Fatores-Chave que Influenciam a Qualidade da Montagem BGA: Um Guia Abrangente

Junto com o rápido desenvolvimento de circuitos integrados de escala muito grande (ICs), demandas de montagem eletrônica nunca podem ser atendidas por tipos de encapsulamento tradicionais e encapsulamentos mais novos surgem devido ao incentivo de demandas em termos de maior integridade, menor tamanho de placa e maior contagem de I/O. Entre todos os tipos de encapsulamentos mais novos mencionados acima, encapsulamento BGA (ball grid array) é um tipo primário com os campos de aplicação mais amplos devido à sua diversidade derrotando múltiplas limitações apresentadas por encapsulamentos tradicionais. Da perspectiva de elementos concernentes a tecnologias de soldagem, encapsulamento BGA é dificilmente diferente de encapsulamentos tradicionais, QFP (quad flat package) por exemplo. No entanto, pinos são substituídos por esferas de solda, que podem ser consideradas como uma revolução em montagem eletrônica e trazem o advento de encapsulamentos derivados, como CSP (chip scale package). Atualmente, soldagem BGA ainda tem que ser implementada com SMT (surface mount technology) tradicional aplicada e soldagem BGA ainda pode ser realizada em equipamentos de montagem SMT comuns. Este artigo discutirá alguns fatores que afetam a aplicação de tecnologias de montagem BGA, incluindo design de pad BGA, impressão de pasta de solda, precisão de alinhamento de montagem, curvas de temperatura de soldagem e defeitos de soldagem.

Viabilidade do Design de Pad BGA

Encapsulamentos BGA vêm em algumas classificações baseadas em diferentes pitches. Em geral, design de pad BGA deve levar em consideração inicial viabilidade de rastreamento CAD e fabricabilidade de PCB (placa de circuito impresso). Pad BGA vem em numerosos tipos também e eles podem ser livremente selecionados quando o espaço permite, com os seguintes tipos comumente usados.

• Pad Dog-bone

Pad dog-bone aproveita via para levar traço a outras camadas, de modo que alguns limites foram impostos ao tamanho do pad. Devido à existência de vias, alguns defeitos tendem a ser causados durante o processo de fabricação de PCB, como ponte de soldagem devido à queda de máscara de solda. Portanto, tamanho do pad tem que ser projetado rigorosamente conformando ao nível de fabricação prático, a fim de minimizar defeitos de soldagem gerados durante soldagem BGA e deixar algum espaço para retrabalho BGA no futuro.

• Vias Distribuídas Externamente aos Pads BGA

Esse tipo de pad funciona melhor para componentes BGA com baixa contagem de I/O. Esse tipo de design de pad fornece conveniência à soldagem e define mais espaço livre para tamanho do pad. Claro, requisito fundamental tem que ser atendido em termos de rastreamento. Assim, é quase impossível aproveitar esse tipo de pad em BGA com contagem mais alta de I/O.

• Pad Via-in-pad

Via in pad desenvolve junto com o progresso da tecnologia de microvia na fabricação de PCB.

Além do tipo de pad, máscara de solda e posição de pad BGA estão diretamente associadas com soldagem BGA. Baseado em diferentes posições de máscara de solda, pads BGA vêm em dois tipos: pad SMD (solder mask defined) e pad NSMD (non solder mask defined) com funções respectivamente na soldagem BGA. Como pad SMD é aplicado, pad apresenta uma grande área de ligação com pad, o que leva a equivalentemente grande área de ligação entre juntas de soldagem e placa de PCB. À medida que tamanho do pad se torna crescente, no entanto, espaçamento entre pads adjacentes se torna pequeno, afetando distribuição de via pad e capacidade de rastreamento.

Durante procedimento de fabricação de PCB, se máscara de solda desvia na mesma direção, pad BGA não será influenciado, o que é benéfico para soldagem BGA. Mas esse tipo de pad tende a ser quebrado durante retrabalho de máscara de solda na borda, o que é ruim para efeito de retrabalho. Uma vez que pad NSMD é usado, pad será relativamente pequeno, o que é benéfico para distribuição de via pad e rastreamento. Essa estrutura de pad, no entanto, resulta em diminuição de área de ligação entre juntas de soldagem e pad e reduzindo ainda mais intensidade de ligação de junta de soldagem. Em uma palavra, ambos os pads apresentam suas próprias vantagens e desvantagens e pad correspondente pode ser determinado baseado em consideração de tecnologia.

