Aplicación de la tecnología de montaje superficial (SMT) en encapsulados de matriz de bolas (BGA)

La tecnología de montaje superficial (SMT) desempeña un papel esencial en la miniaturización y el aligeramiento de los productos electrónicos. En el campo de los encapsulados electrónicos de alto número de pines, los QFP (quad flat packages) han desempeñado durante un tiempo un papel protagonista; se trata de un tipo de encapsulado de circuito integrado (IC) para montaje superficial con terminales en forma de “ala de gaviota” que se extienden desde cada uno de los cuatro lados. Sin embargo, con el rápido desarrollo de la tecnología de integración de semiconductores y de la tecnología de microfabricación, el número de compuertas de los IC y el número de terminales de E/S (I/O) aumentan cada vez más, mientras que las funciones de los productos electrónicos se incrementan y su volumen se reduce constantemente. Por lo tanto, la aplicación de los QFP ya no puede satisfacer los requisitos de desarrollo de los productos electrónicos. Aunque la tecnología QFP también progresa de forma continua y es capaz de manejar componentes con un paso (pitch) tan pequeño como 0,3 mm, la disminución del paso reduce en cierta medida la tasa de rendimiento en el ensamblaje. Para resolver con éxito este problema, surge la tecnología BGA (ball grid array), que recibe una amplia atención por parte de la industria.

¿Qué es BGA?

Como un tipo relativamente nuevo de dispositivo de montaje superficial (SMD), el BGA presenta terminales en forma de bola que se distribuyen en matrices en la parte inferior del encapsulado. Los componentes BGA pueden tener un gran paso entre pines y un alto número de pines. Además, los componentes BGA pueden montarse en PCB (placas de circuito impreso) mediante la aplicación de la tecnología SMT.

Estructura y propiedades de BGA

Como un nuevo tipo de SMD, el BGA evoluciona del PGA (matriz de rejilla de pines), y generalmente está compuesto por cavidad central, base, terminales, cubierta y pines en forma de bola. Las propiedades del BGA incluyen:
• Mayor número de pines. Dentro del mismo tamaño de encapsulado de los SMD, el BGA puede tener más pines. Generalmente, un componente BGA lleva más de 400 pines en forma de bola. Por ejemplo, un BGA con un área de 32 mm × 32 mm puede llevar hasta 576 pines, mientras que un QFP con la misma área solo puede alojar 184 pines.
• Área de ensamblaje más pequeña. Con la cantidad de pines, el BGA ocupa un área de ensamblaje más pequeña. Por ejemplo, al comparar un QFP con 304 pines con un BGA con 313 pines, aunque este último tiene más pines, ocupa un área menor en un tercio.
• Altura de ensamblaje inferior. La altura de montaje del BGA es menor que la suma del grosor del encapsulado y la altura de las esferas de soldadura. Por ejemplo, la altura de un QFP con 208 pines o 304 pines es de 3,78 mm, mientras que la de un BGA con 225 o 313 pines es de solo 2,13 mm. Además, la altura de montaje del BGA se reducirá después de la soldadura, ya que sus esferas de soldadura se fundirán durante este proceso.
• Paso de pin más grande. Según el estándar físico para BGA publicado por JEDEC, el paso entre las esferas de soldadura en BGA debe ser: 1,5 mm, 1,27 mm o 1,0 mm. Con el mismo tamaño de encapsulado y el mismo número de pines, el paso de pines para QFP es de 0,5 mm, mientras que para BGA es de 1,5 mm.
• Excelente disipación térmica. La temperatura de los circuitos con encapsulado BGA está más cercana a la del entorno y la temperatura de funcionamiento de los chips es más baja que la de cualquier otro SMD.
• Compatibilidad con SMTEl encapsulado BGA es compatible con el SMT estándar. Además, debido a que los componentes BGA presentan un mayor paso entre pines y una excelente coplanaridad, los pines no sufrirán problemas de flexión y la tecnología de ensamblaje correspondiente es más sencilla que otros ensamblajes SMD con terminales.
• Mejor rendimiento eléctricoDado que los componentes BGA tienen pines más cortos y una mayor integridad de ensamblaje, ofrecen un mejor rendimiento eléctrico, lo cual es especialmente cierto cuando se aplican en rangos de frecuencia más altos.
• Menor costo de fabricación. Debido a que los encapsulados BGA ocupan un área de montaje menor y permiten una mayor densidad de ensamblaje, el costo de fabricación se reducirá. Especialmente a medida que aumenta la producción de encapsulados BGA y se amplían sus aplicaciones, será evidente la reducción del costo de fabricación.
• Mayor fiabilidad y menos defectos de calidadComo las esferas de soldadura en los encapsulados BGA están realizando la soldadura, las esferas de soldadura fundidas se alinearán automáticamente debido a la tensión superficial. Incluso si se produce un error del 50% entre las esferas de soldadura y la almohadilla, se puede obtener un excelente efecto de soldadura.

