<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN">
<html>
<head>
  <meta content="text/html; charset=ISO-8859-1"
 http-equiv="Content-Type">
  <title></title>
</head>
<body bgcolor="#ffffff" text="#000000">
On 03/07/12 11.15, Dr. H. Nikolaus Schaller wrote:<br>
...<br>
<blockquote
 cite="mid:F598F36E-697D-4C18-A0DF-4659AAB7CB33@goldelico.com"
 type="cite">
  <pre wrap="">Now comes the crucial question: how can this be improved?

The specialists of the production company have spent whole weekends
to do more experiments but did not yet find the right trick. It is not that
they do not want to solve the problem (they see it as a challenge) they
simply have not yet found the key.

  </pre>
</blockquote>
...<br>
<blockquote
 cite="mid:F598F36E-697D-4C18-A0DF-4659AAB7CB33@goldelico.com"
 type="cite">
  <pre wrap="">Unless one of the readers on these list knows some real specialist
for such PoP soldering of BGAs who is willing and capable to
consult (even if it costs money). So if you know someone, please
let me know.
  </pre>
</blockquote>
...<br>
<br>
Hi Nikolaus<br>
<br>
I have no experience with BGA soldering, but here are some (untested)
suggestions. I have no idea what is possible. Maybe it might add to a
solution?:<br>
<br>
* Use an heat infrared camera to "see" during soldering (and passive
cooling) how the BGA-chip temperature is distributed during the process
- if possible - even of the PCB underside.<br>
<br>
* If BGA-chip bulges it maybe that it is too "cool" at the<span><abbr
 title="substantiv"> </abbr></span>periphery? Can the periphery be
heated more? Or be heat-isolated more during passive cooling - or cool
the BGA-center more than the periphery? Maybe the PCB just opposite the
BGA should have the opposite treatment during the cooling process?<br>
<br>
* Make hollow BGA PCB-islands where to much or to little solder can
flow through? The melted solder adhersion should keep the solder where
it belongs?<br>
<br>
* Maybe this paper has the answer?:<br>
<br>
<br>
BGA rework<br>
A comparitive study of selective solder paste deposition for area array
packages.<br>
Ray Cirimele BEST, Inc. Rolling Meadows, Illinois rcirimele@solder....:<br>
http://www.solder.net/stencilquik/papers/SMT_PANPAC_Paper_Rev032704.pdf<br>
Quote: "...<br>
There has been much controversy over whether BGA solder joint
reliability is better when processed with solder paste versus paste
flux. Some studies1,2 indicate that the solder joint shape may have a
greater impact on the solder joint reliability than the volume.<br>
...<br>
Figure 1. An open connection caused from poor coplanarity and the use
of flux instead of paste.<br>
...<br>
Many things can affect the coplanarity. If the BGA has solder balls
that are not coplanar it can result in a &#8220;open connection&#8221; (a ball that
has not contacted and wetted the land while surrounding balls have made
contact). Variations in surface finish height, warp of the board or
area, and warp or bow of the device itself can create coplanarity
problems. The use of solder paste can help to overcome variations in
solder ball height. The use of solder paste may also improve wetting as
a result of a greater area of intimate contact between the ball and the
paste and the land and the paste. Solder paste may provide better
&#8220;tack&#8221; than flux alone. On newer technology PCBs, the utilization of
drilled (usually laser) micro-vias in the center of the BGA land
requires the use of solder paste to reduce voiding and to prevent loss
of the solder ball volume as a result of filling the via.<br>
...<br>
Although there are many ways to replace the Area Array devices using
flux, solder paste, or solder bumps, only the four most common methods
of solder paste deposition will be discussed.<br>
...<br>
Stand Off<br>
There are some BGA devices with eutectic solder balls that tend to
exhibit a great deal of ball collapse after reflow. This can be caused
from design (land size) or BGA weight. Many times this excessive
collapse can result in solder shorts (usually in the corners).
Generally, greater stand-off height in conjunction with proper solder
volumes and shape can provide better solder joint reliability. The
semi- permanent stencil will prevent excessive collapse of the solder
balls and can be used to provide a minimum stand-off height.<br>
<br>
Solder Shorts<br>
Solder shorts can occur on BGA devices for a number of reasons. Most of
these reasons have to do with the solder paste deposition or excessive
collapse of the solder balls causing an increase in the ball diameter
and a reduction in the ball spacing. One clear advantage that the semi-
permanent stencil has over the other stencils is that it acts as a
physical barrier to prevent solder shorts from occurring. The
non-wettable polyimide film holds the solder paste in the stencil
apertures, and once the solder becomes molten it coalesces and cannot
migrate over the stencil.<br>
...<br>
Solder Volume<br>
Based on previous works done on the relationship between BGA solder
joint quantity and solder joint strength and reliability, greater
solder quantities generally result in greater joint strength. Some
studies indicate that solder joint shape may have as much to do with
joint strength as the solder volume. &gt;&gt;Greater stand-off heights
with a fillet shaped like an hour glass may provide better reliability
than a traditional rounded collapsed ball shape1,2.&lt;&lt;<br>
...<br>
<br>
CONCLUSION<br>
Although stencils have been used in the electronics industry for many
years, the use has been plagued by the impact of the removal of the
stencil from the substrate. Through the use of compatible materials it
has become possible to omit the stencil removal process step and
thereby remove many of the potential opportunities for error. The
improvements to the process include:<br>
* Ease of use<br>
* No paste release problems<br>
* No smearing during removal<br>
* Prevention of solder shorts<br>
* Repairs damaged solder resist<br>
The fact that by leaving the stencil in place benefits the process of
BGA replacement by opening the process window is an added bonus.<br>
..."<br>
<br>
<br>
Search:<br>
http://www.google.dk/search?q=university+solder+bga+joint+study<br>
<br>
-<br>
<br>
AN 353: SMT Board Assembly Process Recommendations:<br>
http://www.altera.com/literature/an/an353.pdf<br>
Quote: "...<br>
One important factor that you must consider in designing stencils is
that lead-free pastes have higher surface tension and do not wet or
spread on the surface of pads as easily as eutectic solder pastes. This
higher surface tension can lead to exposed pad finish material after
reflow soldering. You can rectify this problem by modifying the stencil
aperture designs to increase the paste coverage on the pads.<br>
...<br>
To ensure that all components are heated to temperatures above the
minimum reflow temperatures and that smaller components do not exceed
the maximum temperature limits, you must perform reflow profiling by
attaching calibrated thermocouples embedded in the spheres of the
larger BGA parts as well as other critical locations on the boards (2).
