El constante progreso de la tecnología científica ha llevado a que la sociedad moderna esté estrechamente vinculada con la tecnología electrónica. Se han establecido rigurosos requisitos de miniaturización y ligereza para productos electrónicos como teléfonos móviles, computadoras portátiles, dispositivos de almacenamiento, unidades de hardware, unidades de CD-ROM, televisores de alta resolución, etc. Para alcanzar dichos objetivos, es necesario realizar estudios en términos de tecnología de fabricación y componentes. La tecnología SMT (tecnología de montaje superficial) se ajusta a esta tendencia, sentando una base sólida para la miniaturización de los productos electrónicos.
En la década de 1990, la tecnología SMT entró en una fase de madurez. Sin embargo, con el rápido desarrollo de los productos electrónicos hacia la portabilidad, la miniaturización, la conectividad en red y la multimedia, se han planteado requisitos más altos para la tecnología de ensamblaje electrónico, entre los cuales el encapsulado BGA (ball grid array) es un tipo de tecnología de ensamblaje de alta densidad que ha entrado en una fase pragmática. La calidad de las uniones de soldadura desempeña un papel tan crucial en la determinación de la fiabilidad y el rendimiento del ensamblaje SMT que debe prestarse especial atención a la calidad de las uniones de soldadura BGA. Por lo tanto, este artículo proporcionará algunas medidas eficaces para garantizar la calidad de las uniones de soldadura de los componentes BGA, sobre cuya base se puede lograr la fiabilidad final del ensamblaje SMT.
Una breve introducción a la tecnología de encapsulado BGA
La tecnología de encapsulado BGA comenzó ya en la década de 1960 y fue aplicada por primera vez por la empresa IBM. Sin embargo, la tecnología de encapsulado BGA no entró en una fase pragmática hasta principios de la década de 1990.
Ya en la década de 1980, se plantearon mayores exigencias para la miniaturización de la electrónica y el número de pines de E/S. A pesar de la característica de miniaturización que posee la tecnología SMT, se han establecido requisitos aún más rigurosos en cuanto a componentes con alto número de pines de E/S, paso fino y coplanaridad de las patillas. Sin embargo, debido a las limitaciones en precisión de fabricación, fabricabilidad, costo y tecnología de ensamblaje, el paso mínimo de los componentes QFP (quad flat package) es de 0,3 mm, lo que restringe el desarrollo del ensamblaje de alta densidad. Además, dado que los componentes QFP de paso fino exigen requisitos estrictos para la tecnología de ensamblaje, lo que limita sus aplicaciones, los fabricantes de componentes han pasado a la I+D de componentes BGA, que son más ventajosos que los componentes QFP.
Las limitaciones de los componentes de paso fino radican en sus terminales, que se doblan y se rompen con facilidad y son frágiles, lo que impone requisitos elevados para la coplanaridad de las terminales y la precisión de montaje. La tecnología de encapsulado BGA aprovecha un nuevo modo de diseño, es decir, las esferas de soldadura circulares o en forma de columna se ocultan bajo el encapsulado, de modo que el espaciado entre terminales es grande y las terminales son cortas. Como resultado, la tecnología de encapsulado BGA es capaz de resolver el problema derivado de la falta de coplanaridad y la deformación que suelen producirse en los componentes de paso fino.
Por lo tanto, los componentes BGA tienen un mejor rendimiento en cuanto a fiabilidad y montaje SMT que los SMD (dispositivos de montaje superficial) convencionales. El único problema de los componentes BGA radica en la dificultad de realizar pruebas de las uniones de soldadura y en la dificultad de garantizar su calidad y fiabilidad.
Problemas de las uniones de soldadura de componentes BGA
Hasta ahora, ensambladores electrónicos fiables,PCBCartpor ejemplo, los defectos de soldadura de componentes BGA se ponen de manifiesto mediante pruebas electrónicas. Otros métodos para controlar la calidad del proceso técnico de ensamblaje y determinar defectos durante el montaje de componentes BGA incluyen pruebas de muestra en el serigrafiado de pasta, AXI y el análisis de resultados en las pruebas electrónicas.
El cumplimiento de los requisitos de evaluación de la calidad de las uniones es una tecnología desafiante porque es difícil tomar puntos de prueba bajo los encapsulados. Cuando se trata de la inspección e identificación de defectos en componentes BGA, las pruebas electrónicas suelen ser incapaces de hacerlo, lo que en cierta medida incrementa el costo de la eliminación de defectos y de las retrabajos.
Durante el proceso de inspección de defectos de componentes BGA, las pruebas electrónicas solo pueden determinar si hay corriente o no una vez que los componentes BGA están conectados. Si se implementa como apoyo una prueba de uniones de soldadura no físicas, esto es beneficioso para el proceso técnico de ensamblaje y la mejora del SPC (control estadístico de procesos).
El montaje de componentes BGA es un tipo de proceso técnico básico de conexión física. Para poder confirmar y controlar la calidad del proceso técnico, es necesario conocer y probar los elementos físicos que afectan su fiabilidad a largo plazo, como el volumen de la pasta de soldadura, la alineación de las patillas y las almohadillas, y la humectabilidad. De lo contrario, resulta preocupante realizar modificaciones basándose únicamente en los resultados generados por las pruebas electrónicas.
Métodos de inspección de componentes BGA
Es extremadamente importante probar las características físicas de las uniones de soldadura de los componentes BGA y determinar cómo contribuir de manera constante a conexiones fiables durante el proceso de ensamblaje, durante el período de investigación del proceso técnico. La información de retroalimentación proporcionada por todas las pruebas está relacionada con las modificaciones de cada proceso técnico o de los parámetros de las uniones de soldadura.
