SamsPcbGuide, Teil 11: Technologie - BGA-Gehäuse, Kunststoff und Raum

In Diskussionen zu einem früheren Artikel schrieb proton17 , dass herkömmliche BGAs nicht in den Weltraum fliegen, und gab als Beispiel für Zuverlässigkeit Links zu CCGA-Gehäusen an. Ich beschloss, diese Angelegenheit zu klären und fand viele interessante Informationen (zum großen Teil dank dieser ↓ Person).



Trotz ihrer Vorteile (maximale Anzahl von Leitungen in Bezug auf die Abmessungen für einen bestimmten Schritt, niedrige Anschlussinduktivität, Selbstnivellierung beim Löten) haben BGA-Gehäuse einen schwerwiegenden Nachteil für zuverlässige Anwendungen - die Unmöglichkeit einer zuverlässigen visuellen Qualitätskontrolle von Lötstellen.

Die Frage der Anwendbarkeit von BGA-Komponenten in zuverlässigen Anwendungen ist nicht neu. Bereits 1995 untersuchte JPL ihre Zuverlässigkeit unter verschiedenen Bedingungen. Die Ergebnisse der Arbeit wurden in zahlreichen Veröffentlichungen vom wahren Guru dieses Themas, R. Jafarian [1-5], konsequent vorgestellt. Zunächst wurden Keramik- und „normale“ Kunststoffgehäuse mittels Laserscanning auf Ebenheit der Oberfläche untersucht. Für das Maß der Ebenheit wurde die Differenz zwischen dem niedrigsten und dem höchsten Ball gewählt. Je kleiner dieser Unterschied ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit von Lötfehlern. Keramikkörper hatten eine höhere Ebenheit und verbesserten sich mit abnehmender Anzahl von Schlussfolgerungen. Dieser Parameter ist umso kritischer, je mehr Hochtemperaturlot zum Löten verwendet wird. Die zweite Stufe - Montage auf Leiterplatten (FR-4 und Polyimid) und Temperaturwechsel. Die elektrischen Verbindungen auf der Platine und im Test-BGA-Paket waren so organisiert, dass mehrere Gruppen serieller Verbindungen (englische Daisy Chain) gebildet wurden. In jeder dieser Gruppen wurde das Vorhandensein einer Verbindungsstörung durch das Kriterium für einen Überwiderstand von 1 kOhm um mehr als 1 & mgr; s überwacht. Dieses Kriterium ist in IPC-SM-785 definiert, reicht jedoch nicht aus, da selbst eine vollständig gerissene Verbindung aufgrund von Kontaktklemmen aufgrund benachbarter Klemmen den angegebenen Schwellenwert nicht überschreiten darf [4].

Aufgrund des großen Unterschieds zwischen dem KTP der Keramik und dem FR-4 / Polyimid versagte das CBGA-Gehäuse früher als das Kunststoffgehäuse. Auch frühere Fälle zeigten Kunststoffgehäuse mit einer vollständigen Anordnung von Anschlüssen, im Gegensatz zu Fällen mit peripherer Füllung, da unter dem Kristall die KTP-Fehlanpassung zwischen dem Gehäuse und der Platine lokal zunimmt und dort die ersten Verbindungen fehlschlugen.

Unter den Ergebnissen ist der Einfluss der Glasübergangstemperatur des Materials der Leiterplatte auf die Zuverlässigkeit für einen erweiterten Temperaturbereich angegeben. FR-4 zeigte im Durchschnitt schwächere Ergebnisse als Polyamid. Dieses Ergebnis wird in Artikel [6] bestätigt: Die Verwendung einer FR-5-Leiterplatte (mit Tg ~ 170 ^o C und KTP ~ 13 ∙ 10 ⁻⁶ K ⁻¹ ) führt zu einer Vervierfachung der Zuverlässigkeit im Vergleich zum üblichen FR-4 für den SON-Fall Typ.

