Особенности разработки печатных плат с применением микросхем в корпусах BGA

Полный текст статьи в PDF

Вопрос.  До недавнего времени мы не применяли в наших разработках BGA-микросхемы. Но с возрастанием сложности наших устройств возникла необходимость использования BGA. Какие особенности существуют при разработке паттернов BGA-микросхем? Как правильно рассчитать размер площадок под шарики BGA? Каковы особенности проектирования устройств с использованием BGA-микросхемы?

Ответ. Для современных сложных электронных устройств характерной особенностью является применение микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции. Это и чипы программируемой логики, и однокристальные процессоры, и множество других устройств. По мере усложнения микросхем растет и число выводов, как информационных, так и питания. Обычные типы корпусов для выводного монтажа, например QFP или SOP, уже не могут обеспечить должное количество паяных соединений и их качественный монтаж в связи со значительным увеличением линейных размеров и массы  корпуса. Поэтому все большую популярность получают компоненты в различного рода матричных типах корпусов. Это корпуса типа LGA (Land Grid Array), BGA (Ball Grid Array), CGA (Column Grid Array). Особенно большое распространение получили компоненты в корпусах BGA.

Прежде всего следует обратить внимание на технологичность электронных компонентов в корпусах BGA. Такие корпусы позволяют оптимальным образом разместить большое количество выводов на ограниченной площади, обеспечивая все необходимые технологические нормы при монтаже. Небольшие физические размеры, особенно в случае применения микросхем с малым шагом, снижают затраты на их производство. Все выводы расположены на одной плоскости с нижней стороны корпуса, поэтому длина цепей получается короче, чем у микросхем, имеющих другие конструктивные исполнения. Это приводит к снижению паразитных излучений и, как следствие, положительно сказывается на целостности сигналов. Большое число выводов микросхем в корпусах BGA позволяет значительно увеличить число питающих и “земляных” выводов по сравнению с другими типами корпусов. Размещение “земляных” выводов в нужном месте позволяет уменьшить длины путей возвратных токов и улучшить качество высокоскоростных сигналов.

Рис. 1. Типовое рассеивание тепла от корпуса BGA-микросхемы без применения радиатора

Во многих микросхемах число выводов питания почти вдвое превышает число сигнальных выводов. Это обстоятельство, в комбинации с уменьшением длин цепей питания, позволяет значительно снизить паразитную индуктивность, что сокращает обратный путь высокочастотных токов в землю. [1] Кроме того, несмотря на уменьшение площади поверхности микросхемы, значительно улучшается ее охлаждение (см. рис. 1). Это связано с малым тепловым сопротивлением между основанием микросхемы и многослойной платой (ввиду большого количества выводов и малой их длины). Поэтому большая часть тепла рассеивается не с корпуса микросхемы, а на плату и затем в окружающую атмосферу. Так как близлежащая площадь печатной платы значительно больше, чем площадь корпуса микросхемы и  рассеивание тепла происходит с обеих сторон платы, то количество рассеянного тепла в случае применения BGA-корпуса может быть больше по сравнению с корпусом, например, QFP такого же размера [2].

Конструктивно микросхема в корпусе BGA состоит из подложки, кристалла, корпуса и шариков припоя. В качестве подложки используется два основных материала — органический и керамический. Наиболее распространенным является FR4 (органический) различных типов, так как он имеет тот же коэффициент линейного расширения, что и материал платы, поэтому наиболее удобен с точки зрения монтажа и дальнейшей эксплуатации. Применение керамики оправдано только в случаях выделения на кристалле большого количества тепла. Поэтому микросхемы BGA на керамических подложках встречаются гораздо реже. Как правило, микросхемы в BGA-корпусах, выполненных на керамической подложке, изготавливаются со сравнительно большим шагом и большим диаметром шарика.

