Técnicas de Inspeção de Matriz de Grade de Bola

Técnicas de Inspeção de Matriz de Grade de Bola

O constante progresso da tecnologia moveu a eletrônica para produtos pequenos e leves. Para acompanhar esses desejos dos consumidores, a tecnologia de montagem em superfície (SMT) foi introduzida. No entanto, o aumento da demanda por esses produtos também exigiu o desenvolvimento de tecnologias de alta densidade que pudessem ser montadas rapidamente. Esse impulso levou ao desenvolvimento da tecnologia Ball grid array (BGA).

BGA e dispositivos similares rapidamente se tornaram um elemento padrão no design moderno de placas de circuito impresso (PCB). No entanto, esses dispositivos são notoriamente difíceis de inspecionar após a montagem. Neste artigo, discutiremos os desafios da inspeção BGA, técnicas de inspeção usadas no controle de qualidade BGA e formas de evitar defeitos comuns de BGA antes da montagem.

O que é uma inspeção de matriz de grade de esferas?

Uma matriz de grade de bola é um pacote de montagem em superfície para circuitos integrados que é usado para montar dispositivos. A superfície inferior do BGA é coberta por pinos dispostos em um padrão de grade, daí o nome da tecnologia. Em vez de serem pinos de arame, essas conexões são feitas com pastilhas com bolas de solda. Essas conexões precisam ser soldadas com cuidado devido à sua localização embaixo da embalagem.

Uma vez que as conexões de solda estão completas, no entanto, elas não são mais visíveis para o observador casual. Por não serem visíveis, são necessárias técnicas de inspeção mais avançadas para garantir sua qualidade. É aqui que a inspeção BGA desempenha um papel vital.

A inspeção BGA é um processo onde as conexões entre um chip e uma PCB são analisadas para garantir a qualidade. As inspeções da BGA analisam vários aspectos da matriz da grade de esferas, incluindo a altura de afastamento do pacote, a qualidade das conexões e muito mais. Nas inspeções BGA, a inspeção visual não assistida é extremamente limitada, portanto, outras técnicas são necessárias para obter uma visão detalhada das conexões.

Esses métodos de análise incluem testes elétricos, inspeção óptica assistida e inspeção por raios-X. Os componentes dessas técnicas serão discutidos em maiores detalhes mais adiante neste artigo.

Por que a inspeção é importante?

A inspeção BGA é notoriamente difícil por um motivo - as juntas de solda estão localizadas abaixo do pacote BGA. Devido ao posicionamento desse recurso, pode ser um desafio obter uma boa visão do BGA para inspeção. Apesar dessa dificuldade, a inspeção é essencial para BGAs por vários motivos, incluindo:

• Dificuldade de soldagem :Soldar componentes BGA é complicado, pois requer calor suficiente para ser aplicado à matriz para que todas as bolas na grade derretam o suficiente para fazer juntas de solda. Tanto a densidade de conexões quanto a dificuldade de soldagem significam que há uma alta probabilidade de ocorrer um defeito. As inspeções ajudam os especialistas a detectar esses defeitos para evitar o envio de peças defeituosas.
• Testes elétricos não confiáveis: Testes elétricos executam uma corrente através do PCB para garantir que ele esteja eletricamente sólido. No entanto, este tipo de teste só pode avaliar se a corrente está ligada ou desligada quando os componentes BGA estão conectados. Esses testes não são confiáveis, pois podem encontrar apenas alguns tipos de defeitos e não podem identificar os locais de quaisquer defeitos encontrados. Inspeções abrangentes que combinam esse método com outras técnicas podem criar uma visão geral mais completa dos erros e suas localizações.
• Reutilização de materiais: Se um BGA apresentar um defeito de solda, ele pode ser removido usando uma estação de retrabalho e substituído ou reformado para reutilização. O processo de inspeção identifica os defeitos antecipadamente para que os materiais possam ser salvos dessa maneira, o que reduz o desperdício de material.
• Controle de qualidade: A montagem do BGA SMT depende de conexões físicas de qualidade, portanto, o controle de qualidade do BGA deve incluir uma inspeção detalhada dessas conexões. As inspeções também podem identificar defeitos e padrões comuns. Isso é importante, pois defeitos repetidos podem indicar problemas no processo de fabricação e montagem ou até mesmo no design do produto PCB.
• Redução de custos: Processos de inspeção completos minimizam o número de defeitos que passam para o próximo estágio de produção. Defeitos que passam na inspeção podem ser detectados mais adiante no processo de produção, tornando o retrabalho mais caro. Quanto mais tarde o defeito for detectado, mais caro será para sua empresa. É por isso que a prevenção e a resolução precoces são cruciais.

Devido à importância da inspeção, as equipes de inspeção devem utilizar ferramentas e técnicas completas e eficazes no processo. Dessa forma, essas equipes podem detectar todos os problemas e identificar suas localizações e causas antes que se tornem problemas maiores e mais caros.