Es ist anzumerken, dass die KTP einer Leiterplatte sogar innerhalb der Leiterplatte unterschiedlich sein kann und von ihrer Topologie abhängt. Ein breiter Wertebereich von 12 bis 24 ∙ 10 ⁻⁶ K ^{−1 ist} in [6] angegeben. Es gibt auch interessante Daten (Tabelle 1) zur Abhängigkeit der PBGA-Zuverlässigkeit vom Durchmesser der Kugel, den Kontaktflächen (KP) auf der Platine (NSMD-Typ) und der Basis des Chips (SMD-Typ). Ihre Analyse zeigt die folgenden Muster:

1. Durch Erhöhen des Durchmessers der Kugel, ceteris paribus, wurde die Anzahl der zurückgehaltenen Wärmezyklen um ~ 20-30% erhöht.
2. Das Erhöhen des Getriebedurchmessers nur an der Seite der Leiterplatte verringert die Zuverlässigkeit, da die Höhe der Kugel abnimmt. Bei gleichzeitiger Vergrößerung des Durchmessers des Standorts basierend auf PBGA werden jedoch die mit einer Verringerung der Höhe verbundenen Zuverlässigkeitsverluste durch eine Verbesserung des Kommunikationsbereichs kompensiert, und der Gesamteffekt wird positiv.
3. Maximale Zuverlässigkeit wurde erreicht, wenn der Durchmesser des Getriebes auf der Platine etwas kleiner war als auf der Basis der Mikroschaltung. Der Autor verweist auf ein ähnliches Ergebnis, das in einem anderen Werk erzielt wurde. Leider gibt es keinen Vergleich für den Fall mit einem großen Kugeldurchmesser.

Der Artikel [7] zeigt experimentell eine Zunahme der Anzahl von Wärmezyklen mit einer Abnahme der Dicke der Keramikbasis des Körpers. Ich konnte den vorherigen Artikel eines der Autoren mit einer Beschreibung des Prozessmodells nicht kennenlernen, aber die allgemeinen Überlegungen lauten wie folgt: Je dünner der Körper, desto weniger widersteht er der Zugfestigkeit, desto weniger Belastung für die Schlussfolgerungen.

Die Geschwindigkeit der Temperaturänderung wirkt sich auf den vorherrschenden Ort des Auftretens von Defekten in den Verbindungen aus - schnell (wenn lokale Spannungen auftreten) von der Seite des Gehäuses, langsam (wenn das System das thermische Gleichgewicht erreicht) - von der Seite der Leiterplatte. Für den erweiterten Temperaturbereich bestand die größte Anzahl von Fehlern bei CBGA-Keramikgehäusen in der Verbindung des Gehäuses (63Sn37Pb) und der Kugel (90Pb10Sn).
Die wichtigsten offensichtlichen Muster, die 1995 experimentell bestätigt wurden, für die Zuverlässigkeit von BGA-Komponenten werden also durch Wärmeausdehnung bestimmt und lauten wie folgt:

1. Je größer das Gehäuse und die Anzahl der Kabel ist, desto geringer ist die Zuverlässigkeit.
2. Schlussfolgerungen, die am weitesten vom Zentrum entfernt sind, sind am anfälligsten für Zerstörung. Für Kunststoff-BGA-Fälle sind darüber hinaus die Schlussfolgerungen im Bereich des Kristalls anfällig
3. Keramikgehäuse auf einer Leiterplatte weisen eine geringe Zuverlässigkeit auf. Darüber hinaus sind sie beim Löten nicht so gut ausgerichtet (da sie eine größere Masse haben) und reagieren empfindlicher auf die Menge und Qualität der Anwendung von Lötpaste, was den Formulierungsprozess einer zuverlässigen Installation von Komponenten erschwert.

Lyrischer Exkurs. Die Verwendung von Leiterplatten auf Basis von LTCC-Keramik würde das Problem der KTP-Fehlanpassung beseitigen. Vielleicht ist dies eine der Richtungen für die Entwicklung von REA für den Weltraum, was zu einer Verringerung der Kosten solcher Leiterplatten führen wird.

Warum Keramikgehäuse verwenden? Dieses Problem wurde von BarsMonster in einem der Artikel behandelt . Über die Tatsache, dass in Kunststoff die Jumper über die gesamte Länge von der Verbindung getragen werden, ist es einerseits logisch, andererseits verursacht die KTP-Nichtübereinstimmung der Materialien des Kunststoffgehäuses (Verbindung, Silizium, Textolith, Metallbrücke) eine große Anzahl von Problemen in einem erweiterten Temperaturbereich. Zusätzliche Argumente für die Verwendung von Keramikgehäusen sind der KTE-Wert in der Nähe von Silizium, die hohe Wärmeleitfähigkeit, der breite Temperaturbereich (der für den Montageprozess wichtig ist), die höhere Hydrophobizität und die einfachere Entwicklung des Dichtungsprozesses.

