Ball Grid Array Inspectietechnieken

Ball Grid Array Inspectietechnieken

De constante vooruitgang van de technologie heeft elektronica verplaatst naar kleine, lichtgewicht producten. Om aan deze consumentenwensen te voldoen, werd Surface-Mount-technologie (SMT) geïntroduceerd. De toegenomen vraag naar deze producten vereiste echter ook de ontwikkeling van technologieën met een hoge dichtheid die snel konden worden geassembleerd. Deze push leidde tot de ontwikkeling van ball grid array (BGA) technologie.

BGA en soortgelijke apparaten zijn snel een standaardelement geworden in het moderne ontwerp van printplaten (PCB's). Deze apparaten zijn echter notoir moeilijk te inspecteren na montage. In dit artikel bespreken we de uitdagingen van BGA-inspectie, inspectietechnieken die worden gebruikt bij BGA-kwaliteitscontrole en manieren om veelvoorkomende BGA-defecten vóór montage te voorkomen.

Wat is een Ball Grid Array-inspectie?

Een ball grid-array is een opbouwpakket voor geïntegreerde schakelingen dat wordt gebruikt om apparaten te monteren. Het bodemoppervlak van de BGA is bedekt met pinnen die in een rasterpatroon zijn gerangschikt, vandaar de naam van de technologie. In plaats van draadpinnen zijn deze verbindingen gemaakt met pads met soldeerballen. Deze verbindingen moeten zorgvuldig worden gesoldeerd vanwege hun locatie onder het pakket.

Als de soldeerverbindingen eenmaal zijn voltooid, zijn ze echter niet langer zichtbaar voor de toevallige waarnemer. Omdat ze niet zichtbaar zijn, zijn meer geavanceerde inspectietechnieken nodig om de kwaliteit ervan te waarborgen. Dit is waar BGA-inspectie een cruciale rol speelt.

BGA-inspectie is een proces waarbij de verbindingen tussen een chip en een PCB worden geanalyseerd om de kwaliteit te waarborgen. Bij BGA-inspecties wordt gekeken naar verschillende aspecten van de ball grid-array, waaronder de hoogte van het pakket, de kwaliteit van de verbindingen en meer. Bij BGA-inspecties is visuele inspectie zonder hulp uiterst beperkt, dus zijn andere technieken vereist om de verbindingen gedetailleerd te bekijken.

Deze analysemethoden omvatten elektrisch testen, geassisteerde optische inspectie en röntgeninspectie. De componenten van deze technieken zullen verderop in dit artikel in meer detail worden besproken.

Waarom is inspectie belangrijk?

BGA-inspectie is om één reden notoir moeilijk:de soldeerverbindingen bevinden zich onder het BGA-pakket. Vanwege de positionering van deze functie kan het een uitdaging zijn om een ​​goed zicht op de BGA te krijgen voor inspectie. Ondanks deze moeilijkheid is inspectie om verschillende redenen essentieel voor BGA's, waaronder:

• Soldeerprobleem :Het solderen van BGA-componenten is lastig, omdat er voldoende warmte nodig is om op de array te worden aangebracht, zodat alle ballen in het rooster voldoende smelten om soldeerverbindingen te maken. Zowel de dichtheid van de verbindingen als de moeilijkheid van het solderen betekenen dat er een grote kans is dat er een defect optreedt. Inspecties helpen experts deze defecten op te sporen, zodat ze kunnen voorkomen dat ze defecte onderdelen opsturen.
• Onbetrouwbare elektrische tests: Elektrische tests laten een stroom door de printplaat lopen om er zeker van te zijn dat deze elektrisch in orde is. Dit type test kan echter alleen beoordelen of de stroom aan of uit is wanneer de BGA-componenten zijn aangesloten. Deze tests zijn niet betrouwbaar omdat ze slechts een handvol defecttypen kunnen vinden en de locaties van eventuele defecten die ze vinden niet kunnen bepalen. Uitgebreide inspecties die deze methode combineren met andere technieken kunnen een completer overzicht van fouten en hun locaties opleveren.
• Hergebruik van materiaal: Als blijkt dat een BGA een soldeerfout heeft, kan deze worden verwijderd met een reworkstation en worden vervangen of opnieuw worden gebruikt voor hergebruik. Het inspectieproces identificeert vroegtijdig defecten, zodat materialen op deze manier kunnen worden bespaard, wat materiaalverspilling vermindert.
• Kwaliteitscontrole: BGA SMT-assemblage is afhankelijk van fysieke verbindingen van hoge kwaliteit, dus de kwaliteitscontrole van BGA moet een gedetailleerde inspectie van deze verbindingen omvatten. Inspecties kunnen ook veelvoorkomende defecten en patronen identificeren. Deze zijn belangrijk, omdat herhaalde defecten kunnen wijzen op problemen met het fabricage- en assemblageproces of zelfs met het ontwerp van het PCB-product.
• Kostenreductie: Grondige inspectieprocessen minimaliseren het aantal defecten dat doorgaat naar de volgende productiefase. Defecten die door de inspectie komen, kunnen verder in het productieproces vast komen te zitten, waardoor nabewerking duurder wordt. Hoe later het defect wordt opgemerkt, hoe duurder het wordt voor uw bedrijf. Daarom is vroege preventie en oplossing cruciaal.