A pesar de algunas ventajas evidentes de los encapsulados BGA, durante el ensamblaje SMT se harán evidentes algunas desventajas, entre ellas:
• Las uniones de soldadura son difíciles de inspeccionar. La inspección de las uniones de soldadura requiere equipos de inspección por rayos X, lo que conlleva un costo más elevado.
• Hay que superar más dificultades en el retrabajo de BGADado que los componentes BGA se ensamblan en la placa de circuito mediante esferas de soldadura distribuidas en forma de matriz, la retrabajabilidad será más difícil.
• Los encapsulados BGA parciales son tan sensibles a la humedad que se requiere deshumidificación antes de su aplicación.

Comparación entre QFP y BGA

En esta parte, se compararán QFP y BGA mediante un par de tablas en términos de densidad de interconexión, paso de pines, número de pines y tasa de defectos de ensamblaje.

Tabla 1 Comparación de la Densidad de Interconexión entre QFP y BGA

Tabla 2 Comparación del paso de pines y el número de pines entre QFP y BGA

Tabla 3 Comparación de la Tasa de Defectos de Ensamblaje entre QFP y BGA

Tabla 4 Comparación de la estructura de las patillas entre QFP y BGA (Nota: √ - Excelente; Ο - Bueno; Δ - Normal)

Comparación entre QFP y BGA

En comparación conensamblaje SMT tradicional, Los BGA comparten una tecnología de ensamblaje más sencilla gracias a su gran paso entre pines y a la excelente coplanaridad de estos. Los requisitos de ensamblaje de BGA se analizarán a continuación en esta parte.

• Principio de protección contra la humedad para BGA

Algunos componentes BGA son tan sensibles a la humedad debido a la resina epoxi del adhesivo dentro de la cámara central del BGA, la cual tiende a absorber humedad en la vida diaria y luego se vaporiza generando grandes esfuerzos en el interior de la resina epoxi. El vapor de agua provocará la formación de burbujas en la base inferior, lo que conduce a grietas entre la cámara central y la base. Por lo tanto, es necesario llevar a cabo la deshumidificación antes de la aplicación de los componentes BGA. Debido al constante progreso de la tecnología y a la creciente preocupación de las personas por la deshumidificación, algunos encapsulados BGA han alcanzado un nivel de sensibilidad a la humedad calificado y pueden permanecer durante 48 horas en un entorno de 30°C y 60% de HR sin que se generen grietas durante la soldadura. Algunos componentes BGA, como el CBGA (ceramic ball grid array), ya no son sensibles a la humedad. Como resultado, los procedimientos de deshumidificación deben aplicarse a los BGA en función de sus clasificaciones, de la temperatura ambiental y de la humedad. Además, la deshumidificación debe llevarse a cabo de acuerdo con las instrucciones del encapsulado y su vida útil.

• Recubrimiento e impresión de esferas de soldadura BGA

Las esferas de soldadura BGA suelen tener una altura de 25 mm*0,0254 mm y un diámetro de 30 mm*0,0254 mm. Los diferentes tipos de componentes BGA presentan distintas composiciones de aleación. En términos generales, los TBGA, CBGA y CGA dependen de soldaduras de alto punto de fusión, mientras que la mayoría de los BGA utilizan soldaduras de bajo punto de fusión. Las esferas de soldadura de alta temperatura se aplican principalmente para evitar que las esferas de soldadura colapsen en exceso. El recubrimiento e impresión de esferas de soldadura BGA se refiere al proceso en el que se aplica flux o pasta de soldar sobre las esferas de soldadura que luego se adherirán a la PCB, con el objetivo de eliminar el óxido de la almohadilla y lograr que se generen buenas conexiones entre las esferas de soldadura y la PCB mediante la fusión de la soldadura.

• Montaje BGA

Gracias al mayor paso entre pines, los componentes BGA se montan más fácilmente en la placa PCB. Hasta ahora, algunos montadores avanzados pueden montar componentes BGA. Además, debido a que los componentes BGA pueden autoalinearse y que incluso con un error del 50% aún pueden colocarse correctamente, la precisión de montaje no se regulará de forma rigurosa.

• Soldadura por refusión de BGA

En el horno de soldadura por refusión, el BGA se calienta con las esferas de soldadura o la pasta de soldadura fundidas para formar las conexiones. Para obtener conexiones excelentes, es necesario optimizar la curva de temperatura dentro del horno, y el método de optimización es equivalente al de otros SMD. Cabe señalar que se deben conocer los componentes de las esferas de soldadura para poder determinar la curva de temperatura de la soldadura por refusión.

• Inspección BGA

La inspección de BGA abarca la inspección de la calidad de la soldadura y la inspección funcional. La primera se refiere a la inspección de la calidad de la soldadura en las esferas de soldadura y las almohadillas del PCB. El modo de disposición del BGA añade dificultad a la inspección visual y se requiere la inspección por rayos X. La inspección funcional debe implementarse en dispositivos en línea, lo cual es equivalente a la prueba SMD con otros tipos de encapsulados.

• Retrabajo de BGA

Al igual que en la inspección de BGA, es igualmente difícil realizar retrabajos en BGAs y se requieren herramientas y equipos de retrabajo profesionales. En el proceso de retrabajo, primero deben eliminarse los BGAs dañados y luego deben hacerse modificaciones en las almohadillas del PCB con flux aplicado. Los nuevos BGAs necesitan un preprocesamiento y debe realizarse una soldadura inmediata.

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