście montażu BGA. Jak zawsze: to wymagania konkretnej aplikacji powinny decydować o doborze rodzaju padu.

• Ze względu na fakt, iż proces wytrawiania Cu jest dokładniejszy od procesu nakładania soldemaski, tak więc pad NSMD będzie miał dokładniejsze rozmiary niż pad SMD

• Pady NSMD są mniejsze i pozostawiają więcej miejsca na prowadzenie ścieżek niż pady SMD

• W przypadku gęsto upakowanych układów, stosowanie NSMD zwiększa ryzyko mostkowania.

• Pady SMD mają większą powierzchnię styku z laminatem, co może zapobiegać ich pękaniu (defekt pad cratering).

• Połączenia lutowane na padach SMD są bardziej wytrzymałe na wstrząsy lub upadki

• W niektórych konstrukcjach, konieczność zastosowaniach operacji underfill może mieć wpływ na wybór między padami SMD i NSMD.

Tabela 1: Wytyczne projektowe rozmiarów kulek lutowniczych i padów. Żródło: BGA Manufacturer’s User Guide for Micron BGA Parts © Micron

W przypadku większości aplikacji, Micron zaleca stosowanie okrągłych padów na PCB (jak pokazano w tabeli powyżej) i odradza jednocześnie stosowanie nieokrągłych, podłużnych padów na PCB. W przypadku projektów płytek drukowanych z padami NSMD,  aby zminimalizować ryzyko pękania na styku pad-ścieżka, Micron zaleca zastosowanie tzw. łezki na końcu ścieżki (Rysunek 3).

Rysunek 3: Pożądany kształt łączenia padu i ścieżki, zapobiegający pękaniu warstwy metalicznej na krawędzi padu. Żródło: BGA Manufacturer’s User Guide for Micron BGA Parts © Micron

Czynniki, takie jak średnica kulki lutowniczej lub rozmiar i grubość apertury w szablonie, mogą mieć duży wpływ na kształt kulki po rozpływie i mogą wpływać na zalecenia dotyczące optymalnego zaprojektowania padów. W przypadku połączeń wykonanych na padach SMD/NSMD, średnica styku kulki lutowanej z substratem BGA powinna być o 20% większa lub równa średnicy padu. W żadnym wypadku płytka PCB nie powinna być zaprojektowana tak, aby pady były większe niż kulki.

Dodatkowe szczegóły, dotyczące wymiarów padów i innych kwestii, związanych z projektowaniem PCB, zawarte są w normie IPC 7351B (Generic Requirements for surface mount design and land pattern standard). Dodatkowe czynniki związane z projektem płytki, które należy wziąć pod uwagę w celu uzyskania  wysokiej wydajności procesu SMT to:

• Pady na płytce muszą być płaskie i czyste od wszelkich zanieczyszczeń

• Parametry lutowalności i wykończenie powierzchni musi spełniać wymagania normy  ANSI/J-STD-003

• Właściwy dobór materiałów wykończeniowych powierzchni padu

Żródło: BGA Manufacturer’s User Guide for Micron BGA Parts © Micron