Because the components are subjected to higher reflow temperatures,
select the appropriate moisture sensitivity level (MSL) for the
components and component handling. You must strictly follow the storage
recommendations.<br>
<br>
Although nitrogen is not required, Altera recommends including nitrogen
in the reflow process as its presence helps achieve better wettability
and widen the process window. Nitrogen is especially beneficial when
temperature differential across the board is large. Additionally,
nitrogen improves the appearance of solder joints by inhibiting the
effects of oxidation.<br>
...<br>
To ensure that all packages are successfully and reliably assembled,
the reflow profiles studied and recommended by Altera are based on the
JEDEC/IPC standard J-STD-020 revision D.1 (3).<br>
...<br>
To reduce thermal stress on boards and components, you must control the
peak temperatures below the recommended maximums (Table 4) and minimize
the temperature gradients across the board. High temperatures can put
significant stress on plated through-holes and barrels, which can lead
to cracking. High first-pass temperatures on double-sided assemblies
increase the amount of second-side oxidation, which can cause
solderability problems on the second pass.<br>
<br>
Altera has worked extensively with leading EMS companies and has
successfully demonstrated that the Pb-free parts can be soldered in air
atmosphere (5).<br>
<br>
However, for high-density, two-sided assemblies, you can alleviate the
problems related to a narrow process window by selecting modern reflow
ovens with forced convection and more heating zones with tighter
process controls on reflow parameters. Reflow ovens equipped with
nitrogen reflow atmosphere have shown to improve wettability at lower
peak temperatures and reduce temperature gradients across the board and
have proven beneficial for double-sided assemblies (6).<br>
..."<br>
<br>
PCB Layout Recommendations for BGA Packages<br>
http://www.latticesemi.com/lit/docs/technotes/tn1074.pdf<br>
http://www.eetasia.com/STATIC/PDF/200906/EEOL_2009JUN16_EDA_AN_01.pdf?SOURCES=DOWNLOAD<br>
<br>
Application Note AN-1028<br>
Recommended Design, Integration and Rework Guidelines for International
Rectifier&#8217;s BGA and LGA Packages<br>
by Kevin Hu, International Rectifier<br>
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1028.pdf<br>
<br>
Search:<br>
http://www.google.dk/search?q=solder+bga+recommendation<br>
<br>
-<br>
<br>
http://www.google.dk/search?q=site%3Axilinx.com+bga+solder<br>
<br>
-<br>
<br>
http://www.google.dk/search?q=coplanarity+bga+warp<br>
<br>
NASA guidelines for ball grid array selection and use:<br>
http://nepp.nasa.gov/docuploads/87ED1BD1-16C1-4F5E-A1227047B50C6CBE/BGA%20Guidelines%20090706.doc<br>
Quote: "...<br>
9.6. Coplanarity<br>
Generally, the coplanarity of the BGA is very small since there are no
leads to bend and the plane of the solder bumps is flat.&nbsp; The warp of
the printed circuit board will generally dictate the coplanarity of the
BGA assembly.&nbsp; It is recommended that the allowable warp of a PCB for
BGA use be held to less than 1%; 1% warp could be greater than 0.010
inch under a 35 mm square BGA.&nbsp; An allowable PCB warp of 0.5% max is
recommended.&nbsp; <br>
...<br>
10.3 Part Moisture Control<br>
Prior to population of flight printed circuit assemblies with PBGA&#8217;s or
other plastic IC&#8217;s, it must be verified that controls for moisture have
been followed in accordance with IPC/JEDEC J-STD-033A.&nbsp; Bake-out of
PBGA&#8217;s at 125oC for 4 hours is recommended followed by dry storage
until use. The time between removal from storage and reflow is
dependent upon the parts sensitivity factor per J-STD-033A and must be
strictly followed. PCB&#8217;s should be baked at 120oC for 3.5 hours.&nbsp; <br>
...<br>
Appendix A<br>
Process Evaluation Guideline<br>
..."<br>
<br>
<br>
Implementing High Temperature Coplanarity Requirements for Components
and PWBs:<br>
http://thor.inemi.org/webdownload/projects/ba/Board_Coplanarity/Board_Coplanarity_Background.pdf<br>
Quote: "...<br>
* Its clear that numbers don&#8217;t add up properly, yet packages surface
mount anyway &#8226;Most components and boards do not approach the maximum
allowable<br>
* However the case above is possible according to the specs, but not
probable<br>
..."<br>
<br>
<br>
CSN33: Micron BGA Manufacturer's User Guide:<br>
http://www.micron.com/~/media/Documents/Products/Customer%20Service%20Note/6882csn33_bga_user_guide.pdf<br>
<br>
-<br>
<br>
br,<br>
<br>
Glenn<br>
<br>
</body>
</html>