Bei Spirit and Opportunity wurden Keramikkörper verwendet, jedoch nicht der CBGA-Typ, sondern der CCGA-Typ (Abb. 1): In ihnen wurden die Kugeln durch Säulen (manchmal mit einer Kupferspirale verstärkt) ersetzt, die schweren Belastungen standhalten können ( hier sind die Daten, die Eine zweifache Erhöhung der Höhe reduziert die mechanische Beanspruchung und Dehnung um 30%. Trotz der Tatsache, dass diese Missionen ihre Aufgaben erfolgreich abgeschlossen und sogar übertroffen haben, ist anzumerken, dass sich die produktiven Prozessoren in den CCGA-Gehäusen in einer temperaturgesteuerten Einheit befanden. Artikel [8, 9] präsentieren einen Vergleich von CCGA und seiner entsprechenden PBGA unter verschiedenen Bedingungen. Nach 1075 thermischen Zyklen –50 / 75 ° C erlebte der CCGA-560 die erste Zerstörung des Kontakts auf der Gehäuseseite (eine erhöhte Menge Lötpaste wurde für die Installation verwendet, was die Zuverlässigkeit der Verbindung auf der Platinenseite verbesserte, siehe Abb. 2 und 3) im PBGA-560 wurden für 2000 Fehlerzyklen nicht erkannt.




Es ist interessant darüber nachzudenken, warum die extremen Stifte in Richtung der Mitte an der Seite der Platine vorgespannt sind. Das KTP der Leiterplatte ist größer als das KTP der Keramik, und dies bedeutet dann, dass die Zerstörung beim Komprimieren im Bereich negativer Temperaturen auftritt. Dies führte mich zu folgenden Überlegungen: Das Löten und Fixieren der relativen Position erfolgt in der Nähe der Schmelztemperatur der Lötpaste, d. H. ~ 183 ° C für 63Sn37Pb, sodass der gesamte Bereich der Betriebstemperaturen im Kompressionsbereich der Leiterplatte relativ zur Keramikbasis des Gehäuses liegt. Und dann beträgt die Temperatur des Neutralpunkts nicht 25 ° C, dies ist der Schmelzpunkt der Lötpaste.

Um die Belastung der Klemmen der BGA-Gehäuse (auch aufgrund der Auswirkungen mechanischer Faktoren) zu verringern, werden verschiedene Methoden angewendet: Fixierung an den Ecken (englische Eckabsteckung), Verschärfung des Raums zwischen Gehäuse und Platine (englische Unterfüllung). Die Testergebnisse in [9] zeigen jedoch, dass eine solche Technologie das Problem nicht nur nicht löst, sondern im Gegenteil nur die strukturelle Stabilität gegenüber den Auswirkungen von Temperaturänderungen verschlechtern kann (Abb. 4).


Das CCGA-717-Gehäuse mit verstärkten Säulen mit kleinerem Durchmesser wurde ebenfalls getestet [9]. Im Vergleich zu CCGA-560 mit unverstärkten Leitungen zeigte es eine größere Beständigkeit gegen Temperaturwechsel: Nach 950 Zyklen von -55/100 ° C traten keine elektrischen Fehler auf, aber es bildeten sich bereits Defekte an den Leitungen (Abb. 5). Im öffentlichen Bereich gibt es auch die Ergebnisse erfolgreicher Tests des CCGA-472 aus dem Aeroflex-Labor gemäß NASA-Standards.


Der Artikel [5] präsentiert die Ergebnisse einer Studie über die Auswirkung der Endbeschichtung einer Leiterplatte auf die Zuverlässigkeit von BGA-Komponenten. Es wurde festgestellt, dass bei ENIG im Gegensatz zu HASL und OSP, die durch viskose Zerstörung der Befunde gekennzeichnet waren, einige Befunde eine spröde Zerstörung der Befunde zeigten. Der IPC-9701A-Standard, der die Methode zum Testen der Zuverlässigkeit von Lötstellen beschreibt, verbietet die Verwendung anderer PCB-Beschichtungen mit Ausnahme von HASL, OSP und IAg, um die Auswirkungen intermetallischer Verbindungen zu vermeiden (außerdem empfiehlt der Standard übrigens die Verwendung von NSMD-Kontaktflächen mit eingedrückten Masken). Im Rahmen spezieller Studien [10, 11] konnten die Probleme bei der Verwendung von ENIG als Decklack keine Muster erkennen, und daher ist eine Abnahme der Zuverlässigkeit der Verbindung ein schwer vorhersehbares Ereignis. Aus diesem Grund empfiehlt die Norm offenbar nicht die Verwendung eines solchen Finishs. Übrigens wurde als alternative Beschichtung unter anderem die ENEPIG-Beschichtung in Betracht gezogen, die gute Ergebnisse zeigte ( im Original - „sehr gut ausgeführt und erfordert mehr Tests“).