Рис. 2. Упрощенное строение корпуса BGA: с разводкой кристалла типа «Wire-bonded»

Рис. 3. Упрощенное строение корпуса BGA: с разводкой кристалла типа «Flip-chip»

На рисунках 2 и 3 схематически показаны две типовые, наиболее часто используемые конструкции корпусов. Как видно из рисунков, разница между ними заключается  только в способе крепления и электрического подключения кристалла к подложке. В первом варианте конструкции (рис. 2) используется разварка выводов кристалла (с помощью тонких золотых проволок) на контактные площадки подложки. Во втором (рис. 3) – подключение кристалла (с помощью микроконтактов из неэвтектического высокотемпературного припоя) непосредственно на подложку. В обоих случаях подложка представляет собой, как правило, многослойную, достаточно тонкую структуру, изготовленную из высококачественных стекло-эпоксидных материалов. На нижней стороне подложки расположены шарики припоя, с помощью которых осуществляется электрическое и механическое соединение BGA-корпуса  с печатной платой. В качестве материала шариков может использоваться как обычный эвтектический свинцово-оловянный припой – Sn63Pb37, имеющий температуру плавления 1830С, так и различного рода бессвинцовые сплавы. Например: эвтектический сплав SnAg3.0 (температура плавления 2210С) или гипоэвтектический SnAg3.0Cu0.5 (температура плавления 217-2200С).

Отметим, что в настоящее время применение свинцово-оловянных припоев в качестве материала для шариков BGA-корпусов ограничено. Причиной является директива RoHS (Restriction of Hazardous Substances), ограничивающая содержание вредных веществ в электротехническом и электронном оборудовании. Она была принята Европейским Союзом в феврале 2003 года и вступила в силу 1 июля 2006 года. С этой даты какие-либо содержащие свинец продукты  не должны ни производиться в Европе, ни ввозиться в нее. Исключение составляют только системы телекоммуникаций, военная и медицинская техника, а также другие устройства, к эксплуатации которых предъявляются жесткие нормы надежности.

На сегодняшний день типы корпусов BGA, их геометрические размеры, расположение и размер шариков, отклонения размеров достаточно хорошо систематизированы и стандартизованы объединенным инженерным советом по электронным устройствам JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council) [3], [4]. Данные стандарты могут предоставить конструктору исчерпывающую информацию по конструктиву корпуса BGA. Как правило, все производители микросхем в корпусах BGA придерживаются стандартов JEDEC. В спецификациях на микросхемы, в разделах Package Information или Physical Dimensions производители всегда указывают ссылку на соответствующий стандарт и на вариант исполнения корпуса.

Рис. 4. Упрощенное сечение корпуса BGA после пайки

Рис. 5. Шарики BGA-корпуса после пайки

Рис. 5а. Поперечный срез паяного соединения бочкообразной формы

В процессе монтажа BGA-корпуса с помощью конвекционной печи происходит оплавление шариков припоя, и образуется соединение контактных площадок на подложке и печатной плате. На рисунке 4 схематически показан BGA-корпус, смонтированный на плате.

Пайка BGA-корпусов может производиться как с применением флюс-гелей (в случае ручного монтажа с использованием ремонтных центров), так и с применением паяльных паст. При правильном монтаже паяные соединения имеют вид, показанный на рисунке 5. Поверхность соединений должна иметь гладкий, блестящий вид, без сколов, трещин и других дефектов. Форма паяного соединения должна быть бочкообразной (рис. 5а), без излишней кривизны сторон. Излишняя кривизна поверхности паяного соединения приводит к сокращению изоляционного промежутка между соседними контактами, а также к возникновению дефектов поверхности соединений – сколам и трещинам. Излишняя кривизна поверхности, как правило, возникает в результате нанесения излишнего количества паяльной пасты. Количество и качество нанесения пасты на печатную плату – один из важнейших факторов, влияющих на качество паяных соединений BGA-корпусов и на высокий выход годных плат после монтажа.

Второй, не менее важный, фактор, обеспечивающий качественный монтаж микросхем в BGA исполнении, —  правильный  выбор  размера площадок на плате. Как уже говорилось, паяное соединение должно иметь бочкообразную форму. Размер верхнего и нижнего “донышек” этой “бочки” должен быть по возможности одинаков. Таким образом на завершающей стадии оплавления будет достигаться равномерное охлаждение паяного соединения с обеих сторон: и со стороны печатной платы, и со стороны подложки BGA.  Происходит это при условии, что материалы платы и подложки имеют одинаковую или достаточно близкую теплопроводность.

Что дает такое равномерное охлаждение?

