Elementos que devem ser cuidadosamente considerados na capacidade do processo de montagem BGA

A montagem BGA (ball grid array) é totalmente compatível com a tecnologia de montagem por solda. O passo do BGA em escala de chip pode ser de 0,5 mm, 0,65 mm ou 0,8 mm e os componentes BGA de plástico ou cerâmica apresentam um passo mais amplo, como 1,5 mm, 1,27 mm e 1 mm. Os pacotes BGA com passo fino são mais facilmente danificados do que os CIs (circuitos integrados) com pacotes de pinos e os componentes BGA permitem a redução seletiva dos pontos de contato para atender aos requisitos específicos dos pinos de E/S. Como uma tecnologia de ponta aplicada na montagem SMT (tecnologia de montagem em superfície), os pacotes BGA rapidamente se tornaram uma seleção significativa para se adequar à tecnologia de passo fino e passo ultrafino, alcançando interconexão de alta densidade com uma tecnologia de montagem confiável fornecida, o que leva a cada vez mais aplicações deste tipo de embalagens.

Aplicação do Dispositivo de Inspeção de Tomografia por Raio-X na Montagem BGA

A maioria dos fabricantes de PCB (placa de circuito impresso) e fabricantes de eletrônicos não notaram muita necessidade de aplicar a inspeção de raios-X em seu processo de fabricação até que os componentes BGA sejam aplicados na montagem de eletrônicos. Os métodos tradicionais de inspeção foram considerados suficientes, como MVI (inspeção visual manual) e teste elétrico, incluindo MDA (análise de defeitos de fabricação), ICT (teste em circuito) e teste de função. No entanto, todos esses métodos de inspeção não conseguem descobrir problemas ocultos nas juntas de solda, como cavidades, solda a frio e má adesão de solda de estanho. O sistema de inspeção por raios X é um tipo de ferramenta de inspeção que foi comprovadamente capaz de inspecionar juntas de solda ocultas e ajudar a estabelecer e controlar o processo de fabricação, analisando protótipos e confirmando o processo. Diferente do MDA, ICT e AOI (Automated Optical Inspection), o sistema de inspeção por raios X é capaz de confirmar curtos-circuitos, circuitos abertos, cavidades e alinhamento de esferas de solda BGA, monitorar a qualidade do processo e fornecer dados de feedback instantâneo para SPC (controle estatístico de processo) com alta eficiência de fabricação.


Os dispositivos de inspeção por tomografia de raios X podem gerar imagens de tomografia através da captura de imagens de juntas de solda que são capazes de implementar análise automática de juntas de solda e varredura de tomografia em tempo real. Além disso, eles podem realizar análises de comparação precisas em todas as juntas de solda de componentes em ambos os lados da placa PCB em alguns segundos ou 2 minutos, levando a uma conclusão se as juntas de solda são qualificadas ou não.

Processo de montagem BGA e fonte de variação

Para usar o sistema de inspeção por raios-X de forma mais eficaz, os parâmetros de controle do processo de montagem BGA e as limitações de controle de parâmetros devem ser esclarecidas. O processo de montagem do BGA obedece à seguinte sequência:

Quando as esferas de solda eutética dos componentes BGA são montadas em pasta de solda durante o processo de montagem, suas posições geralmente são corrigidas através do auto-alinhamento do estanho de solda líquido. Assim, a precisão de montagem não parece tão essencial quanto os componentes de chumbo de passo fino e a fase de controle líder na tecnologia de montagem de componentes BGA é a impressão em pasta de solda e a solda por refluxo. Além disso, a variação em termos de forma e tamanho da junta de solda também está associada a muitos outros elementos.


É quase impossível eliminar todas as variações, então o ponto chave no controle do processo de fabricação é reduzir a variação em cada fase de fabricação. A influência de diferentes variações nos produtos de montagem final deve ser cuidadosamente analisada e processada quantitativamente. Com todo o processo de componentes BGA para processo de montagem de PCB considerado, os principais elementos que afetam a qualidade da junta de solda são:
1. Volume de bolas de solda;
2. Tamanho da almofada do componente BGA;
3. Tamanho da almofada do PCB;
4. Volume de pasta de solda;
5. Deformação do componente BGA durante o processo de solda de refluxo;
6. Deformação do PCB na área de montagem do BGA durante o processo de soldagem por refluxo;
7. Precisão de colocação de montagem;
8. Curva de temperatura de solda de refluxo.


Não importa que tipo de dispositivo de inspeção seja usado, deve haver base ao julgar se as juntas de solda são qualificadas ou não. A IPC-A-610C regulamenta a definição dos critérios de aceitação das juntas de solda BGA no item 12.2.12. Excelentes juntas de solda BGA devem ser lisas, redondas, claras nas bordas e sem cavidades. Diâmetro, volume, escala de cinza e contraste devem ser os mesmos para todas as juntas de solda com posição alinhada e sem deslocamento ou torção.

Capacidade do processo de montagem BGA

Um tipo de componente BGA é usado como exemplo na discussão a seguir. Este tipo de componentes BGA são componentes PBGA (plástico ball grid array) com 520 pinos e tamanho 2"x2", apresentando esferas de solda eutética e alavancando fluxo sem limpeza. A análise de capacidade do processo 6 sigma é implementada para atestar a precisão da colocação de BGA, circuitos abertos de juntas de solda e probabilidade de ocorrência de curto-circuitos. As premissas anteriores ao cálculo são:
a. Nenhuma variação ocorre no bloco do componente BGA ou no bloco PCB;
b. Os componentes BGA não sofrem deformação (processo de soldagem por refluxo);
c. O desvio médio é calculado de acordo com o volume médio das juntas de solda após a soldagem por refluxo;
d. Pressupõe-se que o peso do componente BGA seja balanceado por flutuação e tensão superficial;
e. Almofadas e bolas de solda eutética devem apresentar boa soldabilidade;
f. Todas as distribuições são distribuições normais.


