La tecnología de orificios pasantes (THT), que comenzó a florecer con los CI (circuitos integrados) en los años 60, ha sido reemplazada gradualmente por la primera generación de SMT (tecnología de montaje superficial), que apareció ya en los años 80 junto con el rápido desarrollo de los LSI en la fase final de los 70. Los encapsulados periféricos se han convertido en la corriente principal de los encapsulados electrónicos, con el QFP (encapsulado plano cuadrado) como ejemplo. Los años 90 fueron testigos del paso a paso fino de los QFP, lo que llevó a que la tecnología de ensamblaje de placas se enfrentara a numerosos desafíos. A pesar de la aparición de la tecnología de paso fino (FPT), el ensamblaje de circuitos a nivel de placa con un paso inferior a 0,4 mm todavía presenta muchos problemas técnicos que deben abordarse. Como solución óptima, se lanzó en la primera mitad de los años 90 la segunda generación de SMT, es decir, el encapsulado BGA (matriz de bolas). Luego, el encapsulado a escala de chip (CSP) se convirtió en el centro de atención en la década de 1990. Especialmente cuando se utiliza la tecnología flip chip (FC), el PBGA (matriz de bolas plástica) empieza a aplicarse en supercomputadoras y estaciones de trabajo y gradualmente se vuelve práctico. La tercera generación de SMT es el ensamblaje directo de chip (DCA), que solo se aplica en campos especiales debido a limitaciones en cuanto a fiabilidad, costo y KGD, etc. En los últimos años se ha visto la incorporación del encapsulado a nivel de oblea (WLP) y del FC avanzado en la tercera generación de SMT, compatible con los requisitos de múltiples pines y alto rendimiento de los semiconductores. Por lo tanto, se puede concluir que los encapsulados de CI en el siglo 21stel siglo se desarrollará hacia tendencias de alta densidad, paso fino, alta flexibilidad, alta fiabilidad y diversidad. Como resultado, es de gran importancia conocer la diferencia entre QFP y BGA y su tendencia de desarrollo.
Es evidente que el PQFP presenta ventajas competitivas en el mercado de encapsulado de circuitos integrados. Hoy en día, el encapsulado de productos electrónicos se está orientando hacia encapsulados BGA, CSP y QFP de paso ultrafino debido a su alto valor añadido. Con el aumento constante del número de pines, si el recuento de pines es superior a 200 con un paso de pines inferior a 0,5 mm, el paso de pines es de aproximadamente 0,3 mm en el caso de encapsulados con 300 pines. Cuanto menor es el paso de pines, mayor será exponencialmente la pérdida de producto. A medida que el paso de pines se reduce, el puenteado por soldadura se producirá con mayor facilidad. Si el paso de pines es de 0,3 mm, incluso unas pocas partículas con diámetros inferiores a 15 μm provocarán la formación de bolas de soldadura, que es una causa habitual de puenteado. Es aún más importante controlar el tamaño de partícula de la pasta de soldar. Una vez que el paso de pines se reduce, es esencial controlar la planaridad de las patillas y la tolerancia del espaciado. En lo que respecta al QFP, un tamaño (40 mm2), el número de pines (360) y el paso (0,3 mm) han llegado a una limitación.
Obviamente, el QFP es tan fácil de probar y retrabajar que se pueden ver todas las patillas del QFP.
• Comparación entre BGA y QFP
Los componentes BGA típicos son tan duraderos que aún pueden utilizarse para el ensamblaje incluso si caen accidentalmente al suelo, lo cual es imposible para los PQFP hasta cierto punto. La ventaja esencial de los encapsulados BGA radica en su forma de matriz y, en términos generales, los componentes BGA son capaces de proporcionar más E/S dentro de la misma unidad de área que los componentes QFP. Siempre que el número de E/S excede 250, el espacio ocupado por los BGA es siempre menor que el de los QFP. Dado que el BGA suele presentar un paso (pitch) mayor que el QFP, los componentes BGA se montan con mayor facilidad, de modo que se genera una eficiencia relativamente alta. Cuando los defectos relacionados con el encapsulado se inspeccionan antes del ensamblaje, la tasa de fallos de ensamblaje puede ser inferior a 1 ppm. Hasta ahora, el mayor desafío al que se enfrenta el ensamblaje BGA radica en los problemas de defectos asociados con los encapsulados, que probablemente se deriven de la falta de esferas de soldadura, la sensibilidad a la humedad, las colisiones durante el transporte y la deformación excesiva durante la soldadura por refusión. Existe una gran desviación en cuanto al tamaño de las esferas de soldadura, que es el doble o el triple de la desviación de volumen entre esferas de soldadura. Es posible que existan esferas de soldadura de doble capa en la posición de la unión de soldadura y defectos relacionados con la metalización, como la soldadura insuficiente entre las esferas de soldadura y la almohadilla del componente. Debido a la técnica, el ensamblaje BGA permite la tasa de defectos más baja (ppm).