Давайте рассмотрим простой пример. Диаметр площадки на печатной плате под шарик BGA-микросхемы равен или даже несколько больше диаметра самого шарика. Таким образом, паяное соединение имеет полусферический вид, причем площадь площадки на плате может намного превышать площадь площадки на подложке BGA. К примеру: при диаметре шарика в 0,75мм (шаг шариков 1,27мм) диаметр площадки на подложке составляет 0,5мм, а диаметр площадки на плате – 0,8мм. При таких размерах площадь площадки на подложке будет иметь значение 0,785мм2, а площадь площадки на плате – 2,01мм2, т.е. более чем в 2,5 раза больше. При   выполнении условия одинаковой теплопроводности печатной платы и подложки величина теплоотдачи от паяного соединения на плату будет в 2,5 раза выше, чем на подложку BGA-корпуса.

Рис. 6. Кривая кристаллизации расплава эвтектического состава

Таким образом, градиент температуры вдоль продольной оси паяного соединения будет направлен в сторону платы, а значение его будет зависеть от количества припоя, условий теплопередачи и пр. Как известно [5] [6], зависимость температуры расплава эвтектического состава нелинейная и имеет на своем графике плато b-c (рис. 6), соответствующее температуре ликвидуса припоя. Для припоев Sn63Pb37 эта температура составляет 1830С, для припоев SnAg3.0 – 2210С. Это значит, что на завершающей стадии оплавления (после достижения максимума температуры пайки) во время охлаждения (при достижении каплей расплавленного припоя температуры ликвидуса) начинается кристаллизация припоя. При равномерном охлаждении паяного соединения кристаллизация начинается по всему объему практически одновременно и происходит равномерно. В нашем примере, ввиду неравномерности охлаждения сторон паяного соединения, кристаллизация будет интенсивно начинаться на границе с печатной платой и постепенно распространяться на весь объем застывающей капли. Следствием такого процесса станет неоднородная структура состава паяного соединения [7]. В области близкой к плате состав припоя близок к эвтектическому, практически без примесей и инородных включений. В области близкой к подложке находится  припой с высоким содержанием примесей, загрязнений и инородных включений, возникших в результате разложения органических составляющих паяльной пасты, и, что самое главное, кристаллов интерметаллидов олова с никелем [8].

Рис. 7. Образование интерметаллидов меди и олова на границе контакта без использования защитного подслоя

Рис. 8. Образование кристаллов интерметаллидов никеля и олова при использовании защитного подслоя никеля

Интерметаллиды возникают вследствие взаимной диффузии и образования устойчивых химических соединений меди и олова, в случае если не используется защитный подслой (рис. 7). Наличие между площадкой и припоем слоя таких интерметаллидов приводит к уменьшению смачиваемости двух сред, резкому уменьшению прочности паяных соединений, повышению хрупкости и высокой вероятности образования трещин между слоями Cu3Sn и Cu6Sn5. Поэтому площадки практически всех BGA-корпусов изготавливаются с применением защитного подслоя никеля поверх меди. Слои интерметаллидов Ni3Sn2 и Ni3Sn4 не имеют такого пагубного влияния на структуру паяного соединения, как интерметаллиды олова и меди. Единственный недостаток – образование кристаллов Ni3Sn4 в припое (рис. 8). Они повышают хрупкость припоя, снижают его пластичность и прочность. При бочкообразной форме паяного соединения и равномерном процессе кристаллизации эти кристаллы сравнительно равномерно распределены по всему объему (с небольшой удельной концентрацией). Поэтому их влияние невелико и практически не сказывается на надежности соединений. Но при полусферической форме паяного соединения при неоднородной кристаллизации практически все кристаллы Ni3Sn4 сконцентрированы в узком месте – возле площадки подложки BGA-корпуса.

Второй негативный фактор, возникающий в результате использования паяного соединения полусферической формы – наличие остаточных механических напряженностей. Они возникают в результате неравномерного процесса охлаждения и неоднородного процесса кристаллизации припоя. В паяном соединении бочкообразной формы таких остаточных напряженностей нет, ввиду равномерного процесса кристаллизации и практически однородного состава припоя на протяжении всей структуры.

