Die Crux der BGA-Lötverbindungen

Bild 1: Statisches Referenzmodell zwischen der mechanischen und der elektrischen Ebene.Göpel

Bei BGA-Gehäusen sind die Anschlüsse in Form von Kugeln auf der Unterseite des Chips ausgeprägt. Die BGA-Technik hat gegenüber bedrahteten ICs viele Vorteile, beispielsweise kleinere Gehäuse, höhere Packungsdichte, höhere Pindichte, verbesserte Signalübertragungseigenschaften und die bessere thermische Kopplung an die Leiterplatte. Neuere Ausprägungen dieser Komponenten, wie etwa VFBGA (Very Fine BGA), ermöglichen mittlerweile mehrere tausend Anschlusspins im Rastermaß unter 0,5 mm. Die Montage der BGA Bauelemente erfolgt in einem entsprechenden Lötprozess, wobei viele Faktoren eine Rolle spielen. Im Ergebnis dieses Vorgangs entsteht im Normalfall eine matt glänzende Lötstelle, welche diversen mechanischen und elektrischen Kriterien standhalten muss:

• hohe Haftungssicherheit zwischen Ball und Leiterplatte
• hohe mechanische Langzeitstabilität
• hohe strukturelle Integrität des Ballkorpus
• hohe Leitfähigkeit
• hohe elektrische Signalintegrität
• hohe Isolationsfestigkeit zu Nachbarpins

Das in Bild 1 enthaltene Referenzmodell zeigt die strukturellen Zusammenhänge vereinfacht  auf. Dabei geht man von einem statischen, gerichteten Signal mit einfachen ohmschen Leitungswiderständen aus. Die im Chip herrschenden Umstände (Bonddrähte, etc.) werden als bekannt vernachlässigt.

Beim Lötvorgang verschmilzt das Lot der Kugeln mit der Lotpaste und es bildet sich durch chemische Reaktion mit der Oberfläche der Leiterplatte eine intermetallische Zone. Auch zwischen dem Chip und dem Ballkorpus befindet sich eine intermetallische Zone, welche allerdings beim Chiphersteller ausgeprägt wird und von ihm auch zu überprüfen ist. Aus elektrischer Sicht ist insbesondere der Leitungswiderstand des Ballkorpus und der intermetallischen Zonen essenziell. Dieser sollte im Normalfall zwischen Sender und Empfänger stabil auf Milliohm-Niveau sein. Doch in der Praxis treten sowohl systematische als auch zufällige Fehler auf und diese führen zu stark veränderten elektrischen Parametern. Auch eine glänzende Lötstelle ist noch lange kein Garant für Fehlerfreiheit.

Arten von Lötfehlern

Lötfehler entstehen sowohl durch Qualitätsmängel der dem Lötprozess zugeführten Elemente als auch durch vom Soll abweichende Lötprofile. Die Fehlerbilder können sehr unterschiedlich ausgeprägt sein. Sie reichen von sichtbaren Deformationen des Lotkorpus im Sinne von mageren oder fetten Lötverbindungen, wobei elektrisch durchaus Kontakt besteht, bis hin zu optisch gut ausgeprägten Lötverbindungen mit keinem oder sporadisch ausfallendem elektrischen Kontakt.

In Bezug auf die Bewertung einer BGA-Lötstelle spielt die Norm IPC-A-610E [1] eine wichtige Rolle. Sie gibt vor, welche Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen einzuhalten sind und gibt auch Kriterien für BGA-Bauelemente vor. Für eine Produktion sind damit Systemlösungen notwendig, welche die Konformität der Lötverbindungen zu dieser Norm nachweisen können. Dadurch werden auch strukturell instabile Lötverbindungen, bei denen es unter mechanischer Belastung zum Bruch und damit zum Verlust der elektrischen Leitfähigkeit kommt, vermieden. Es bleibt jedoch anzumerken, dass viele Fehler, die Form des Lotkorpus betreffend, erst bei Extremwerten elektrische Auswirkungen haben.

