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Forum: Platinen Thermal Spokes / Wärmefallen bei Vias unter BGA?


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Autor: Christian (Gast)
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Hallo,

Ich bin kurz davor eine Platine herstellen zu lassen, die zwei BGAs 
verwendet.
Der Bestücker sagte mir, das Wärmefallen / Thermal Spokes unbedingt 
notwendig sind um eine gute Lötung sicherzustellen.

Aber gilt das auch für die Vias unter BGAs über die die 
Spannungsversorgung Angeschlossen ist? Ich würde lieber das Via 
vollflächig verbinden.
Außerdem sind die Pads der BGAs über kleine Leiterbahnen (0,15mm x 
0,25mm) an die Vias angeschlossen. Das sollte ja auch schon einen 
gewissen thermischen Widerstand darstellen.
Wenn man vier Stege hat vom Format 0,2x0,4mm würde ich insgesamt sogar 
eine bessere Wärmeleitung erwarten.

Ich frage mich jetzt aber auch, wie es bei Bauteilen mit Thermal-Pad 
aussieht. Dort soll man ja auf keinen Fall Vias mit Thermal Spokes 
verwenden.

Hat da jemand Erfahrungen?

Viele Grüße,
Christian

Autor: pcb-gast (Gast)
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mal ein paar infos mehr?
welcher lagenaufbau
welche via typen (microvias, ...)
welche BGA Ball stärke, welches BGA Footprint Abmaß, etc.

Autor: Christian (Gast)
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Hier die Infos:

8 Lagen:
Signale
Masse
Signale
VCC
Signale
Signale
GND
Signale

Vias mit 0,3 mm Bohrung 0,15mm Restring, gröstenteils Through-Vias, 
einige Blindvias von Lage 1-3

Der BGA ist ein FGG676 von Xilinx, also 1mm Ball-Spacing, Padgröße 0,4mm 
wie von Xilinx empfohlen.
Das Footprint hat insgesamt ca 27mm x 27mm
Die Balls haben eine Größe von 0,6mm

Viele Grüße,
Christian

Autor: Florian V. (Gast)
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Die Frage ist: Wie will der Bestücker denn löten?

In einem Reflow- oder Dampfphasen-Prozess macht das keinen Unterschied, 
ob Thermal oder nicht. Hier werden ja alle Bauteile und die Platine auf 
Löttemperatur gebracht. Da kann dann die Wärme nirgendwo hin abfließen. 
(Das große, massige Bauteile mehr Wärmeenergie brauchen ist eine andere 
Sache.)

Wenn jetzt allerdings die BGAs über einen Prototypen/Rework Prozess auf 
die Platine drauf sollen, dann mag das anders aussehen.

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Hallo,

Thermofallen sollen das Löten von Pads mit GND-Verbindung ermöglichen, 
indem die Wärmeableitung auf die Massefläche(n) verringert wird. In 
allen anderen Aspekten wirken sie sich negativ aus! Da Vias weder 
bestückt noch gelötet werden, sind Thermofallen an Vias überflüssig bis 
negativ, trotzdem verbreitet. Es besteht aber kein Zweifel, dass die 
Anbindung an Masse ohne Thermofalle besser ist.

Ausnahmen können bestehen, wenn Pad und Via extrem nahe beieinander 
liegen wie bei BGAs. Normalerweise wird aber der Wärmefluss durch die 
Verbindungsleitung Pad-Via genauso oder stärker beschränkt wie durch die 
Thermofalle (der elektrische leider auch).

BGAs werden üblicherweise Reflow-gelötet, da dürfte die Wärmeableitung 
eigentlich garkeine Rolle spielen.

Falls ich hier einen Glaubenskrieg um Thermofallen-Vias auslöse: es tut 
mir überhaupt nicht leid, bin gespannt auf weitere Argumente.

Gruss Reinhard

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Für Drahtbrücken in Flächen machen Thermals in der Massefläche eventuell 
Sinn. Auch trotz ihrer negativen Eigenschaften.

EDIT: Gilt natürlich nur bei Handlötung und Nicht durchkontaktierten 
Platinen!

