Проектирование печатных плат для BGA применений

Табл. 6. Характеристики финишных покрытий печатных плат для BGA применений.

Финишные покрытия.

Деформация печатной платы.

Табл. 5. Некоторые характеристики базовых материалов для изготовления печатных плат.

выдержке его во влажной среде с определенными показателями относительной влажности и температуры. Поглощенная материалом влага испаряется в процессе пайки и может привести к короблению печатной платы и вспучиванию материала.

Вышеупомянутые, а также некоторые другие характеристики для различных базовых материалов приведены в Табл. 5.

Наиболее массовое применение нашли печатные платы на основе тканого стекловолокна с эпоксидным заполнением (материалы класса FR-4). Абсолютное большинство многослойных печатных плат, в том числе и для применения BGA

компонентов, изготавливается из этого класса материалов. Технология изготовления многослойных плат на основе FR-4 является базовой, ею владеют все производители плат.

Материалы класса FR-4 очень технологичны, дешевы, к тому же постоянно совершенствуются, выпускаются новые модификации с улучшенными характеристиками.

При отсутствии каких-либо особых показаний к применению альтернативных материалов для конкретного изделия, выбор FR-4 в качестве базового материала для печатной платы будет и технологически, и экономически оправдан. Вместе с тем, настоятельно

советуют выбирать FR-4 со значением Tg ≥170°C-180°C для многослойных печатных плат с BGA компонентами для повышения надежности. Это особенно актуально для плат с большими BGA компонентами и количеством слоев больше 6-8. Для плат HDI материал с меньшим Tg практически не применяется.

На обеспечение равномерного и надежного паяного соединения BGA-компонентов с печатной платой сильно влияет значение деформации прогиба/кручения. В особенности это существенно при больших размерах корпусов BGA. Согласно стандартам IPC-2221, IPC-A-600 максимальное значение деформации прогиба/кручения платы, предназначенной для SMT-монтажа, и измеренной по методике IPC-TM-650, не должно превышать 0,75% на всю длину платы или групповой заготовки, если сборка ведется на платах в заготовках.

Финишные покрытия служат для: обеспечения надежного паяного соединения; сохранения паяемости поверхности; обеспечения хорошей поверхностной проводимости для контактов концевых разъемов и других печатных контактов; обеспечения поверхности, пригодной для разварки кристаллов на печатную плату. Несколько, наиболее часто применяемых для плат с BGA. Не следует забывать, что при проектировании плат с BGA, следует также учитывать требования, предъявляемые к финишному покрытию другими компонентами схемы, и, возможно, выбирать приемлемое компромиссное решение. Сразу сказать, что финишного покрытия «на все случаи жизни» не существует, каждое покрытие имеет свою область

применения, свои сильные и слабые стороны. Для облегчения правильного выбора

некоторые характеристики финишных покрытий приведены в Табл. 6.

Свинцовые и бессвинцовые покрытия с выравниванием горячим воздухом (HASL, HAL – Hot Air Solder Leveling). Наноситсяв конечной стадии изготовления на уже сформированную печатную плату с нанесенной паяльной маской путем окунанияее в ванну с расплавом и последующим выравниванием иудалением излишков припоя с помощью воздушного ножа.Это самое распространенное, надежное и очень дешевое финишное покрытие для печатных плат. Основная проблема,связанная с покрытием HASL, - это существенная неравномерность толщины покрытия. Толщина покрытия может варьироваться от 0,75 мкм до 35 мкм в зависимости от размеровконтактной площадки и от неравномерности воздействия воздушного ножа. Также в результате термоудара при нанесенииHASL возможно коробление печатной платы в виде прогиба/кручения. Это особенно актуально для плат с толщиной<1,0 мм и для плат с несимметричным стеком слоев, несбалансированных по меди, имеющих несимметричные по слояммедные заливки, ряды металлизированных отверстий, а также для бессвинцового покрытия. Неравномерность толщиныпокрытия вносит негативный вклад в общую копланарностьплата - BGA.