Рис. 9. Образование трещины в паяном соединении на поверхности контактной площадки подложки

Таким образом, использование на плате контактных площадок,  размеры которых достаточно сильно отличаются от размеров площадок на подложке BGA-корпуса, приводит к значительному снижению надежности паяного соединения. Особенно эта ситуация усугубляется при увеличении объема припоя, вызванного неправильным нанесением пасты или неверным ее количеством. В процессе эксплуатации такого паяного соединения (при воздействии вибраций, ударов, при резких перепадах температуры кристалла, влекущих за собой изменение линейных размеров подложки) нередко возникают дефекты, показанные на рисунке  9. В узком месте паяного соединения, непосредственно у площадки подложки BGA-корпуса, происходит растрескивание и частичный либо полный обрыв паяного соединения. Часто отказы в работе микросхемы, имеющей такой дефект пайки, носят непостоянный характер и проявляются случайным образом. Особенно если произошел не полный обрыв шарика, а лишь частичный скол.

Такие дефекты паяного соединения не диагностируются обычными неразрушающими методами контроля и практически не поддаются исправлению путем повторного прогрева электронного узла в печи или на ремонтной станции. Их можно устранить только путем перепайки BGA-корпуса с реболлингом шариков либо путем монтажа новой микросхемы. Но такое устранение дефекта непродуктивно, поскольку устраняет не причину его возникновения, а только последствия. При дальнейшей эксплуатации дефекты такого типа снова проявляются.

Как правильно подобрать размер площадки под тот или иной BGA-корпус?

В таблице 1 приведены типовые параметры – шаг и номинальный диаметр шариков наиболее часто используемых микросхем в BGA-корпусах.

Стандарт IPC-7351A «Generic Requirements for Surface Mount Land Pattern and Design Standard» (Общие требования по конструированию контактных площадок и печатных плат с применением технологии поверхностного монтажа), разработанный ассоциацией IPC (Association Connecting Electronics Industries) [9] с учетом требований стандартов JEDEC устанавливает следующие требования к размерам контактных площадок для монтажа BGA-корпусов.

Для шариков сравнительно больших размеров (диаметром более 0,50мм) надежная и качественная пайка обеспечивается в том случае, если площадки имеют номинальный диаметр на 25% меньше, чем номинальный диаметр шариков.

Для шариков небольшого размера (диаметром 0,25-0,50мм) лучшие результаты показывает отношение размеров 3/4. Т.е. диаметр площадок меньше номинального диаметра шарика на 20%.

Для шариков более мелкого размера достаточным условием будет уменьшение размера площадки на 15% к размеру шарика. Это связано с тем обстоятельством, что масса шариков припоя небольшого размера невелика, соответственно невелика и их теплоемкость. Поэтому при охлаждении процессы кристаллизации припоя протекают очень быстро и мало зависят от формы паяного соединения. Типовые размеры площадок для монтажа микросхем в BGA-корпусах приведены в таблице 2.

Идеальным случаем для качественного монтажа микросхем в BGA-корпусах будет повторение на печатной плате размеров площадок, использованных на подложке микросхемы, использование такого же типа маски и финишного покрытия. Все это создаст благоприятные условия для высокой надежности паяного соединения, его долговечности и устойчивости к внешним воздействиям.

Размер площадок на плате, как и на самой подложке, может быть обеспечен двумя способами.

Рис. 10. Формирование площадки методом "открытая площадка"

Рис.11. Поперечный срез коллапсирующего паяного соединения

Рис. 12. Формирование площадки методом "маска на площадке"

Рис. 13. Поперечный срез неколлапсирующего паяного соединения

Первый способ (наиболее распространенный) – формирование размера площадки непосредственно рисунком меди на верхнем слое платы. Этот способ формирования (рис. 10) называют “открытая площадка”. В англоязычной литературе он получил определение – Copper Defined Pad или Non-solder Mask Defined Land (NSMD), а само паяное соединение получило название collapsed. Такое название проистекает из структуры контакта припоя с площадкой (рис. 11). Припой контактирует не только с поверхностью площадки, но и охватывает ее с торцов, увеличивая тем самым площадь контакта. Такая форма контакта улучшает качество паяного соединения, увеличивает его прочность, уменьшает риск возникновения расслоений на границе медь-припой. При таком способе формирования могут использоваться любые типы масок, как сухие – Dry Film Mask (DFM), которые наносятся путем ламинирования, так и жидкие – Liquid Photo Imaging  (LPI). Зазор от края маски до края площадки должен быть минимально возможным, обеспечиваемым техпроцессом совмещения. Большинство современных производств выдерживают значение зазора величиной 50мкм, что позволяет располагать проводники на расстоянии  110–125мкм от края площадки.