Autor: ... (Gast)
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Simon K. schrieb:
> EDIT: Gilt natürlich nur bei Handlötung und Nicht durchkontaktierten
> Platinen!

Oder wenn man einen schlechten Lötkolben hat....

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Simon K. schrieb:
> Für Drahtbrücken in Flächen machen Thermals in der Massefläche eventuell
> Sinn.

Aber um es ganz genau zu nehmen: der Anschluss einer Drahtbrücke ist ein 
Pad, kein Via!

Gruss Reinhard

Autor: Christian (Gast)
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Der Grund warum ich überhaupt frage ist ja, dass sich die restlichen 
Eigenschaften verschlechtern, wenn man die Wärmefalle hinzufügt.

Der Bestücker sagte mir, dass er die Platinen im Reflowverfahren 
bestückt. Dann lasse ich die Wärmefallen an den Vias wohl ehr weg.

Weiß jemand was der IPC-Standard für diesen Fall vorsieht?

Viele Grüße,
Christian

Autor: Johnny B. (johnnyb)
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Bei uns läuft gerade genau dieselbe Diskussion ab.

Wir möchten die Groundpads von einem BGA direkt an die Massefläche 
anschliessen und der Bestücker/Löter sagt, er braucht unbedingt 
Wärmefallen, damit es ordentlich gelötet werden kann.
Es kommt ebenfalls ein Reflow-Ofen zum Einsatz und wie schon oben gesagt 
wurde, macht es doch Physikalisch dann zum löten überhaupt keinen 
Unterschied ob man Wärmefallen hat oder nicht, weil eh die komplette 
Leiterplatte und alle Bauteile aufgeheizt werden, so dass die Wärme 
nirgends weg kann.

Autor: Lilou (Gast)
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Im Reflowprozess wird ein Temperaturprofil durchfahren.
Der eigentliche Temperaturpeak für den Lötprozess ist eine Sache von 
Sekunden.
Eine grosse Kupferfläche hat eine größere Wärmekapazität und ist somit 
auch träger was Temperaturwechsel angeht.

Es kommt also auch im Reflowprozess zu Temperaturdifferenzen auf der 
Platine und grosse Kupferflächen sind zeitweise kälter.

Wenn das alles im Reflowprozess keine Rolle spielen würde dann gäb es 
auch keinen Grabsteineffekt...

Die Groundpads von BGA würde ich nicht direkt in die Kupferflächen 
legen.
Die Gefahr einer kalten  Lötstelle wird erhöht.
Die Inspektion von BGA Lötstellen ist aufwändig und teuer.

Wenn der Bestücker sagt das er Wärmefallen haben möchte hat das schon 
einen Grund. Der sollte schliesslich die Erfahrung haben sowas 
einzuschätzen.

Davon sollte man nur mit gutem Grund abweichen wenn es nicht anders 
geht.

Autor: Johnny B. (johnnyb)
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Lilou schrieb:
> Wenn der Bestücker sagt das er Wärmefallen haben möchte hat das schon
> einen Grund. Der sollte schliesslich die Erfahrung haben sowas
> einzuschätzen.

Da hast Du sicher recht, der Bestücker sollte es am besten wissen.

Autor: Squeegee (Gast)
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Aus Sicht eines EMS-Dienstleisters:

Wärmefallen an Vias machen keinen Sinn, hier wird nicht gelötet, hier 
läuft keine Wärmeprozess ab.