Tabelle 01: Übersicht über typische Fehlerkategorien bei BGA-LötverbindungenGöpel

Demgegenüber sind die Fehler in den intermetallischen Zonen nur sehr schwer zu erkennen. Zu nennen sind hier vor allem die als „Head in Pillow“ und „Black Pad“ bekannten Phänomene. Bei ersterem Effekt verschmilzt das Lot nicht mit der Lotpaste und es bildet sich quasi eine Sperrschicht aus. Die Optik der Lötstelle verrät dies jedoch typischerweise nicht. Ursachen sind in diesem Fall vor allem Kontaminationen der Kugeloberfläche. Beim Black Pad liegt die Problematik eher an der Leiterplatte. Hier reagiert zwar der Ball mit der Lotpaste, aber darunter entsteht ebenfalls eine Schicht mit verminderter oder komplett fehlender Leitfähigkeit. Ursache sind bei solchen Phänomenen oftmals Qualitätsmängel in den Oberflächen der Anschlusspads der Leiterplatte.

Tabelle 02-Leistungsfähigkeit verschiedener Technologien zur Erkennung von BGA-Fehlern.Göpel

Wie die Tabelle 2 deutlich macht, gibt es eine große Anzahl von Fehlerszenarien und sie alle müssen zur Absicherung der notwendigen Produktionsqualität beherrscht werden. Dabei variieren auch die typischen Probleme in der Praxis zwischen verschiedenen Herstellern und manchmal sogar zwischen verschiedenen Produkten in der gleichen Fertigung. Vor allem etwaige Fehler in den intermetallischen Zonen mit sporadischem Kontaktausfall sind eine absolut essenzielle Bedrohung und können in kritischen Applikationen wie im Automobilbereich katastrophale Konsequenzen nach sich ziehen.

Methoden zur Fehlererkennung

Der Einsatz von Test- und Inspektionssystemen verfolgt grundsätzlich zwei strategische Ziele. Zum einen sollen sämtliche Fehler im Produktionsprozess gefunden werden und zum anderen ist jedes System ein Prozesssensor im notwendigen Regelkreislauf der Qualitätssicherung. In der Praxis existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Technologien, um dieser Herausforderung zu begegnen, allerdings sind nur bestimmte Technologien zum Einsatz bei BGA-Lötverbindungen geeignet. Das gilt umso mehr, wenn eine IPC-A-610-konforme Produktion nachgewiesen werden soll. Dabei sind moderne 3D-Inspektionssysteme in der Lage, Lötverbindungen auch quantitativ zu vermessen, während elektrische Testsysteme lediglich grundsätzliche Gut/Schlecht-Aussagen über den Kontaktzustand liefern können. Die Tabelle spiegelt die verschiedenen Verfahren von AOI (Automatische Optische Inspektion), MXI (Manuelle Röntgeninspektion), AXI (Automatische RöntgeniInspektion), AXOI (Automatische Röntgen/AOI), Boundary Scan (IEEE1149.x), ICT (In-Circuit Test) und FPT (Flying Probe Test) gegen wichtige Prüfkriterien und technische Merkmale.

Dabei wird schnell deutlich, dass es eine Universallösung nicht gibt. Jede Technologie zielt auf bestimmte Fehlerklassen ab. MXI-Systeme bieten eine sehr hohe Auflösung im unteren Mikrometerbereich und können daher prinzipiell alle mechanischen Fehler erkennen. Allerdings sind sie reine Off-Line-Maschinen und für eine automatische Nutzung nicht einsetzbar. AXI-Systeme hingegen sind prinzipiell Inline-fähig und 3D-Inspektionssysteme können sich auch gemäß IPC-A-610 qualifizieren. Allerdings haben sie eine geringere Auflösung und damit Probleme in der Erkennung von Haftungsschwächen in den intermetallischen Zonen. AXOI-Geräte kombinieren AXI und AOI in einem System, wodurch sie auch in der Lage sind, Fehler bei BGA-Lötstellen auf unkorrekt platzierte Chips zurückzuführen.

Im Bereich des elektrischen Testens spielt die physikalische Kontaktierbarkeit der Leiterzüge eine entscheidende Rolle für die Anwendbarkeit der Technologien. Hochdichte BGA-Baugruppen mit in der Leiterplatte komplett eingebetteten Leiterzügen drängen an dieser Stelle langjährig zuverlässige Verfahren wie ICT und FPT ins Abseits. Als wegweisende Alternative gilt hier das so genannte Boundary-Scan-Verfahren, das nach IEEE1149.x [2] standardisiert ist und adapterlos arbeitet. Ausgehend von den diskutierten Produktionsanforderungen kristallisieren sich für komplexe BGA-Baugruppen zwei Schwerpunkt-Technologien heraus – Röntgensysteme in Form von AXI/AXOI und die elektrische Testeinrichtung.