La construcción de los encapsulados BGA presenta terminales más cortos que los QFP con funciones y rendimiento equivalentes, lo que se traduce en un excelente desempeño eléctrico de los BGA. Sin embargo, el mayor defecto de la construcción BGA radica en su costo. El BGA presenta un costo más alto que el QFP en términos de la placa laminada y del costo de la resina relacionados con el sustrato que porta los componentes. La resina BT, la cerámica y el portador de resina de poliimida contienen componentes originales de mayor costo, mientras que el QFP utiliza resina plástica de moldeo y un marco de terminales de lámina metálica de bajo costo. El portador en matriz presenta un costo bastante elevado debido a los circuitos de línea fina y a la tecnología de procesamiento químico. Además, al comparar los encapsulados QFP y BGA, se pueden aplicar troqueles de conformado y equipos de prensado de moldeo de alta productividad con menos procesos técnicos de empaquetado. Una vez que se aplique la producción en volumen, el costo del encapsulado BGA se reducirá, pero no es posible que llegue a bajar hasta el nivel del QFP.
En lo que respecta al costo del encapsulado BGA, el encapsulado BGA con un número adecuado de pines de E/S será el más predominante. Este tipo de encapsulado contiene todos los circuitos en el lateral del portador del encapsulado y no tiene orificios pasantes metalizados. Por lo tanto, el encapsulado BGA debe asumir un costo adicional. Sin embargo, la eficiencia de ensamblaje extremadamente alta de los encapsulados BGA puede compensar en parte su desventaja de alto costo. Desde la perspectiva del valor económico, cuando los pines de E/S son menos de 200, el QFP funciona adecuadamente. Cuando los pines de E/S superan los 200, el QFP deja de ser viable y se pueden aplicar múltiples tipos de encapsulados BGA, lo que conduce a la amplia gama de aplicaciones de los encapsulados BGA.
• Inspección y retrabajo de paquetes BGA
La inspección y el retrabajo de BGA también son un tipo de tecnología que gradualmente está llegando a su madurez. Aunque puede inspeccionarse, el BGA requiere equipos de alta precisión, como el sistema de imágenes por rayos X.
Los componentes BGA ocultan sus conexiones bajo los encapsulados, lo que provoca mayores dificultades de retrabajo que los componentes con terminales en la periferia. Los principales problemas relacionados con el retrabajo de BGA incluyen: daños en las piezas desmontables, daños en las piezas de reemplazo, sobrecalentamiento de la placa y de los componentes adyacentes, alabeo de la placa debido al calentamiento localizado y a la limpieza, y la fabricación de algunas piezas. El retrabajo debe tener en cuenta las siguientes cuestiones: temperatura del chip, distribución de la temperatura de los componentes durante el período de retrabajo y distribución de la temperatura de la placa. Si es necesario adquirir todos los equipos requeridos, la estación de retrabajo BGA será costosa por las siguientes razones:
a. Es imposible modificar solo un defecto de cortocircuito o de circuito abierto y es necesario reprocesar todos los defectos de ensamblaje del BGA.
b. La reelaboración es más difícil de implementar que el QFP, lo que requiere una inversión adicional en equipos.
c. Los componentes BGA después de la retrabajo ya no se pueden usar, mientras que los componentes QFP sí se pueden usar.
Por lo tanto, la producción en masa de encapsulados BGA se deriva de la reducción de defectos de ensamblaje, garantizando una alta tasa de aprobación.
• Limpieza de paquetes BGA
La desventaja sobresaliente de los encapsulados BGA radica en su incapacidad para eliminar el flux que queda en la parte inferior de los encapsulados de matriz. Hasta ahora, el tamaño de los componentes BGA con un alto número de pines es de aproximadamente 45 mm². Por lo tanto, el problema de la limpieza se vuelve muy significativo. La limpieza de BGA requiere que todo el flux y la pasta de soldadura se eliminen por completo, ya que podrían provocar fallos eléctricos o fugas de señal a tierra en aplicaciones de alta potencia.
Se puede prever que el PQFP con un número de terminales inferior a 200 será la principal tecnología de encapsulado. A medida que el número de terminales supera los 350, es imposible que el QFP se aplique de forma generalizada. Existen dos tipos de tecnologías de encapsulado disponibles como competidoras para componentes con pines de E/S de 200 a 300. Por lo tanto, la tecnología de encapsulado QFP con un paso inferior a 0,5 mm será definitivamente reemplazada por encapsulados BGA.
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Recursos útiles
•Historia de la tecnología de empaquetado de alta densidad
•Introducción a la tecnología de empaquetado SMT
•Una introducción a la tecnología de encapsulado BGA
•Una breve introducción a los tipos de encapsulado BGA
•Factores que afectan la calidad del ensamblaje BGA
