Elementos esenciales en la tecnología de soldadura por refusión para componentes BGA

BGA, abreviatura de Ball Grid Array, aprovecha esferas de soldadura que actúan como pines en la parte posterior de la base. BGA es un tipo de encapsulado aceptado por el ensamblaje SMT (tecnología de montaje en superficie), aplicado a LSI (integración a gran escala) de múltiples pines.

Categorías de encapsulados BGA

Hasta ahora, el encapsulado BGA puede clasificarse en tres categorías de acuerdo con los tipos de base: PBGA (plastic ball grid array), CBGA (ceramic ball grid array), TBGA (tape ball grid array).

• PBGA

PBGA coloca bolas de soldadura en la base con las siguientes propiedades:
a. Presenta una excelente compatibilidad de prensado en caliente con la resina epoxi;
b. Las bolas de soldadura contribuyen a la formación de uniones de soldadura, lo que da lugar a una coplanaridad flexible de aproximadamente 250 μm;
c. Presenta un bajo costo;
d. Presenta un rendimiento eléctrico excelente;
e. Puede alinearse con precisión con la almohadilla de la PCB a través del borde del encapsulado.

• CBGA

Las esferas de soldadura pertenecientes a CBGA se fabrican con soldadura de alta temperatura, las cuales luego se conectan con la base cerámica mediante la aplicación de una soldadura eutéctica de bajo punto de fusión (generalmente 63Sn/Pb), que posteriormente se utiliza para hacer que las esferas de soldadura se conecten con la PCB (placa de circuito impreso). CBGA presenta las siguientes características:
a. Presentan una mayor fiabilidad;
b. Presenta una buena coplanaridad de aproximadamente 100 μm y las uniones de soldadura se generan fácilmente;
c. No es sensible a la humedad;
d. Presentar una alta densidad de empaquetado;
e. Debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica, el CBGA presenta una mala compatibilidad de prensado en caliente con las placas de circuito impreso (PCB) que utilizan resina epoxi como sustrato, por lo que la fatiga de las uniones de soldadura se ha convertido en el principal tipo de falla del CBGA;
f. Es difícil lograr la alineación entre el borde del encapsulado y la PCB, lo que conduce a un alto costo de empaquetado.

• TBGA

TBGA es un tipo de encapsulado que aprovecha la interconexión mediante cinta para lograr la conexión entre el chip, las esferas de soldadura y la PCB. Las características del encapsulado TBGA incluyen:
a. Presenta una buena compatibilidad de prensado en caliente con PCB que utilizan resina epoxi como material de sustrato;
b. Capaz de alinearse con la almohadilla de la PCB a través del borde del encapsulado;
c. Presenta el costo más bajo;
d. Sensible tanto a la humedad como al calor, lo que podría conducir a una fiabilidad relativamente baja;

Basándose en la breve introducción de las diferentes categorías de encapsulados BGA, las características de los componentes de encapsulado BGA pueden resumirse en lo siguiente:
a. Conducir a una baja tasa de fallos;
b. Mejorar drásticamente los pines de los componentes mientras se reduce el tamaño del encapsulado, disminuyendo el área de aplicación de la base;
c. Evidentemente resuelve el problema de coplanaridad y reduce en gran medida los daños coplanares;
d. Presentan pines sólidos, lo cual es diferente de la deformación de pines que ocurre en el QFP (paquete plano cuadrado);
e. Incluya pines cortos que indiquen que, a partir de ese punto, las trayectorias son cortas, con la inductancia y la capacitancia de las conexiones reducidas y el rendimiento eléctrico mejorado;
f. Beneficioso para la disipación térmica;
g. Compatible con los requisitos de encapsulado de MCM (módulo multichip), lo que permite lograr una alta densidad y un alto rendimiento del MCM.

Tecnología de soldadura por refusión para BGA

Básicamente, el ensamblaje de encapsulados BGA es compatible con el procedimiento de ensamblaje SMT. Primero, se imprime pasta de soldadura sobre la matriz de pads en la PCB mediante el uso de una plantilla, o se recubre el pad con flux. Segundo, se utiliza una máquina de colocación (pick and place) para colocar los componentes BGA sobre la matriz de pads de la PCB con alineación completa. Luego, los componentes BGA pasarán por el proceso de soldadura por refusión en un horno de refusión. Debido a la particularidad de los componentes con encapsulado BGA, este artículo analizará la tecnología de soldadura por refusión tomando como ejemplo el PBGA.

• Fase de precalentamiento

La fase de precalentamiento suele estar compuesta por 2 a 4 zonas de calentamiento, con una temperatura que aumenta de forma constante hasta 150 °C en un plazo de 2 minutos, de modo que las sustancias volátiles de la pasta de soldadura puedan volatilizarse. Como resultado, dichas sustancias no provocarán salpicaduras de la soldadura ni sobrecalentamiento de la base. Al mismo tiempo, la temperatura de los dispositivos del PCB puede ser lo suficientemente alta para lograr la humectabilidad de la soldadura. Es óptimo que el aumento de temperatura alcance una velocidad de 1,5 °C por segundo.

• Fase de remojo

El objetivo de la fase de remojo es lograr una fusión en caliente suficiente y que la temperatura de todas las uniones de soldadura en la PCB pueda acercarse lo más posible a la temperatura de soldadura. El grado de fusión en caliente determina directamente la calidad de las uniones de soldadura. La temperatura debe mantenerse aproximadamente a 170 °C durante 60 a 120 segundos.