Defeitos comuns do BGA

Devido à complexidade do BGA, muitos defeitos potenciais podem ocorrer durante o processo de soldagem de um BGA. Alguns problemas que podem surgir incluem o seguinte:

• Desalinhamento: O desalinhamento ocorre quando o PCB e o BGA são deslocados durante o refluxo e se conectam em pontos incorretos. Esse é um dos problemas mais comuns que ocorrem durante a montagem do BGA.
• Altura de afastamento inconsistente: Os BGAs são colocados em cima dos PCBs, e a soldagem inadequada pode resultar na configuração do BGA em um ângulo torto na superfície do PCB. Essa altura de afastamento assimétrica pode comprometer a segurança das conexões.
• Faltando bolas: Se as esferas estiverem faltando no BGA quando ele estiver conectado ao PCB, pontos de conexão essenciais podem estar faltando na montagem.
• Almofadas não molhadas: Em alguns casos, a pasta de solda refluída pode não molhar a almofada corretamente. Isso pode resultar de refluxo incompleto ou sobras de solda de etapas anteriores do processo de produção.
• Pontes: As pontes ocorrem quando a pasta de solda extra é deixada entre os depósitos de pasta. Pontes entre pontos de conexão geralmente resultam em curtos.
• Refluxo parcial: Em alguns casos, o refluxo pode não cobrir completamente a placa. Isso geralmente ocorre devido a refluxo insuficiente de solda, erro humano ou mau funcionamento mecânico.
• Pipocas: A pipoca ocorre quando as bolas se fundem durante o processo de soldagem. Este é um problema comum para BGA e, como pontes, resulta em shorts.
• Circuitos abertos: Os circuitos abertos ocorrem quando a solda não molha a placa PCB e sobe nas esferas de solda e na superfície do componente. Embora um teste elétrico possa identificar isso como um problema em uma placa, ele não pode identificar a causa do problema.
• Anulação: A anulação ocorre quando o fluxo pára antes de uma conexão de solda. Este é um problema comum em componentes BGA recolhíveis.

Todos esses problemas podem ser erros fatais para o produto final, portanto, detectá-los com técnicas e tecnologias de inspeção de qualidade é uma necessidade. Felizmente, as técnicas modernas de inspeção avançaram a um ponto em que a maioria desses defeitos pode ser identificada usando um ou mais métodos de inspeção. No entanto, também é essencial evitar esses defeitos sempre que possível antes da montagem.

Considerações de design para evitar defeitos de BGA

Embora as técnicas de inspeção tenham avançado a um ponto em que podem detectar muitos defeitos antes de prosseguirem pelo processo de fabricação, é sempre ideal evitar irregularidades. Isso requer um planejamento cuidadoso da equipe de design. Para maximizar as chances de obter juntas soldadas com sucesso em um BGA, as equipes de projeto devem considerar o seguinte no layout do PCB:

• Pegadas de BGA: Os projetistas de PCBs precisam ter certeza de que têm o padrão de pegada correto para o dispositivo BGA que desejam usar. Certifique-se de que a pegada esteja correta e tome cuidado para projetar a base da placa de circuito impresso com precisão para evitar curtos e problemas de solda durante a montagem.
• Gestão térmica: O layout da PCB deve considerar a massa térmica. Agrupar os BGAs juntos pode causar um desequilíbrio térmico entre as partes altamente povoadas e as menos povoadas da placa. Por exemplo, aplicar calor suficiente para soldar adequadamente BGAs agrupados pode resultar em queimaduras em áreas menos povoadas. Por outro lado, aplicar calor suficiente para evitar queimar áreas menos povoadas pode resultar em vazios nos BGAs.
• Por canal: Vias ou furos passantes são características comuns de PCBs, mas a colocação de vias pode afetar o comportamento da solda no processo de montagem BGA. Vias adjacentes a um bloco BGA podem resultar em excesso de solda passando do bloco para a via, causando um curto. Para evitar isso, tente todas as vias adjacentes a um bloco BGA com máscara de solda.

Além dessas considerações de projeto, você também deve desenvolver e verificar um perfil de refluxo adequado antes da montagem. Isso envolve o uso de um perfilador para medir e registrar a faixa de temperatura na junção bola/pad BGA quando a placa passa pelo forno de refluxo. Isso pode ser feito com PCBs vazios de sucata e peças BGA. Esses dados podem ser usados ​​para garantir que o perfil de refluxo da pasta e o perfil térmico do PCB estejam corretos, além de identificar quaisquer problemas de projeto antes da montagem.

Técnicas de inspeção para matriz de grade de bola

Evitar defeitos é o objetivo, mas a inspeção BGA é sempre necessária para analisar as conexões entre um BGA e PCB. Como é quase impossível ver as juntas de solda através da observação visual direta, essa análise é realizada usando várias técnicas e ferramentas de inspeção. Essas ferramentas e técnicas evoluíram ao longo dos anos para serem confiáveis ​​e fáceis de usar. Embora essas ferramentas não possam ser usadas individualmente para cobrir todos os aspectos da inspeção, elas podem fornecer uma visão abrangente do BGA quando combinadas.

