Klejenie narożników i klejenie krawędziowe BGA: podstawowe wymagania sprzętowe

Proces underfill został zaprojektowany w celu poprawy niezawodności komponentów w obudowach flip-chip, w szczególności zmęczeniowej odporności połączeń podczas cykli termicznych, powodowanych niedopasowaniem współczynników rozszerzalności cieplnej (CTE) między układem scalonym a podłożem. Proces ten później został też zaadoptowany do bezpośredniego mocowania flip-chip’ów do PCB, co poprawiało nie tylko odporność na defekty zmęczeniowe, ale także podnosiło niezawodność podczas zginania i wstrząsów mechanicznych. Kiedy obudowy BGA weszły do ​powszechnego ​użytku w elektronice przenośnej (zwłaszcza w telefonach komórkowych) stwierdzono, że wiele obudów BGA ulegało defektom podczas wstrząsów mechanicznych, takich jak upuszczenie telefonu. W odpowiedzi, pod koniec lat 90-tych, zaczęto powszechniej stosować undefilling BGA na poziomie płytki, polegający na aplikacji wypełnienia po lutowaniu rozpływowym i utwardzeniu materiału przed ostatecznym montażem.

Corner bonding BGA (wzmocnienie w narożnikach)

BGA wzmocnione underfillingiem na całej powierzchni zapewniają zwykle większą niezawodność, niż jest to potrzebne w przypadku wielu aplikacji, tak więc branża zaczęła szukać tańszych alternatyw. Opracowano proces corner-bond (czasami nazywany corner-glue). W tym procesie klej podobny do kleju do montażu powierzchniowego (SMA) jest umieszczany na płytce PCB w narożnikach BGA przed umieszczeniem komponentu na PCB. Gdy płytka drukowana poddawana jest lutowaniu rozpływowemu, materiał utwardza ​​się i zapewnia dodatkową odporność na wstrząsy i zginanie układu. Aby zwiększyć niezawodność, opracowano alternatywne wzory, takie jak przypominający kształty litery ‘L’ (patrz rysunek tytułowy). Chociaż materiały te są podobne do SMA, zostały zaprojektowane specjalnie aby ułatwić odpowiednie formowanie się połączeń i samonastawianie podczas procesu reflow. Główne zalety takiego rozwiązania polegają na tym, że nie są wymagane ani dodatkowy piec do utwardzania, ani specjalistyczny sprzęt dozujący. Ponadto, BGA umocnione jedynie w narożnikach często nadają się do przeróbek, w przeciwieństwie do komponentów z pełnym underfillingiem.

Dokładność aplikacji pod względem ilości i położenia materiału bezpośrednio koreluje z niezawodnością procesu. Jak zauważono, w opisywanym procesie stosowany jest standardowy sprzęt do dozowania SMA, oparty na dozowaniu igłowym, który najczęściej jest wystarczający do tej aplikacji. Wadą korzystania z tego sprzętu jest jednak to, że w wymagających aplikacjach, często nie umożliwia on wykonywania dostatecznie elastycznych wzorów, nie jest on też dostatecznie dokładny jeśli chodzi o ilość dozowanego materiału. Ponadto, przy bardziej wyrafinowanych wzorach dozowania, trudno jest ‘nadążyć’ za produkcją średnio- i wysokonakładową (tj. ponad 30.000 CPH).

BGA ze wzmocnieniem krawędziowym (Edge Bonding)

Wzmocnienie krawędziowe zyskuje na popularności jako alternatywa dla pełnego underfill i wzmacniania narożników. W tej odmianie procesu, BGA jest umieszczane na PCB, poddane lutowaniu rozpływowemu a następnie klej jest dozowany wzdłuż krawędzi obudowy. Sam materiał jest zaprojektowany tak, aby ograniczyć lub zapobiec przepływowi kapilarnemu materiału i aby pozostawał on jedynie na krawędziach BGA. Materiał tego typu jest zazwyczaj utwardzany cieplnie. Ponieważ materiał do łączenia krawędzi znajduje się jedynie na zewnątrz obudowy, możliwe jest utwardzanie UV, co zapewnia szybszą i tańszą produkcję w porównaniu z utwardzaniem cieplnym. Podobnie jak w poprzednim przypadku, BGA łączone krawędziowo można również przerabiać i poddawać kontroli wizualnej.

Wymagania sprzętowe dla procesu underfill

Co prawda underfill może być wykonywane ręcznie, jednak serie produkcyjne o średniej lub dużej wielkości, a także komponenty o dużej wartości, wymagają automatycznego sprzętu dozującego i pieca do utwardzania. Typowe funkcjonalności sprzętu dozującego dla pełnego procesu underfill:

• Stacja podgrzewania wstępnego ogrzewa płytkę do temperatury umożliwiającej underfill. Aby spełnić wymagania dotyczące szybkości produkcji bez wywoływania naprężeń, wynikających z niedopasowania CTE, tego typu stacja musi umożliwiać różne szybkości narastania temperatury oraz podgrzewanie dwustronne.