Bei BGA-Pads sieht die Sache ganz anders aus:
Bei BGA-Bads an GND oder VCC ohne Wärmefallen müssen 2 Aspekte 
brücksichtigt werden:
1. Durch die Lötstopplackfreistellung wird das Pad größer, bei einer 
Freistellung von umlaufend 50 µm haben wir eine Durchmesservergrößerung 
von 100 µm, bei einer Padgröße von 400 µm macht das eine 
Durchmesservergrößerung von 25 % aus, die Flächenvergrößerung macht 
56,25% aus.
2. Durch die höhere thermische Masse braucht das Zinn mehr Zeit um den 
eutektischen Punkt zu erreichen, bei bleifreiem Lot (SAC305) liegt er 
bei 219 ° C. Ist die Löttemperatur auch nur ein (!) Grad darunter, 
schmilzt das Zinn nicht auf.
Aufgeschmolzene BGA-Balls haben einen kleineren Kugelradius als nicht 
aufgeschmolzene Balls. Dies ist bei einer optischen Inspektion mit einem 
Ersascope sehr gut zu beobachten. Hier sieht man zwischen den 
BALL-Reihen hindurch und begutachtet die Rundungen der Balls. Mit einem 
AOI ist das nicht möglich. Ein schlecht gelöteter Ball hat auch mehr 
Voids (Gaseinschlüsse) als ein vollständig gelöteter Ball. Zu erkennen 
bei einer Röntgeninspektion.

Somit sind aus meiner Erfahrung Wärmefallen (Thermal Spokes) an BGA-Pads 
beim Anschluss an VCC oder GND unbedingt erforderlich.

Gruß
Ralf
DFM-Engineer

Autor: Johnny B. (johnnyb)
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Squeegee schrieb:
> Somit sind aus meiner Erfahrung Wärmefallen (Thermal Spokes) an BGA-Pads
> beim Anschluss an VCC oder GND unbedingt erforderlich.

Deine Erklärung klingt einleuchtend, besten Dank!
Dann werde ich das meinen Kollegen so mitteilen, damit die Diskussion 
beendet werden kann und nun immer Wärmefallen unter BGA's gemacht 
werden.

Autor: Michael K. (Firma: Knoelke Elektronik) (knoelke)
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Christian schrieb:
> Der Bestücker sagte mir

Dann ignoriere das ruhig und lebe mit den Konsequenzen.
Glaubst Du einem Forum das Deine PCB nie gesehen hat und von 70% 
Ahnungslosen bevölkert wird, mehr als Deinem Bestücker der versucht Dich 
zu beraten?

Autor: Michael K. (mab)
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Ich finde in diesem Thread, welcher übrigens 8 Jahre alt ist, läuft 
einiges aneinander vorbei.

Es fehlt schlichtweg die Info wie die Bga Gnd Pads angebunden werden.
Bei einem BGA mit 1mm Pitch dürfte es sich vermutlich um Dogbone 
handeln.

Ich rechne dann:
1mm Raster, 0,4mm Bga Landefläche macht in der Diagonalen einen Abstand 
von 1,01mm.
Dann kommt in die Mitte davon ein Via mit 0,6mm (was ich für zu groß 
halte), macht einen Abstand von 0,207mm von Via zu Pad. Das ist dann 
bereits die Wärmefalle. Mit einem Via von 0,45mm sähe es nochmals 
deutlich besser aus.

Squeegee schrieb:
> 1. Durch die Lötstopplackfreistellung wird das Pad größer, bei einer
> Freistellung von umlaufend 50 µm haben wir eine Durchmesservergrößerung
> von 100 µm, bei einer Padgröße von 400 µm macht das eine
> Durchmesservergrößerung von 25 % aus, die Flächenvergrößerung macht
> 56,25% aus.

Ich halte das mathematisch für verkehrt.
Ich setze dem TO zufolge mal 0.4mm Bga Padgröße an.
Desweiteren gehe ich von einer Gnd Leiterbahnbreite von 0.3mm aus.
Damit wächst die Padgröße um 0,05 x 0.3mm an.
Fläche des Pads= 0,126mm², Fläche der freigestellten Leiterbahn= 
0,015mm², macht ungefähr eine Vergrößerung um 12% und nicht 56%.
Das gilt natürlich nur bei NSMD, was ich aber bei 1mm Pitch voraussetze.

Michael K. schrieb:
> Glaubst Du einem Forum das Deine PCB nie gesehen hat und von 70%
> Ahnungslosen bevölkert wird, mehr als Deinem Bestücker der versucht Dich
> zu beraten?

Grundsätzlich richtig, allerdings gibt es aber auch Firmen die sich ihr 
Fertigerleben entspannter gestalten wollen.

Gruß
Michael

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