Das Potenzial von X-Ray voll ausschöpfen

Bild 2: OptiCon X-Line 3D mit integrierter AOI-Option (AXOI).Göpel

Auch wenn grundsätzlich die Röntgentechnik in der Lage ist, quasi durch den BGA auf die Balls zu blicken, ist dies lediglich eine notwendige technische Grundlage. Der eigentliche Kundennutzen wird primär durch die technologische Gerätekonzeption definiert. Röntgensysteme kommen in modernen SMD-Fertigungen entweder direkt in, oder neben der Produktionslinie zur vollautomatischen Röntgeninspektion (AXI) zum Einsatz. Auch die Verwendung hochauflösender manueller oder halbautomatischer Röntgengeräte (MXI) zur Stichprobenanalyse ist weit verbreitet. Zusammengefasst müssen AXI-Systeme für den Einsatz in SMD-Produktionslinien bei BGA-Baugruppen eine Reihe von grundlegenden Kriterien genügen, wie etwa:

• Vollständige Inspektion nach IPC-A-610E
• Geringer Fehlerschlupf
• Niedrige Rate an Geisterfehlern (Fehlalarme)
• Durchsatz im Bereich der Beat-Rate der Produktionslinie (In-Line Betrieb)
• Automatische Fehlererkennung
• Einfache Programmgenerierung
• Intuitive Nutzerführung
• Unterstützung für Statistic Process Control (SPC)

Bild 3: Vermessung guter und schlechter Lötverbindungen.Göpel

Die IPC-A-610E thematisiert bezogen auf die BGA-Bauelemente Kriterien wie Lotkugelversatz, Lotkugelabstand, Lotkugelform und Poren (Lufteinschlüsse) in der Lötung. Sie steht auch im Zusammenhang mit der IPC-7095B [3], welche speziell auf das Design und die Prozessierung von BGAs eingeht. Besonders effizient, um die Vorgaben der IPC-A-610 zu überprüfen, sind 3D-AXI-Systeme auf Basis der Tomosynthese, beispielsweise das Opticon X-Line 3D (Bild 2) von Göpel Electronic [4]. Die Beispiele in Bild 3 zeigen exemplarisch eine Kugel und deren bildverarbeitungstechnische Auswertung. Die Bilder zeigen jeweils den Schnitt durch die Mitte der BGA-Lotkugeln.

Bild 4: Darstellung von Voids.Göpel

Ergebnis der Bewertung sind Messwerte wie Ballfläche, Rundheit des Balles, Position des Balles und dessen Grauwert. Hier zeigt sich eine Stärke der Röntgentechnik, mit der es möglich ist, reale Messwerte zu gewinnen. Röntgenbilder zeigen Änderungen im Material selbst sowie in der Materialdichte und -dicke. Ein weiteres Kriterium sind die Poren (Voids, Bild 4) im BGA-Ball. Diese entstehen unter anderem im Reflow-Prozess, wenn sich das in der Lotpaste enthaltene Flussmittel erhitzt, in den gasförmigen Zustand übergeht und vom Lot des Balles umschlossen wird. Voids können auch durch das Leiterplattendesign selbst entstehen, beispielsweise durch Microvias in den Anschlussflächen. Größe und Anzahl der Lufteinschlüsse hängen maßgeblich von der verwendeten Lotpaste, dem Anteil Flussmittel und der gewählten Temperaturkurve des Reflow-Ofens ab.

Typischerweise wird bei der Void-Prüfung nicht das Volumen, sondern die Void-Fläche bestimmt. Hauptsächlich wird die Voidfläche zur Kugelfläche ins Verhältnis gesetzt und so der Voidanteil in Prozent ausgegeben. Nimmt man an, dass der Void sich als Kugel ausprägt, lässt sich aus der Voidfläche das Voidvolumen berechnen. Dies ist in der Praxis jedoch eher untypisch. Das Opticon-X-Line 3D bestimmt die Voidfläche in der Mitte des BGA-Balls. Das linke untere Beispiel zeigt die automatische Voidbestimmung. Der IPC-A610E Grenzwert für den maximalen Anteil Void an der Gesamtlötstelle liegt bei 25 Prozent.