• Colocação BGA


O equipamento SMT padrão é usado para montar os componentes BGA. O equipamento de montagem comum é capaz de reconhecer imagens de esferas de solda eutéticas BGA com recursos de processo de colocação cobertos da seguinte forma:

Com base nos dados acima, o desvio máximo de posicionamento é de 6,53mil quando a capacidade do processo é 6sigma. Como o diâmetro do pad é de 28mil, o desvio de posicionamento pode ser desprezado entre o auto-alinhamento dos componentes decorrente da tensão superficial quando a pasta de solda é derretida. Quando se trata de processo de colocação de componentes BGA, está em conformidade com o nível 6sigma.


• Juntas de solda com circuitos abertos


O processo de montagem tende a ver juntas de solda abertas devido ao colapso insuficiente da esfera de solda eutética. No que diz respeito ao PBGA com 520 pinos, as bolas de solda eutética são bolas com diâmetro de 30mils cujo desvio padrão é de 500mils ³ (com o volume participado) e o volume é regulado em 14.130mils ³ . O diâmetro da almofada BGA e PCB é 28mil com sua espessura de pasta de solda sendo 6mil. Portanto, a altura média da borda da esfera de solda BGA é de aproximadamente 24mils. Como a capacidade 6sigma refletindo a variação do volume da bola de solda,

Após a soldagem por refluxo, a altura do suporte de união de solda determinada pelo volume médio das juntas de solda é de 19mils. Como a capacidade do processo é definida como 6sigma, a espessura da pasta de solda é medida em 4 a 8mils. Além disso, as bolas de solda BGA serão colapsadas em pasta de solda por 3mils, o que leva aos seguintes dados calculados:
Espessura mínima da pasta de solda abaixo das esferas de solda =3mils
Colapso mínimo =7mils
Mínima incorporada colapso =10mils
Desvio mínimo de segurança gerado para impedir a ocorrência de circuitos abertos =2,2mils


Quando as variações acima podem ser controladas em certas faixas, o processo de soldagem por refluxo BGA pode atingir 6sigma.


Infelizmente, a deformação nos componentes BGA e PCB geralmente leva à inconsistência de altura da ligação de solda durante a montagem de solda por refluxo BGA. Componentes BGA e pad PCB apresentam diferenças que levam à variação do processo. Em suma, mesmo que todas as variações sejam levadas em consideração, as juntas de solda abertas ainda ocorrerão. Assim, o sistema de inspeção por raios X pode ser usado para realizar a inspeção de defeitos em juntas de solda abertas.


• Ponte de Junta de Solda (curtos-circuitos)


O mesmo método pode ser usado para estimar a influência dos curtos-circuitos das juntas de solda na capacidade do processo de montagem. As juntas de solda diferem umas das outras em termos de diâmetro e os dados medidos indicam que o volume de ligação de cada junta de solda está na faixa de 12800 a 19250mils ³ sob a capacidade do processo 6sigma. Como resultado, a altura do suporte mínimo de ligação de solda é de 15mils e, em seguida, o diâmetro máximo de ligação de solda pode ser de até 38,5mils. Quando se trata de componentes BGA com passo de 50mils, a ponte de solda dificilmente ocorrerá.

Análise de Controle Estatístico de Processo

O controle eficaz do processo de montagem BGA leva a menos variações que ocorrem nas conexões de solda. No processo de montagem prático, no entanto, as seguintes variações geralmente fazem o processo flutuar, exigindo um monitoramento consistente sobre eles.
1. Altura e volume da pasta de solda;
2. Diâmetro da conexão lateral dos componentes BGA;
3. Diâmetro da conexão lateral da almofada do PCB;
4. Diâmetro de ligação central das conexões;
5. Tamanho da cavidade e taxa de ocorrência;
6. Bolas de lata.


A espessura da pasta de solda pode ser monitorada por equipamentos de inspeção por raios X e as variações do processo podem ser controladas dentro de um certo nível com base na forma e consistência da junta de solda.

Artigo escrito pela editora da PCBCart, Dora Yang, originalmente publicado na edição de maio de 2018 da revista SMT007.

PCBCart lida com montagem BGA profissionalmente

A PCBCart fornece serviço de montagem de PCB há muitos anos, temos uma rica experiência no projeto de montagem BGA. Podemos processar o passo BGA em 0,4 mm ou mais, e nossa contagem de bolas BGA está entre 2 e 50. Se sua necessidade de população de PCB envolve a montagem de BGA, sinta-se à vontade para entrar em contato conosco aqui para obter uma solução prática e econômica. Ou, você pode clicar no botão abaixo para enviar uma solicitação de cotação de PCBA, entraremos em contato com você com o custo e a solução de montagem de placa de circuito personalizada o mais rápido possível.




Recursos Úteis
• Uma Breve Introdução aos Tipos de Embalagem BGA
• Uma Introdução à Tecnologia de Embalagem BGA
• Fatores que Afetam a Qualidade da Montagem BGA
• Serviço de Produção One Stop da PCBCart Abrange a fabricação de PCB, fornecimento de componentes e montagem chave na mão