В целом, покрытие HASL можно использовать для BGA-компонентов с шагом от 1,0 мм и более, в некоторых случаях даже от 0,8 мм при достаточно большой контактной площадке

и небольшом количестве выводов. При применении HASL настоятельно рекомендуется осуществлять монтаж BGA на пасту, так как слой пасты нивелирует неравномерность толщины покрытия в таком случае. При нанесении пасты необходимо почаще протирать (промывать) трафарет снизу для удаления пасты, подтекшей под трафарет из-за неравномерности покрытия площадок.

Органическое покрытие (OSP – Organic Solderability Preservative). С уменьшением шага компонентов интерес к покрытиям, обеспечивающим необходимую плоскостность, и, в частности, к OSP, постоянно растет. В последнее время покрытияOSP бурно прогрессируют, появились разновидности покрытий, обеспечивающих многопроходную пайку без оксидациимеди даже при достаточно больших перерывах по временимежду проходами (дни). Различают тонкое, около 0,01 мкм,покрытие и относительно толстое покрытие 0,2 – 0,5 мкм иболее. Для обеспечения двух- или многопроходной пайкиследует выбирать толстое покрытие. OSP обеспечивает плоскую поверхность контактных площадок, не содержит свинца, при соблюдении правил хранения и обращения обеспечивает очень надежное паяное соединение. Вместе с тем, OSP не обеспечивает покрытие торцов медной контактной площадки припоем в процессе оплавления. Растекаемость припоя по поверхности хуже, чем при покрытии HASL. Поэтому при нанесении пасты отверстия в трафарете следует делать размером, равным контактной площадке. Иначе не вся поверхность площадки будет покрыта припоем (хотя этот дефект является только косметическим, надежность соединения остается очень хорошей). Непокрытая припоем медная поверхность со временем окисляется, что может повлиять негативно на проведение ремонта. Также существует проблема смачивания металлизированных отверстий при пайке волной. Необходимо наносить достаточно большое количество флюса перед пайкой, флюс должен попасть в отверстия, чтобы припой смочил отверстие изнутри и образовал галтель на обратной стороне платы. К недостаткам данного покрытия также относятся: малое время хранения перед использованием, несовместимость с терпеновыми растворителями, ограничения по тестопригодности при внутрисхемном и функциональном тестах (что частично решается нанесением паяльной пасты на контрольные точки). Если вы остановили свой выбор наOSP, рекомендуем применять покрытия ENTEK фирмы Enthone (ENTEK PLUS, ENTEK PLUS HT), как обеспечивающие лучшее сочетание смачиваемости, надежности соединения имногопроходности.

Иммерсионное золото (ENIG – Electroless Nickel/Immersion Gold). Широк распространенное бессвинцовое покрытие,обеспечивающее плоскостность контактных площадок, хорошую паяемость, высокую поверхностную проводимость контактных площадок и длительный срок хранения. Отличноподходит для внутрисхемного тестирования. Более дорогое,по сравнению с HASL. Имеется множество производителей химикатов для нанесения иммерсионного золота, технологии его нанесения различаются от производителя к производителю химикатов. Конечный результат также зависит от выбора

химикатов и техпроцесса нанесения. Некоторые химикаты могут не сочетаться с конкретным типом паяльной маски. Данный тип покрытия склонен к образованию двух типов критических дефектов – «черной площадки» (black pad, несмачиваемости поверхности площадки припоем) и растрескивания при механических или термических нагрузках (растрескивание происходит между слоем никеля и меди, по слою интерметаллида). Также при нанесении покрытия следует контролировать количество золота для предотвращения охрупчивания паяного соединения. Точное следование технологии нанесения иммерсионного золота и своевременная замена растворов гарантируют качество покрытия и отсутствие дефекта black pad. Для предотвращения растрескивания при механических нагрузках можно рекомендовать увеличение толщины печатной платы до 2,0 мм и более при использовании BGA корпусов размером более 25х25 мм или при размере платы более 250 мм. Увеличение толщины платы уменьшает механические нагрузки на компоненты при изгибании платы. В настоящее время ведется постоянная работа по нахождению новых финишных покрытий, способных преодолеть недостатки покрытий HASL, OSP и ENIG. Из последних покрытий многообещающим кандидатом считается иммерсионное серебро (см. Табл. 8.).