Vanwege het belang van inspectie moeten inspectieteams daarbij gebruik maken van gedegen en effectieve tools en technieken. Op die manier kunnen deze teams alle problemen opsporen en hun locaties en oorzaken lokaliseren voordat ze grotere en duurdere problemen worden.

Veelvoorkomende BGA-defecten

Door de complexiteit van de BGA kunnen er veel potentiële defecten optreden tijdens het soldeerproces voor een BGA. Enkele problemen die zich kunnen voordoen zijn:

• Onjuiste uitlijning: Verkeerde uitlijning treedt op wanneer de PCB en BGA worden verschoven tijdens reflow en verbinding maken op onjuiste punten. Dit is een van de meest voorkomende problemen die optreden tijdens BGA-assemblage.
• Inconsistente afstandshoogte: BGA's worden bovenop PCB's geplaatst en onjuist solderen kan ertoe leiden dat de BGA in een scheve hoek op het oppervlak van de PCB wordt geplaatst. Deze asymmetrische afstandshoogte kan de veiligheid van verbindingen in gevaar brengen.
• Ontbrekende ballen: Als er kogels ontbreken in de BGA wanneer deze op de printplaat is bevestigd, kunnen essentiële verbindingspunten ontbreken in de assemblage.
• Niet-bevochtigde pads: In sommige gevallen is het mogelijk dat opnieuw gevloeide soldeerpasta de pad niet goed nat maakt. Dit kan het gevolg zijn van onvolledige reflow of overgebleven soldeerresist van eerdere stappen in het productieproces.
• Bruggen: Bruggen ontstaan ​​wanneer er extra soldeerpasta achterblijft tussen pastaafzettingen. Bruggen tussen verbindingspunten resulteren vaak in kortsluiting.
• Gedeeltelijke reflow: In sommige gevallen bedekt de reflow het bord mogelijk niet volledig. Dit gebeurt vaak vanwege onvoldoende soldeerterugvloeiing, menselijke fouten of mechanische storingen.
• Popcornen: Popcorning treedt op wanneer balletjes samensmelten tijdens het soldeerproces. Dit is een veelvoorkomend probleem voor BGA en resulteert, net als bij bruggen, in shorts.
• Open circuits: Open circuits treden op wanneer soldeer de PCB-pad niet nat maakt en op soldeerballen en op het oppervlak van de component klimt. Hoewel een elektrische test dit als een probleem op een bord kan identificeren, kan de oorzaak van het probleem niet worden vastgesteld.
• Ongedaan maken: Leegstand treedt op wanneer de stroom stopt bij een soldeerverbinding. Dit is een veelvoorkomend probleem bij opvouwbare BGA-componenten.

Deze problemen kunnen allemaal fatale fouten zijn voor het eindproduct, dus het is een noodzaak om ze op te sporen met kwaliteitsinspectietechnieken en -technologieën. Gelukkig zijn moderne inspectietechnieken zo ver gevorderd dat de meeste van deze defecten kunnen worden geïdentificeerd met behulp van een of meer inspectiemethoden. Het is echter ook essentieel om deze defecten waar mogelijk te vermijden vóór de montage.

Ontwerpoverwegingen om BGA-defecten te voorkomen

Hoewel inspectietechnieken zo ver zijn gevorderd dat ze veel defecten kunnen detecteren voordat ze door het productieproces gaan, is het altijd ideaal om onregelmatigheden te voorkomen. Dit vereist een zorgvuldige planning van het ontwerpteam. Om de kans op succesvolle soldeerverbindingen op een BGA te maximaliseren, moeten ontwerpteams rekening houden met het volgende in de PCB-lay-out:

• BGA-voetafdrukken: PCB-ontwerpers moeten ervoor zorgen dat ze het juiste voetafdrukpatroon hebben voor het BGA-apparaat dat ze willen gebruiken. Zorg ervoor dat de footprint correct is en zorg ervoor dat u de PCB-footprint-pad nauwkeurig ontwerpt om kortsluiting en soldeerproblemen tijdens de montage te voorkomen.
• Thermisch beheer: De PCB-layout moet rekening houden met thermische massa. Het dicht bij elkaar groeperen van BGA's kan een thermische onbalans veroorzaken tussen dichtbevolkte en minder bevolkte delen van het bord. Als u bijvoorbeeld voldoende warmte toepast om nauw gegroepeerde BGA's goed te solderen, kan dit leiden tot brandwonden in minder bevolkte gebieden. Omgekeerd kan het toepassen van voldoende warmte om te voorkomen dat minder bevolkte gebieden worden verbrand, leiden tot holtes in de BGA's.
• Via plaatsing: Via's of doorgaande gaten zijn veelvoorkomende kenmerken van PCB's, maar de plaatsing van via's kan het gedrag van soldeer in het BGA-assemblageproces beïnvloeden. Via's naast een BGA-pad kunnen ertoe leiden dat overtollig soldeer van het pad naar de via loopt, waardoor kortsluiting ontstaat. Om dit te voorkomen, plaatst u alle via's naast een BGA-pad met soldeermasker.

Naast deze ontwerpoverwegingen, moet u er ook voor zorgen dat u vóór de montage een goed reflow-profiel ontwikkelt en controleert. Dit omvat het gebruik van een profiler om het temperatuurbereik bij de BGA-kogel/pad-junctie te meten en te loggen wanneer het bord door de reflow-oven gaat. Dit kan met kale PCB's en BGA-onderdelen. Deze gegevens kunnen worden gebruikt om ervoor te zorgen dat het reflow-profiel voor de pasta en het thermische profiel van de PCB correct zijn, en om eventuele ontwerpproblemen vóór de montage te identificeren.

Inspectietechnieken voor Ball Grid Array

Het voorkomen van defecten is het doel, maar BGA-inspectie is altijd nodig om de verbindingen tussen een BGA en PCB te analyseren. Omdat het bijna onmogelijk is om de soldeerverbindingen te zien door directe visuele observatie, wordt deze analyse uitgevoerd met behulp van verschillende inspectietechnieken en hulpmiddelen. Deze tools en technieken zijn in de loop der jaren geëvolueerd om betrouwbaar en gebruiksvriendelijk te zijn. Hoewel deze tools niet afzonderlijk kunnen worden gebruikt om alle aspecten van inspectie te dekken, kunnen ze in combinatie een uitgebreid overzicht van de BGA bieden.

Inspectiehulpmiddelen en -technieken zijn vaak onderverdeeld in de volgende categorieën:

1. Elektrisch testen

Het elektrisch testen van BGA's is een ander inspectieproces dat de elektrische eigenschappen van het bord test. Dit is iets anders dan mechanisch testen, wat een destructief proces is waarbij de BGA wordt onderworpen aan schok- en schuiftests om de kwaliteit van soldeerverbindingen onder spanning te evalueren.

Elektrische tests laten een stroom door een BGA lopen om de elektrische stabiliteit van het bord te analyseren. De test bepaalt of de stroom aan of uit is nadat de BGA-component is aangesloten. Dit type test is handig om vast te stellen of er elektrische problemen zijn, zoals kortsluiting of openingen. Zoals eerder besproken, kunnen elektrische tests echter alleen de aanwezigheid van deze defecten identificeren - ze kunnen niet worden gebruikt om te lokaliseren waar een defect zich bevindt op een BGA.

Hoewel elektrisch testen een belangrijke stap is in het inspectieproces, is het moeilijk om testpunten onder BGA-componenten op te pikken. Het is ook moeilijk om met alleen elektrische tests aan de beoordelingsvereisten te voldoen. In plaats daarvan worden elektrische tests vaak gebruikt in combinatie met andere testtechnieken om problemen bij een inspectie van een ball grid array te identificeren.

2. Optische of visuele inspectie

Optische inspectie, ook wel visuele inspectie genoemd, is het gebruik van optische technologie om een ​​BGA en zijn aansluitingen te bekijken. Deze techniek maakte in het verleden gebruik van het blote oog of microscopen, wat beperkte resultaten opleverde. De introductie van de endoscoop is echter bijzonder waardevol gebleken voor deze inspectietechniek.

De endoscoop is oorspronkelijk ontworpen voor medische toepassingen, maar het vermogen van de technologie om kleine objecten in kleine ruimtes visueel te inspecteren, maakt hem ideaal voor BGA's. De technologie omvat het gebruik van een camera met een sterk vergrotende lens en een aangesloten monitor om close-upbeelden van een inspectiegebied te maken. Deze technologie wordt vaak gecombineerd met visualisatiesoftware voor geavanceerde beeldregistratie en -meting.