Impressão de Pasta de Solda

Impressão de pasta de solda desempenha papel chave na determinação da qualidade de soldagem. Impressão de pasta de solda é a transformação precisa de pasta de solda de stencil para pad com stencil, pasta de solda e impressora envolvidos. Precisão de impressora de pasta de solda deve primeiro conformar às demandas de montagem BGA. Stencil determina quantidade de pasta de solda através de sua espessura e tamanho de abertura. A quantidade de pasta de solda requerida por encapsulamento BGA é geralmente determinada por 3 aspectos:
• Solda suficiente deve ser usada para garantir excelentes conexões de soldagem BGA.
• Quantidade de pasta de solda deve compensar erro de coplanaridade de esferas de solda (geralmente 0,1mm) de componentes BGA.
• Quando outros componentes de pitch fino estão disponíveis na placa de circuito, quantidade de pasta de solda deve ser considerada abrangentemente para impedir mais defeitos de soldagem de ocorrerem.

Precisão de Posicionamento

Posições precisas de componentes BGA na placa de circuito dependem totalmente da precisão de chip mounters, a maioria dos quais contém sistema de posicionamento específico que é capaz de ajudar a alcançar posicionamento preciso de componentes BGA. Além disso, alguns chip mounters até podem inspecionar esferas de solda BGA em termos de sua coplanaridade e reconhecer alguns defeitos, como esferas faltantes, o que é extremamente útil para a melhoria da confiabilidade de soldagem BGA.

Além disso, algumas outras medidas podem ser feitas para melhorar ainda mais a precisão de montagem de componentes BGA. Por exemplo, marcas fiduciais locais são definidas na parte externa de pads BGA ou algumas linhas de dobra são definidas como marcas fiduciais para inspeção manual após montagem, ambas as quais foram verificadas como eficazes na fabricação prática.

Além disso, componentes BGA apresentam efeito óbvio de auto-centralização no processo de soldagem devido à tensão superficial da solda, então alguns designers propositalmente ampliam pads nos quatro cantos no design de pad BGA, tornando o efeito de auto-centralização mais óbvio para garantir que componentes BGA sejam capazes de auto-redefinir quando posições de montagem são deslocadas.

Curva de Temperatura de Soldagem e Defeitos de Soldagem

Curva de temperatura de soldagem determina diretamente a qualidade de soldagem. Uma curva de temperatura geralmente inclui quatro fases: fase de pré-aquecimento, fase de imersão, fase de refluxo e fase de resfriamento, cada uma das quais apresenta diferentes mudanças físico-químicas. Como configuração de curva de temperatura determina o processo de formação de juntas de soldagem, ela apresenta relação próxima com a confiabilidade de juntas de soldagem. Devido à particularidade de encapsulamento BGA, é extremamente difícil gerar uma curva de temperatura satisfatória. Em geral, um componente BGA precisa de três temperaturas a serem medidas: temperatura de encapsulamento, temperatura de superfície da placa de circuito e a temperatura de junta de solda interna de BGA.

Tecnologias de Inspeção e Retrabalho BGA

Como todas as juntas de solda BGA estão abaixo dos encapsulamentos após soldagem, métodos de inspeção tradicionais, como teste de sonda voadora ou inspeção visual, falham em atender necessidades práticas. Até agora, os principais métodos que podem escanear defeitos de soldagem de juntas de solda BGA são teste AOI (automated optical inspection) e teste AXI (automated X-ray inspection).

Baseado em propriedades de estrutura BGA, é dificilmente possível inspecionar uma única junta de soldagem de componente BGA. No entanto, o corpo de encapsulamento completo deve ser retrabalhado.

Outros Fatores

Outros fatores têm que ser notados no processo de montagem BGA, como proteção eletrostática e aquecimento de componente BGA. Geralmente, componentes BGA requerem embalagens especiais com requisito de proteção eletrostática. Durante o processo de montagem de placa de circuito impresso, medidas rigorosas de proteção eletrostática devem ser feitas, incluindo aterramento de equipamento, gestão de equipe e administração ambiental.

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