Второй способ – формирование площадок путем создания окна (необходимого размера) в маске. Причем сама маска накладывается непосредственно на медную площадку, имеющую несколько больший размер по отношению к желаемому размеру. Такой способ формирования называют “маска на площадке” – Solder Mask Defined Land (SMD) (рис. 12), а само паяное соединение получило название non-collapsed. Сечение такого соединения показано на рисунке 13. Для формирования такого типа площадок необходимо использовать только сухие типы масок. Это связано с недостаточной механической прочностью масок типа LPI. При монтаже есть риск шелушения края маски на поверхности меди, что приводит к возникновению дефектов паяного соединения – нарушения его формы и образования трещинок и сколов на его поверхности. Сухие маски имеют большую толщину, прочность и стойкость к тепловым воздействиям, поэтому их применение более предпочтительно. Недопустимо использование такого способа формирования площадок при использовании технологии “переходное отверстие в площадке” (micro-via in pad), поскольку надежность пайки значительно снижается, так как центральная часть площадки, занятая каналом переходного отверстия, не задействуется из-за наличия пустот. Исключение из этого правила могут составлять только технологии заполнения канала переходного отверстия медью. Необходимо, чтобы маска накрывала медную площадку на величину не менее 75мкм для обеспечения точности позиционирования фотошаблонов и обеспечения качественного покрытия. Здесь возникает еще одно ограничение – уменьшение зазора между площадками непосредственно по меди, поскольку диаметр площадки по меди должен в таком случае быть на 150мкм больше, чем ожидаемый диаметр площадки по маске. Это увеличение, вместе с необходимостью обеспечения диэлектрического зазора между контактными площадками и проводниками, расположенными между ними, уменьшает вероятность успешной трассировки проводников между двумя соседними площадками. Эта же причина приводит к необходимости уменьшения диаметра площадок переходных отверстий и уменьшения диаметра сверл, что неблагоприятно сказывается на стоимости изготовления плат.

Следует учитывать тот факт, что в случае применения на плате разных типов BGA-корпусов, имеющих разный шаг выводов и размер шариков, на платах необходимо использовать только один способ формирования площадок для всех типов корпусов – либо методом “открытая площадка”, либо методом “маска на площадке”. Использование разных методов может быть не всегда технологично с точки зрения изготовления самой платы и всегда нетехнологично с точки зрения самого монтажа, так как процессы оплавления при разных способах формирования площадок отличаются. Отличается также количество наносимой пасты и размеры окон в трафаретах.

Еще один фактор, влияющий на качество паяного соединения микросхем в BGA-корпусах, – ширина трасс, отходящих от контактных площадок. При большой ширине цепей, а тем более в случае прямого подключения площадок к полигонам без использования термобарьеров,  отток тепла от площадки будет большим. Поэтому даже при идентичных размерах площадок на подложке микросхемы и на печатной плате будет возникать неоднородность структуры паяного соединения из-за возникновения градиента теплового поля и разности условий для кристаллизации припоя на завершающей стадии процесса оплавления. Потому ширина трасс, отходящих от контактных площадок, не должна превышать 1/2 диаметра площадки. Оптимальное значение – 1/3 от диаметра площадки. В случае, если по разным причинам необходимо использовать цепи большей ширины, необходимо отвести цепь от платы проводником не более 1/2 от ширины площадки и только на некотором удалении (как правило, составляющем не менее 1-1,5 диаметра площадки) увеличивать ширину проводника до необходимой ширины. Аналогичная ситуация — и при подключении площадок к полигонам. Площадки должны быть изолированы от полигонов с помощью термобарьеров, причем ширина перемычек (в случае применения четырех перемычек) не должна быть большей 1/3 диаметра площадок.