Spezielle Tests

Bild 5: Darstellung von Voidanteilen, Kurzschlüssen und nicht co-planaren BGA.Göpel

Neben der Beurteilung der Lotkugeln auf Form, Anwesenheit und Poren kann das System gemäß Bild 5 auch Kurzschlüsse zwischen den Lotkugeln auswerten. Das Bild zeigt auch einen verkippten BGA. Alle Bälle haben elektrischen Kontakt und sind mittels Boundary-Scan-Test als „Pass“ geprüft worden. Bei der optischen Auswertung offenbart sich jedoch die Verkippung im 3D-Röntgenbild (Schichtebene = Ballmitte der untersten Reihe). Wird dieser BGA mechanisch oder thermisch belastet, wird er voraussichtlich ausfallen. Ein solcher Schrägstand kann unter anderem durch vagabundierende Bauteile verursacht werden, die unter dem BGA zum liegen kommen. Das oben genannte Fehlerszenario des „Head-in-Pillow“-Effekts ist auch unter dem Synonym „Auflieger“ bekannt. Eine Möglichkeit, dieses Fehlerszenario sicher und reproduzierbar zu prüfen, ist die Verwendung eines „Tear-Drop“-Pad-Designs. Hierbei sind die Anschlusspads des BGAs nicht kreisrund ausgeführt, sondern tränenförmig. Bild 6 verdeutlicht dies im Röntgenbild.

Bild 6: Erkennung von Aufliegern durch Tear-Drop-Design.Göpel

Schmilzt ein Ball auf und verbindet sich mit der darunter liegenden Lotpaste, so prägt sich die typische Tränenform aus. Kommt keine Verbindung zustande, behält der Ball seine kreisrunde Form und kann über Messwerte wie Rundheit, Achsenverhältnis oder Ballfläche aussortiert werden. Speziell bei kleineren Pitches ist es oft nicht möglich, das Tear-Drop-Design zu verwenden: Durch die Tränenform verringert sich die Distanz zwischen zwei Pads und es kann zur Verletzung des minimalen elektrischen Isolationsabstandes kommen. In diesem Fall muss ein klassisches rundes Pad-Layout verwendet werden. Dies ist bei der Parametrierung der  Röntgenprüfung zu berücksichtigen.

Bild 7: Unterschiedliche Durchstrahlungen mit 2D-, 2.5D- und 3D-Techniken.Göpel

Nun ist eine Bewertung nach Kugelform oft nicht ausreichend, um Gut von Schlecht zu unterscheiden. Liegen einseitig bestückte Baugruppen vor, so lässt sich mittels hochauflösender 2,5D-Röntgenschrägdurchstrahlung der Übergang  zwischen Pad und Lotkugel begutachten. Ist hier eine Einschnürung erkennbar, ist dies ein Indiz für einen Auflieger. Ist die Baugruppe jedoch beidseitig bestückt oder weist sogar mehr als zwei Lötebenen auf, so ist dies problematisch. Im 2,5D-Röntgenbild sind dann starke Überlagerungen des BGA mit Bauelementen der gegenüber liegenden Lötseiten sichtbar. Hier kann nur das 3D-Röntgen Abhilfe schaffen. Das Opticon X-Line 3D nutzt die digitale Tomosynthese, um eine Schicht der Leiterplatte „scharf zu stellen“ (Bild 7). Auf diesem Weg ist es möglich, die Lötverbindungen überlagerungsfrei prüfen zu können.

Ohne Nadeln geht es besser

Bild 8: ScopeLine MX-1000 für halbautomatische BGA-Analysen (MXI).Göpel

Als ergänzender Partner zur Röntgeninspektion von komplexen BGA-Baugruppen ist das Boundary-Scan-Verfahren erste Wahl. Gegenüber dem klassischen In-Circuit-Test werden die physischen Nadeln gemäß Bild 9 als quasi virtuelle Proben in die Chips integriert. Diese designintegrierte Testelektronik wird seriell über einen so genannten Testbus angesteuert. Die virtuellen Nadeln sind in Wahrheit Boundary-Scan-Scanzellen, die in Form eines Schieberegisters (Boundary Scan Register) zusammengeschaltet werden. Durch das synchrone Handling der Zellen gelingt der elektrische Test von BGA-Lötverbindungen problemlos. Allerdings kann bei gerichteten Verbindungen (Bild 10) der Fehlerort nicht genau bestimmt werden, dazu braucht es dann wieder Verfahren wie MXI.