La prueba física es capaz de señalar los cambios de situación en el cribado de la pasta y el estado de las conexiones de los componentes BGA en el proceso de soldadura por refusión. Además, puede mostrar la situación de todos los componentes BGA en la misma placa de circuito y entre distintas placas. Por ejemplo, durante el proceso de soldadura por refusión, los cambios extremos de humedad asociados a las variaciones en el tiempo de enfriamiento pueden reflejarse en la cantidad y el tamaño de las cavidades de las uniones de soldadura BGA.
De hecho, no existen tantos dispositivos de inspección para la medición precisa y el control de calidad de todo el proceso técnico de ensamblaje de componentes BGA. Los dispositivos automáticos de inspección por láser son capaces de comprobar el estado de la impresión de la pasta de soldadura antes del montaje de los componentes, pero funcionan a baja velocidad y no pueden realizar la inspección de la calidad del proceso de soldadura por refusión de los componentes BGA.
Con el uso de un dispositivo de inspección por rayos X, la pasta de soldadura en la almohadilla muestra una imagen de sombra porque la pasta de soldadura se coloca por encima de la unión de soldadura. En el caso de componentes BGA no colapsables, también puede observarse una sombra debido a las esferas de soldadura precolocadas, lo que sin duda dificulta su determinación. Esto se debe a que el efecto de sombra provocado por la pasta de soldadura o por las esferas de soldadura precolocadas impide el correcto funcionamiento de los dispositivos de inspección por rayos X, que solo pueden reflejar de manera aproximada los defectos de proceso del empaquetado BGA. Además, la inspección de la periferia se enfrenta a desafíos como la pasta de soldadura insuficiente o los circuitos abiertos como resultado de contaminantes.
La tecnología de inspección por rayos X de sección transversal es capaz de superar las limitaciones mencionadas anteriormente. Puede inspeccionar defectos ocultos en las uniones de soldadura y mostrar las conexiones de las uniones de soldadura BGA.
Defectos Esenciales de la Unión de Soldadura BGA
• Circuitos Abiertos
Los circuitos abiertos siempre se producen en uniones de soldadura BGA no colapsables debido a contaminantes en las almohadillas. Debido a que la pasta de soldadura no logra humedecer la almohadilla en la PCB (placa de circuito impreso), esta subirá hacia la superficie del componente a través de las esferas de soldadura. Como se mencionó anteriormente, la prueba electrónica puede determinar los circuitos abiertos, pero no puede distinguir si estos se deben a contaminantes en las almohadillas o a defectos en el estarcido de la soldadura. Los equipos de inspección por rayos X tampoco pueden indicar los circuitos abiertos, lo que se debe al efecto de sombra de las esferas de soldadura colocadas delante.
La tecnología de inspección por rayos X de sección transversal es capaz de capturar una imagen en corte entre la almohadilla y los componentes y, posteriormente, confirmar circuitos abiertos como resultado de contaminantes. Debido a que los circuitos abiertos debidos a contaminantes generan un diámetro de almohadilla fino y un diámetro de componente relativamente grande, la diferencia entre el diámetro del componente y el diámetro de la almohadilla puede utilizarse para determinar si se producen circuitos abiertos como resultado de contaminantes. En cuanto a los circuitos abiertos debidos a una cantidad insuficiente de pasta de soldadura, solo los dispositivos de inspección de sección transversal pueden lograrlo.
• Vacío
La formación de vacíos en la soldadura de componentes BGA colapsables se produce porque el vapor que fluye queda retenido en las uniones de soldadura con bajo punto eutéctico. Los vacíos pueden considerarse como un defecto principal que aparece en los componentes BGA colapsables. Durante el proceso de soldadura por refusión, la flotación provocada por los vacíos se concentra en la superficie de los componentes, por lo que la mayoría de las fallas de las uniones de soldadura también ocurren allí.
Los problemas de vacíos pueden eliminarse mediante el precalentamiento y aumentando el tiempo de precalentamiento transitorio y la baja temperatura de precalentamiento durante el proceso de soldadura por refusión. Una vez que los vacíos superan cierto rango de tamaño, cantidad o densidad, la fiabilidad se reducirá de forma inevitable. Sin embargo, existe otra corriente de opinión que considera que los vacíos no deberían limitarse, sino que debería acelerarse su ruptura y expansión para que fallen y se eliminen lo antes posible.
PCBCart: Un ensamblador SMT profesional para componentes BGA
PCBCart cuenta con una línea de ensamblaje SMT especializada que incluye impresora de pasta de soldadura, montadora de chips, equipos AOI en línea y fuera de línea, horno de soldadura por refusión, equipo AXI y estación de retrabajo BGA. El procedimiento de ensamblaje automático proporcionado por PCBCart es capaz de manejar componentes BGA con un paso de tan solo 0,4 mm. Todos los servicios y productos que ofrecemos cumplen con las normativas del sistema ISO9001:2008, lo que constituye una base sólida para satisfacer las expectativas de los clientes.Contáctenospara obtener más información sobre nuestras capacidades SMT para componentes BGA. O puede hacer clic en el botón de abajo para solicitar un presupuesto de PCBA GRATIS y sin compromiso.
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Recursos útiles
•Cuatro pasos para conocer el BGA
•Una introducción a la tecnología de empaquetado BGA
•Una breve introducción a los tipos de encapsulados BGA
•Factores que afectan la calidad del ensamblaje BGA