Для успешного монтажа микросхем в BGA-корпусах также необходимо использование качественных финишных покрытий плат. Не должны использоваться покрытия типа HASL, свинцово-оловянные или бессвинцовые, поскольку они не обеспечивают достаточную плоскостность и копланарность площадок. Оптимальным вариантом является использование различных иммерсионных финишных покрытий [10]. Это могут быть: иммерсионное золото поверх подслоя никеля (ENIG), иммерсионное серебро (ImmAg), иммерсионное олово (ImmSn) с барьерным подслоем органического металла. Наиболее часто в качестве финишного покрытия плат, на которые монтируются микросхемы в BGA-корпусах, используется иммерсионное золото. Оно универсально, подходит как для свинцово-оловянных, так и для бессвинцовых микросхем, имеет высокую износостойкость, мало загрязняет паяное соединение примесями. При правильно подобранных флюсах и паяльных пастах такие покрытия обеспечивают высококачественный монтаж. Реже, и только для бессвинцовых микросхем, в качестве финишного покрытия используется иммерсионное олово (ImmSn). Необходимо учитывать, что такое покрытие должно иметь барьерный подслой органического металла. В противном случае структура паяного соединения загрязняется интерметаллидами олова и меди, что ведет к снижению надежности и риску возникновения расслоений между площадками и припоем. По той же причине невысокое распространение для монтажа микросхем в BGA-корпусах получили органические покрытия (OSP).

Платы, на которых монтируются микросхемы в BGA-корпусах, должны иметь повышенную стойкость к воздействию высоких температур при монтаже и к температурным деформациям, возникающим в результате линейных расширений плат во всех трех осях. Недостаточная плоскостность плат при монтаже, особенно при использовании BGA-корпусов с большими линейными размерами и большим количеством выводов, а также при малых размерах шариков ведет к увеличению прямого брака непосредственно при монтаже и увеличению вероятности возникновения скрытых дефектов в процессе эксплуатации микросхем. По этой причине многослойные платы с использованием микросхем как в BGA-корпусах, так и в других типах бызвыводных корпусов (LGA, QFN, SON и т.п.), должны изготавливаться из высокотемпературных стеклотекстолитов, имеющих высокую температуру стеклования и малые коэффициенты линейных расширений.

Завершающая стадия всякого техпроцесса монтажа – отмывка и сушка. Не следует отказываться от нее даже при использовании безотмывочных флюсов и паст. Все флюсы, входящие в состав паст, в разной степени химически активны. По сути это высокомолекулярные органические кислоты искусственного происхождения.  Температура между BGA-корпусом микросхемы и платой всегда повышена (поскольку тепловыделение на кристаллах современных СБИС достаточно высокое и отвод тепла от корпуса происходит наиболее интенсивно через паяные соединения на плату). В условиях повышенной температуры флюсы достаточно активно кородируют поверхность паяных соединений. Кроме того, флюсы и их остатки в высокой мере гигроскопичны.  В процессе эксплуатации они накапливают влагу из окружающей среды, что еще больше увеличивает их химическую активность. Поэтому тщательная отмывка плат, желательно с применением отмывочных жидкостей на основе ПАВ и ультразвуковых отмывочных ванн, и не менее тщательная сушка является залогом надежной эксплуатации микросхем в BGA-корпусах.

Литература:

1. Вейн Паллием (перевод Ю. Потапова). Проектируем платы с BGA // EDA EXPERT. 2002. № 5.
2. Flip Chip Ball Grid Array Package Reference Guide – Texas Instruments Incorporated, Literature Number: SPRU811A. May 2005.
3. http://www.jedec.org/download/search/MO-205G.pdf.
4. http://www.jedec.org/download/search/MO-275A.pdf
5. Вол А. Е., Строение и свойства двойных металлических систем, т. 1–2, М., 1959–62.
6. Хансен М., Андерко К., Структуры двойных сплавов, пер. с англ. , М. , 1962.
7. Беляев А.П., Кукушкин С.А., Рубец В.П, Кристаллизация расплава эвтектического состава в тепловом поле градиента температуры. Физика твердого тела, 2001, том 43, вып,4, стр. 577-580.
8. M.Erinç, P.J.G.Schreurs, G.Q.Zang, M.G.D.Geers. Substrate Effects on SnAgCu Solder Joints. Microelectronics Reliability (44:1287-1292, 2004)
9. http://www.pcbmatrix.com
10. Медведев А. Бессвинцовые технологии монтажной пайки. Что нас ожидает? // Электронные компоненты. 2004. №11.