Bild 10: Verbindungstest von zwei BGA-Pins per Boundary Scan.Göpel

Bei Mehrpunktverbindungen, wie etwa Busstrukturen, ist dagegen eine pingenaue Fehlerdiagnose vollständig gegeben. Der Charme des Boundary-Scan-Verfahrens ist aber auch seine hohe Testgeschwindigkeit und die Flexibilität beim Test von Prototypen. Ausgereifte Systemlösungen wie die Softwareplattform Cascon [6] von Göpel Electronic bieten hier automatische Test-Pattern-Generatoren (ATPG), welche tausende von Lötstellen parallel in wenigen Sekunden und mit automatischer Pinfehlerdiagnose testen können, ohne dass ein Adapter benötigt wird. Noch kosteneffektiver geht es also kaum.

Dabei ist Boundary-Scan ein strukturelles Verfahren und unabhängig von der im Chip integrierten Funktionslogik. Das heißt in der Endkonsequenz, dass jeder Pin einzeln und unabhängig getestet werden kann. Damit lässt sich das Verfahren auch sehr gut mit Stresstests kombinieren, bei denen zum Beispiel durch thermische Belastung in einer Klimakammer versucht wird, mangelhafte Lötverbindungen gezielt zum Ausfall zu bringen. Auch hierfür bietet Göpel vorkonfektionierte Hardwaremodule, wie das TIC03 aus der Scanflex-Serie [7].

Bild 11: Darstellung von Layout und Schematic beim interaktiven Pin-Toggling.Göpel

Doch Boundary Scan hat seine Stärken auch im Labor. Für die schnelle Prototypverifikation ist für den Designer oftmals eine gezielte Überprüfung bestimmter Signale relevant. Hier erzielen grafische Werkzeuge wie Scan Vision die besten Resultate. Sie erlauben nicht nur das Cross-Referencing zwischen Layout und Schaltplan, sondern auch die Aktivierung der Boundary-Scan-Zellen durch einfachen Klick auf den entsprechenden Pin. Die resultierenden logischen Signalzustände werden dann über vom Anwender definierbare Farbschemata visualisiert (Bild 11). Zur Einführung von Boundary Scan stehen auch spezielle Pakete wie das PicoTAP Designer Studio [8] von Göpel Electronic zur Verfügung (Bild 12). Sie enthalten bereits sämtliche Werkzeuge, inklusive ATPG und Debugger, sowie die erforderliche Hardware. Das schließt auch ein Hardwaremodul zum Test von I/O-Signalen ein.

Teamarbeit ist gefragt

Bild 12: Komponenten des Komplettpakets PicoTAP Designer Studio.Göpel

Allein die Existenz der bisher diskutierten Technologien und Systemlösungen reicht für eine Fertigung mit höchsten Qualitätsstandards nicht aus. Vielmehr bedarf der Einsatz von Röntgensystemen und Boundary-Scan-Systemen in der Produktion von BGA-Baugruppen einer gründlichen Analyse der gesamten Fertigungssituation. Dabei spielen vor allem die genaue Kenntnis der zu bekämpfenden Fehler und ihre statistische Verteilung eine maßgebliche Rolle. Insgesamt existieren über 100 Parameter, welche die Definition einer optimalen Inspektions- und Teststrategie beeinflussen. Insofern ist es an dieser Stelle unmöglich, „die“ Strategie zu benennen. Tatsächlich kann aber insbesondere die Kombination von AXOI und Boundary Scan bei BGA eine gegen 100 Prozent gehende Fehlerabdeckung sicherstellen. Je größer der Anteil an BGA ist, umso mehr Bedeutung kommt gerade diesen Verfahren zu. Für hochdichte Baugruppen sind sie aus jetziger Sicht perspektivisch die einzige Lösung. Wie für derartige Situationen eine Prozesslinie aussehen könnte ist aus Bild 13 ersichtlich.

Bild 13: Beispiel zum Einsatz von AXOI, MXI und Boundary Scan in einer BGA-Montagelinie.Göpel

Dabei wird vom Grundgedanken her hinter jedem Prozessschritt ein Sensor etabliert und die abgehobenen statistischen Fehlerinformationen ganzheitlich auf die Prozesse zurückgekoppelt. Das AXOI-System kann aufgrund seiner hohen Inspektionsgeschwindigkeit die Baugruppe nach IPC-A-610E qualifizieren und beispielsweise auch den Innenmeniskus von TQFP Bauelementen vermessen. Die noch fehlende mechanische Fehlerabdeckung wird durch das integrierte AOI-System sichergestellt. Zur Präzisionsanalyse kommt MXI zum Einsatz. Die blau dargestellten Sensoren sind bei Göpel erhältlich.

electronica 2014: Halle A1, Stand 351

(mrc)