As ferramentas e técnicas de inspeção geralmente são organizadas nas seguintes categorias:

1. Testes elétricos

O teste elétrico de BGAs é outro processo de inspeção que testa as propriedades elétricas da placa. Isso é diferente do teste mecânico, que é um processo destrutivo que submete o BGA a testes de choque e cisalhamento para avaliar a qualidade das juntas de solda sob tensão.

O teste elétrico executa uma corrente através de um BGA para analisar a estabilidade elétrica da placa. O teste determina se a corrente está ligada ou desligada após a conexão do componente BGA. Esse tipo de teste é útil para identificar se há algum problema elétrico, como curtos ou aberturas. No entanto, conforme discutido anteriormente, os testes elétricos só podem identificar a presença desses defeitos — eles não podem ser usados ​​para localizar onde está um defeito em um BGA.

Embora o teste elétrico seja uma etapa importante no processo de inspeção, é difícil identificar pontos de teste em componentes BGA. Também é difícil atender aos requisitos de avaliação apenas com testes elétricos. Em vez disso, os testes elétricos são frequentemente usados ​​em combinação com outras técnicas de teste para identificar problemas em uma inspeção de matriz de grade de esferas.

2. Inspeção óptica ou visual

A inspeção óptica, também conhecida como inspeção visual, é o uso da tecnologia óptica para visualizar um BGA e suas conexões. Essa técnica historicamente usava o olho nu ou microscópios, que produziam resultados limitados. No entanto, a introdução do endoscópio provou ser particularmente valiosa para esta técnica de inspeção.

O endoscópio foi originalmente projetado para aplicações médicas, mas a capacidade da tecnologia de inspecionar visualmente pequenos objetos em áreas confinadas o torna ideal para BGAs. A tecnologia envolve o uso de uma câmera com lente de alta ampliação e um monitor conectado para obter imagens em close de uma área de inspeção. Essa tecnologia é frequentemente combinada com software de visualização para captura e medição avançada de imagens.

A inspeção visual com um endoscópio permite que os técnicos vejam a linha externa de conexões entre um BGA e uma PCB — com boa iluminação, os técnicos também podem ver algumas linhas internas. Essa técnica óptica ajuda a identificar e avaliar a qualidade geral de uma junta de solda, incluindo a forma da junta, a textura da superfície e a aparência, que podem indicar diferentes defeitos.

A inspeção óptica também pode identificar curtos, aberturas, detritos e solda fria e é essencial para avaliar o retrabalho, pois pode identificar a cobertura de refluxo adequada. No entanto, a capacidade visual desta técnica de inspeção é limitada e não permite uma análise detalhada das conexões internas.

Uma observação final sobre os endoscópios é que eles são um equipamento de inspeção altamente versátil. Os endoscópios podem ser usados ​​para inspecionar juntas de solda BGA, bem como vários conjuntos de montagem em superfície e em orifícios que podem ser difíceis de analisar por meio de métodos normais.

3. Inspeção por Raio-X

O método de inspeção mais avançado para BGAs é a inspeção por raios X. Os raios X funcionam emitindo energia de raios X de um tubo de raios X para a placa. Os raios X passam pela placa em quantidades diferentes, com mais raios X presos em áreas densas, como juntas de solda. Os raios X são então coletados em um detector, que os traduz em luz visível e gera uma imagem.

Nesta imagem, as juntas de solda são mais escuras do que seus arredores, permitindo que o espectador veja os padrões de solda. A imagem resultante mostrará uma grade uniforme de círculos escuros idênticos em uma placa ideal, sendo os círculos as juntas de solda.

O teste de raios-X resulta em uma imagem em que a grade da esfera e os padrões de solda são facilmente vistos e inspecionados de um ângulo de cima para baixo. A tecnologia de inspeção por raios X mais avançada apresenta uma função de inclinação, que pode analisar a forma das juntas de solda de diferentes ângulos. Essas imagens são particularmente úteis para ver variações nos padrões e formas de solda, tornando esta uma boa tecnologia para identificar pontes de solda, pipoca, excesso de solda e defeitos semelhantes. Essa tecnologia, no entanto, não é boa para detectar aberturas.

Assim como os endoscópios, a tecnologia de inspeção por raios X pode ser usada em várias aplicações fora da inspeção BGA. Alguns exemplos incluem inspeção via e através de furos, análise de defeitos de montagem em superfície e inspeção de solda sem chumbo.

Entre em contato com a Millennium Circuits

Quando usadas em combinação umas com as outras, técnicas eficazes e completas de inspeção de matriz de esferas podem reduzir bastante o número de defeitos que passam no estágio de inspeção. Ao reduzir a quantidade de defeitos que avançam no processo de produção, as empresas podem diminuir a ocorrência de retrabalho e recalls dispendiosos. No entanto, é sempre ideal evitar defeitos de BGA através de um design de qualidade. Se você tiver alguma dúvida sobre BGAs, técnicas de inspeção e formas de evitar defeitos de BGA, entre em contato com os especialistas da Millennium Circuits para obter mais detalhes.

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