• Fase de soldadura

En la fase de soldadura, la temperatura de las uniones de soldadura debe aumentar rápidamente hasta alcanzar la temperatura de soldadura. El tiempo de duración debe controlarse dentro del rango de 60 a 120 segundos cuando la temperatura supere los 183 °C. Es mejor ajustar la temperatura más alta en la fase de soldadura dentro del rango de 200 °C a 210 °C y la temperatura máxima de los componentes no debe exceder los 220 °C. Es óptimo que la velocidad de aumento de la temperatura alcance de 2 °C a 3 °C por segundo.

• Fase de enfriamiento

La fase de enfriamiento contiene dos modos de enfriamiento: enfriamiento por aire y enfriamiento natural. Es óptimo que la velocidad de enfriamiento se sitúe en el rango de 1 °C a 3 °C por segundo. Además, la diferencia de temperatura entre la superficie del componente y la parte inferior no debe superar los 7 °C, o se producirá una acumulación de tensiones térmicas.

Debido a que los componentes con distintos encapsulados presentan diferentes tasas de absorción y disipación térmica, la velocidad de aumento de temperatura en la fase de soldadura y la velocidad de descenso de temperatura deben tratarse de manera diferenciada.

La temperatura y la duración de cada fase durante el procedimiento de soldadura por refusión se pueden resumir en la siguiente tabla.

Cabe señalar que esta tabla nunca puede cumplirse totalmente en todas las situaciones. Existen diferencias entre los componentes, los hornos de soldadura por refusión, las PCB, el entorno de ensamblaje, la experiencia de fabricación de los operadores, etc., por lo que unos parámetros de ajuste más precisos dependen de la experiencia práctica de ensamblaje.

Inspección de componentes BGA

Una buena soldadura solo está a medio hacer. Nunca se puede garantizar que las uniones de soldadura se hayan realizado perfectamente a menos que se lleven a cabo inspecciones. Los encapsulados BGA ocultan sus componentes bajo sus cuerpos, por lo que la inspección visual difícilmente funciona. Además, la inspección óptica solo puede dejar expuestas las uniones de soldadura en el borde, sin lograr proporcionar resultados de inspección completos y precisos. Como resultado, las uniones de soldadura BGA deben inspeccionarse mediante dispositivos de inspección por rayos X. Hay dos métodos disponibles para los dispositivos de inspección por rayos X: la inspección por transmisión y la inspección de sección transversal, ambos capaces de inspeccionar puentes entre uniones de soldadura y desalineaciones. De hecho, ambos métodos de inspección se comportan de manera diferente en cuanto a sus capacidades para inspeccionar la forma y el tamaño de las uniones de soldadura BGA.

• Inspección por rayos X transmitidos

Los rayos X atraviesan todos los materiales de alta densidad en dirección vertical. En el caso de los CBGA, las esferas de soldadura impiden que se genere soldadura eutéctica a nivel de la estación de soldadura y la soldadura eutéctica a nivel de componente tiende a quedar cubierta por las esferas de soldadura. En lo que respecta al encapsulado PBGA, la imagen de la soldadura en una estación de soldadura tiende a detenerse en la unión de soldadura. Como resultado, la inspección por transmisión de rayos X no logra detectar correctamente el defecto de soldadura insuficiente.

• Inspección de sección transversal por rayos X

La inspección de secciones transversales por rayos X puede detectar defectos en las uniones de soldadura y obtener con precisión la forma de las uniones BGA y las dimensiones críticas de la sección transversal. La inspección del espesor del anillo circular a nivel de estación de soldadura refleja el procedimiento de refusión de la soldadura o la situación de cambio de la soldadura en la estación de soldadura. La inspección del radio a nivel de estación de soldadura indica los cambios en el volumen de soldadura en una estación de soldadura, causados por la tecnología de impresión de pasta de soldadura o por un exceso de soldadura de refusión. La inspección del radio de las bolas de soldadura demuestra la coplanaridad de unión de soldadura a unión de soldadura o de placa a placa.

La miniaturización y el alto rendimiento son tendencias de desarrollo esenciales para los productos electrónicos, lo que hace que la densidad de ensamblaje de los módulos de circuito aumente constantemente. Como resultado, los microcomponentes de alta integridad se diversifican y sus métodos de ensamblaje también avanzan. A medida que la tecnología de encapsulado moderno prospera, la tecnología de encapsulado BGA está evolucionando hacia μBGA y MCM. Como un tipo de componente de ensamblaje de alta densidad, deben aplicarse diferentes temperaturas de soldadura compatibles con los distintos requisitos de encapsulado. Siempre que se tengan en cuenta cuidadosamente los elementos esenciales durante la soldadura por refusión de BGA, se puede garantizar plenamente la fiabilidad de los componentes BGA y del ensamblaje SMT.

La tecnología de matriz de rejilla de bolas (BGA) es esencial en la electrónica moderna para crear ensamblajes eficientes y de alto rendimiento que sean compactos. Al emplear técnicas avanzadas de soldadura por refusión y ciclos de inspección precisos, los encapsulados BGA proporcionan conexiones robustas y una funcionalidad mejorada en diversas aplicaciones, satisfaciendo las necesidades de miniaturización y alta fiabilidad de los productos electrónicos.

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Recursos útiles
•Cuatro pasos para conocer el BGA
•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
•Algunos métodos amigables para ingenieros para lograr uniones de soldadura óptimas en el proceso de ensamblaje SMT de BGA