Tabelle 2 fasst die Daten von Experimenten zur Zuverlässigkeit von BGA-Komponenten zusammen, deren Analyse das Vorhandensein einiger Regelmäßigkeiten anzeigt (zum Beispiel verringert eine Abnahme der Dicke der Keramikbasis die Belastung der Schlussfolgerungen erheblich). Diese Daten können nur als Richtlinie für die Konstruktion dienen. Das Zuverlässigkeitskriterium ist ein Experiment für eine bestimmte Konstruktions- und Montagetechnologie. Am Ende des Artikels [9] werden wertvolle Empfehlungen zur Verwendung von BGA-Komponenten gegeben, die auf einer Zusammenfassung der Erfahrungen der NASA mit einer Person basieren, die seit 1995 an der Zuverlässigkeit von BGA-Komponenten arbeitet. Hier sind einige Punkte:

1. Die meisten PBGA-Fälle bieten eine ausreichende Zuverlässigkeit für Missionen mit begrenzten Temperaturunterschieden (z. B. geregelte Temperatur im Modulgehäuse). Bei einer langen Mission muss ein Korps mit einer großen Anzahl von Schlussfolgerungen (mehr als 500) getestet werden.
2. Keramische BGA-Gehäuse mit einer geringen Anzahl von Ableitungen (weniger als 400) können die Zuverlässigkeitsanforderungen für Kurzzeitmissionen mit begrenzten Temperaturunterschieden erfüllen. Für Langzeitmissionen müssen Qualifikationstests jedoch auch bei geringeren Anforderungen an Temperaturunterschiede bestanden werden. In Fällen mit einer großen Anzahl von Schlussfolgerungen (mehr als 500) sind in allen Fällen Tests erforderlich.
3. Die Verwendung einer „Unterfüll“ -Mischung wird für CCGAs aufgrund des hohen Abstands zwischen dem Gehäuse und der Leiterplatte nicht empfohlen. Im Falle einer Verwendung sollte die KTP der Verbindung nahe an der KTP der Leiterplatte liegen (Last in der Ebene) und Schlussfolgerungen (Last in Richtung der Z-Achse). Außerdem sind für jede Anwendung individuelle Tests erforderlich.
4. Wenn es notwendig ist, die Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchungen zu erhöhen, ist die Eckbefestigung (englisches Eckstecken, Kantenbonden) für CCGA- und CBGA-Fälle im Vergleich zur Unterfüllungstechnologie vorzuziehen. Aber auch hier können Sie die Zuverlässigkeit falsch ausgewählter Materialien beeinträchtigen.

Es gibt andere Daten : In einer der JAXA-Präsentationen wird gesagt, dass die Verwendung für CBGA-Fälle die Anzahl der Zyklen erhöht, bevor ein Fehler durchschnittlich 1,7-mal auftritt. Am häufigsten werden Verbindungen vom Unterfüllungstyp in Fällen vom CSP-Typ verwendet, bei denen die Hauptaufgabe bei Abmessungen, die der Größe des Kristalls so nahe wie möglich kommen, darin besteht, einen Übergang zwischen Silizium mit niedrigem KTP-Gehalt und KTP-Leiterplatte sicherzustellen. Wie bereits erwähnt, ist es für BGA-Komponenten erforderlich, in jedem Einzelfall Tests durchzuführen (ohne die Möglichkeit, die Ergebnisse zu übertragen, auch wenn sich einer der Parameter, einschließlich des technologischen, ändert), entsprechend dem Modell der externen Einflussfaktoren.