• Stacja dozowania musi utrzymywać płytkę w optymalnej temperaturze podczas całego procesu underfill.

• W zależności od układu płytki i gęstości upakowania, mogą być potrzebne zautomatyzowane systemy z algorytmami wykrywania krawędzi w celu precyzyjnego rozmieszczenia materiału.

Wiele materiałów underfill ma właściwości ścierne, dlatego sprzęt musi być zaprojektowany tak, aby uwzględniać ten fakt

• Materiał underfill często ma ograniczoną żywotność, co wymaga uważnego zarządzania temperaturą zbiornika płynu, monitorowania czasu użycia materiału oraz stosowania sprzętu, który można szybko i łatwo wyczyścić.

• Ograniczona żywotność oznacza również zmiany reologii materiału podczas produkcji, które muszą być uwzględnione poprzez kalibrację.

W zależności od rozmiaru BGA, układu płytki i gęstości upakowania układu, underfill może wymagać zastosowania wielu etapów dozowania, które są precyzyjnie zaplanowane w celu zoptymalizowania szerokości depozytu materiału i zapobiegania tworzeniu się pustek. Warto też zauważyć, że użycie technologii natryskiwania zamiast dozowania igłowego może zmniejszyć zużycie materiału o 35% i poprawić wydajność produkcji nawet o 400%.

Wymagania sprzętowe dla procesu corner bonding

Następujące cechy różnią sprzęt do corner bondingu od standardowych wymagań wobec sprzętu do underfillingu:

• Nie jest wymagane ogrzewanie PCB, co eliminuje konieczność posiadania stacji podgrzewania wstępnego i mechanizmu podgrzewania dozownika. W efekcie, całe urządzenie może być znacznie mniejsze.

• Materiał do wzmacniania narożników nie musi być ścierny, co zmniejsza wymagania dotyczące części wewnątrz urządzenia do dostarczania płynu.

• Materiał do łączenia narożników ma zazwyczaj dłuższą żywotność, co wydłuża cykl czyszczenia i dostosowania do zmian reologicznych.

• Nie są wymagane liczne kroki dozowania i algorytmy czasowe.

W procesie klejenia narożników kluczowe znaczenie ma precyzja w rozmieszczeniu i objętości materiału. Jako że materiał wiążący jest dozowany przed umieszczeniem samego komponentu i lutowaniem rozpływowym, sam materiał nie może zakłócać tych procesów. Z tego względu materiał musi być umieszczony w precyzyjnej pozycji, z odpowiednią objętością i w odpowiednim kształcie, tak aby obejmował krawędź obudowy, ale bez dotykania żadnej z kulek połączeniowych. 

Wymagania sprzętowe dla klejenia krawędziowego

Chociaż klejenie krawędziowe odbywa się na innym etapie procesu montażu, wymagania sprzętowe dla dozowania materiału do klejenia krawędziowego są podobne do wymagań dla klejenia narożników, z następującymi wyjątkami:

• Jeśli klejenie odbywa się materiałami utwardzanymi promieniami UV, takie systemy jak dozowanie płynów musi być dostosowany to tego rodzaju materiałów

• Kształt i wysokość materiału do klejenia krawędziowego mają kluczowe znaczenie dla finalnej niezawodności. W przeciwieństwie do klejenia narożnego lub underfillingu, materiały do klejenia często pozostają w kształcie, w jakim zostały dozowane. Dlatego też technologie takie jak natryskiwanie mogą pomóc zapewnić elastyczność przy wysokich wolumenach produkcji.

• Jeśli proces klejenia krawędziowego jest zaprojektowany tak, że materiał ma częściowo wpływać pod BGA, może być wymagane podgrzanie płytki.

• Ponieważ materiał jest nakładany po reflow, wymagany jest dodatkowy etap utwardzania. Jeśli używana jest chemia utwardzania UV, piec do utwardzania UV jest zazwyczaj szybszy i wymaga mniej miejsca do produkcji niż piece do utwardzania cieplnego.

Podobnie jak w przypadku klejenia narożników, niezawodność łączenia krawędziowego zależy od precyzji utworzonego kształtu i umiejscowienia materiału wiążącego. Ze względu na rosnący poziom upakowania układów, pożądane jest zminimalizowanie szerokości powstałego połączenia i/lub obszaru poza krawędzią obudowy, który jest wymagany do łączenia. W takim przypadku technologia strumieniowa może zapewnić przewagę w zakresie szybkości i profilu materiału.

Zdjęcie tytułowe: © MacDermid Alpha

Artykuł opracowano na podstawie: Corner Bond Dispensing, autor: Al Levis, © Nordson Asymtek