Visuele inspectie met een endoscoop stelt technici in staat om naar de buitenste rij verbindingen tussen een BGA en PCB te kijken - met goede verlichting kunnen technici ook enkele binnenste rijen bekijken. Deze optische techniek helpt bij het identificeren en beoordelen van de algehele kwaliteit van een soldeerverbinding, inclusief de vorm, oppervlaktetextuur en uiterlijk van de verbinding, die allemaal op verschillende defecten kunnen wijzen.

Optische inspectie kan ook kortsluitingen, openingen, puin en koud soldeersel identificeren en is essentieel voor het beoordelen van herbewerking, omdat het de juiste reflow-dekking kan identificeren. Het visuele vermogen van deze inspectietechniek is echter beperkt en laat geen gedetailleerde analyse van interne verbindingen toe.

Een laatste opmerking over endoscopen is dat ze een zeer veelzijdig stuk inspectieapparatuur zijn. Endoscopen kunnen worden gebruikt om BGA-soldeerverbindingen te inspecteren, evenals verschillende opbouwmontage en doorlopende montagemontages die met normale methoden moeilijk te analyseren zijn.

3. Röntgeninspectie

De meest geavanceerde inspectiemethode voor BGA's is röntgeninspectie. Röntgenstralen werken door röntgenstraling uit een röntgenbuis op het bord uit te zenden. Röntgenstralen gaan in verschillende hoeveelheden door het bord, waarbij meer röntgenstralen vast komen te zitten in dichtbevolkte gebieden zoals soldeerverbindingen. De röntgenstralen worden vervolgens verzameld bij een detector, die ze omzet in zichtbaar licht en een beeld genereert.

In deze afbeelding zijn soldeerverbindingen donkerder dan hun omgeving, waardoor de kijker soldeerpatronen kan zien. De resulterende afbeelding toont een uniform raster van identieke donkere cirkels in een ideaal bord, waarbij de cirkels de soldeerverbindingen zijn.

De röntgentest resulteert in een afbeelding waarbij het kogelrooster en de soldeerpatronen gemakkelijk te zien en te inspecteren zijn vanuit een top-down hoek. Meer geavanceerde röntgeninspectietechnologie heeft een kantelfunctie, die de vorm van soldeerverbindingen vanuit verschillende hoeken kan analyseren. Deze afbeeldingen zijn met name handig om variaties in soldeerpatronen en vormen te zien, waardoor dit een goede technologie is voor het identificeren van soldeerbruggen, popcorning, overtollig soldeer en soortgelijke defecten. Deze technologie is echter niet goed in het detecteren van openingen.

Net als endoscopen kan röntgeninspectietechnologie worden gebruikt in verschillende toepassingen buiten BGA-inspectie. Enkele voorbeelden zijn inspectie via en doorgaande gaten, analyse van defecten op het oppervlak en inspectie van loodvrij soldeer.

Contact opnemen met Millennium Circuits

Wanneer ze in combinatie met elkaar worden gebruikt, kunnen effectieve en grondige inspectietechnieken voor kogelroosters het aantal defecten dat door de inspectiefase komt aanzienlijk verminderen. Door het aantal defecten in het productieproces te verminderen, kunnen bedrijven het aantal kostbare herbewerkingen en terugroepacties verminderen. Het is echter altijd ideaal om BGA-defecten te voorkomen door middel van een kwaliteitsontwerp. Als u vragen heeft over BGA's, inspectietechnieken en manieren om BGA-defecten te voorkomen, neem dan contact op met de experts van Millennium Circuits voor meer informatie.

Millennium Circuits Limited (MCL) is een toonaangevende PCB-leverancier in het centrum van Pennsylvania. Ons doel is om u de beste PCB's tegen de beste prijzen te bieden en u de PCB-kennis te bieden die u nodig hebt om u te onderscheiden van uw concurrenten. Met meer dan tien jaar toegewijde service, meerdere onderscheidingen en meer dan 400 klanten wereldwijd, is MCL een bedrijf op het gebied van printplaten waarop u kunt vertrouwen.

Bij MCL zijn we enorm trots om onze klanten te helpen een beter begrip van elektronica te krijgen en te leren hoe ze maximale kwaliteit en concurrentievermogen binnen de markt kunnen garanderen. We voorzien u graag van alle informatie die u nodig hebt om weloverwogen beslissingen te nemen over uw elektronische componenten. Neem vandaag nog contact op met MCL voor meer informatie over BGA-kwaliteitscontrole en -inspectie.