Wie viele Wärmezyklen muss der Körper aushalten? Dies hängt natürlich vom Modell der Einflussfaktoren ab. Mit der optimierten Montagetechnologie wird das allgemeine Zuverlässigkeitskriterium bei fehlenden Fehlern für 500 Zyklen von -60/125 ° von vielen Arten von Fällen erfüllt (siehe Tabelle 2). "Kein einziger Wärmezyklus", das Gehäuse darf jedoch keine Feuchtigkeit ansammeln, es muss einen geringen Wärmewiderstand bieten, es muss Widerstand gegen mechanische Faktoren usw. bieten. Und gemäß der vollständigen Liste der Kriterien für Keramikfälle ist die Zuverlässigkeit statistisch höher. Hersteller von elektronischen Bauteilen für Raumfahrtgeräte wie Aeroflex und MSK geben ihre Mikroschaltungen in Keramik- und Metallglasgehäusen frei. Ja, für die Ausführung des BGA-Typs verursacht die Montage auf Leiterplatten Probleme aufgrund der KTR-Fehlanpassung. Sie müssen also Wege finden, um die Zuverlässigkeit der Verbindungen zu erhöhen - Verringerung der Dicke der Basis, Verwendung von Unebenheiten, Compoundierung usw.

Es ist wichtig zu verstehen, dass es nicht um die Verpackungstechnologie im Allgemeinen geht, sondern darum, ob eine bestimmte Mikroschaltung die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Beständigkeit gegen Einflussfaktoren erfüllt. Sie können eine handelsübliche Mikroschaltung in einem Kunststoffgehäuse verwenden, wenn dieser den gesamten Testzyklus besteht. Gleichzeitig bedeuten erfolgreiche Tests nicht, dass der „gleiche“ Mikrokreislauf eines anderen Herstellers oder sogar einer anderen Charge die Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllt. Dies ist der Unterschied zwischen einer zuverlässigen EZB, die dem Preis inhärent ist - der Hersteller übernimmt die Kosten für die Tests. Das gleiche 3D PLUS führt die Auswahl von Mikrochips aus Kunststoff für einige seiner Mikrobaugruppen durch, aber solche Produkte sind bereits viel teurer. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Tests und Auswahlen auf der Verbraucherseite durchzuführen. Dies kann gerechtfertigt sein, wenn die erforderliche Funktionalität nicht in einer zuverlässigen Ausführung implementiert ist oder wenn das Modell externer Einflüsse und die Zuverlässigkeitsanforderungen für die Zielmission viel niedriger sind als die typischen zuverlässigen elektronischen Batterien auf dem Markt.

Die Forderung, die Masse der Raumfahrzeuge zu reduzieren (vor allem die Entwicklung kleiner Raumfahrzeuge), zwingt die Hersteller dazu, zuverlässige elektronische Komponenten in Kunststoffgehäusen herzustellen. Es gibt bereits Lösungen auf dem Markt (außerdem werden sie auch als Budget-Lösungen deklariert). Vielleicht wird in naher Zukunft die Menge an zuverlässigem, weltraumzertifiziertem Kunststoff zunehmen, um die Anforderungen von Missionen im erdnahen Orbit zu erfüllen, und Keramikgehäuse werden auf LTCC-Leiterplatten übertragen, um den Weltraum zu pflügen.

Literatur

[1] Reza Ghaffarian, "BGAs für hochzuverlässige Anwendungen", 1998.
[2] Reza Ghaffarian, "Ball Grid Array Reliability Assessment for Aerospace Applications", 1997
[3] Reza Ghaffarian, "Zuverlässigkeits- und Fehleranalysen von thermisch zyklischen Kugelgitter-Array-Baugruppen", 1998
[4] Reza Ghaffarian, "Zuverlässigkeit von BGA-Paketen für hochzuverlässige Anwendungen und Zuverlässigkeit auf Chip-Board-Ebene", 1997
[5] Reza Ghaffarian, "Zuverlässigkeit der Montage von BGAs und Auswirkungen der Fertigstellung von Boards", 1998
[6] Jean-Paul Clech, "Lötstellenzuverlässigkeit von CSP gegenüber BGA-Baugruppen", 2000
[7] Raj N. Meister, Gregory B. Martin usw. "Ceramic Ball Grid Array für AMD K6-Mikroprozessoranwendungen", 1998
[8] Reza Ghaffarian, „Auswirkung von Area Array-Pakettypen auf die Zuverlässigkeit der Baugruppe und Kommentare zu IPC-9701A“, 2005
[9] Reza Ghaffarian, "CCGA-Pakete für Weltraumanwendungen", 2006
[10] FDBruce Houghton. "ITRI-Projekt zum stromlosen Knacken von Nickel / Immersions-Gold-Gelenken", 2000
[11] FDBruce Houghton. „Lösung des ENIG Black Pad-Problems: Ein ITRI-Bericht zu Runde 2“, 1999