Para la mayoría de los BGAs de paso fino, las almohadillas NSMD (non-solder-mask-defined) son la mejor opción predeterminada. El cobre define el tamaño de la isla, la soldadura envuelve el borde de la almohadilla y la unión suele durar más bajo ciclos térmicos. Las almohadillas SMD siguen teniendo su lugar en componentes más grandes en productos que se caen o se flexionan, y en las bolas de las esquinas. Vale la pena pagar por vía-en-almohadilla una vez que una vía tipo “dog-bone” ya no cabe entre las bolas, lo que normalmente ocurre alrededor de un paso de 0,5 mm. Cuando la uses, la vía debe rellenarse y recubrirse, nunca dejarse abierta.
¿Cuál es la verdadera diferencia entre las almohadillas SMD y NSMD?
La diferencia es qué capa define la land. En una almohadilla SMD es la abertura de la máscara de soldadura. En una almohadilla NSMD es el cobre.
Con SMD, el cobre se dibuja más grande que la isla deseada y la máscara se superpone a su borde. La soldadura solo humedece la superficie superior expuesta. Con NSMD, el cobre es la propia isla y la abertura de la máscara se retrae de modo que quede visible un fino anillo de laminado desnudo a su alrededor. La soldadura humedece la parte superior y las paredes laterales del cobre.
Ese único detalle geométrico impulsa casi todas las demás compensaciones, incluido el lugar donde se rompe la junta cuando finalmente falla.
| Almohadilla SMD | almohadilla NSMD | |
|---|---|---|
| Qué define la tierra | Abertura de máscara de soldadura | Grabado de cobre |
| Contacto de soldadura | Solo superficie superior | Superficie superior más pared lateral de cobre |
| Tamaño de la tierra controlada por | Registro y exposición de la máscara | Tolerancia de grabado de cobre |
| Adhesión de la almohadilla | La superposición de la máscara mantiene el borde de la almohadilla hacia abajo | Solo unión cobre-laminado |
| Dónde tiende a fallar | En la soldadura cerca del borde de la máscara, a menudo en la capa intermetálica | Pelado de almohadillas o fractura de la lámina bajo la almohadilla |
| Impresión desde el portapapeles | El solapamiento de la máscara sella contra la plantilla, por lo que el volumen de pasta es más repetible | Menos estanqueidad con esténcil; más margen si la impresión está ligeramente desviada |
| Espacio de enrutamiento entre pads | Menos (el cobre es sobredimensionado) | Más (el cobre es la propia tierra) |
| Reelaborar | Las almohadillas resisten el levantamiento; la soldadura residual puede quedar junto al borde de la máscara | Más fácil de vestir en plano, pero las pastillas se levantan más fácilmente si se sobrecalientan |
Dos de estas filas merecen un análisis más detenido.
Primero la tolerancia. En una almohadilla SMD, el desajuste de la máscara desplaza o reduce la propia isla. En una almohadilla NSMD, solo cambia el ancho del anillo de separación, siempre que la máscara nunca se pose sobre el cobre. Por eso las islas NSMD son más consistentes de bola a bola en paso fino. El contrapunto es que la NSMD traslada la carga al grabado del cobre, de modo que una almohadilla subdimensionada por variación en el grabado pasa directamente a la unión.
Impresión de pasta en segundo lugar. SMD tiene aquí una ventaja real que a menudo se pasa por alto: el borde de la máscara forma una pequeña cavidad contra la que se sella la plantilla, de modo que la liberación de la pasta tiende a ser más repetible. Si utilizas NSMD en paso muy fino, el diseño de los orificios y la configuración de impresión importan más. La separación mínima de la máscara alrededor de una almohadilla NSMD depende de la construcción de la placa, así que confirma esto con nuestro equipo de ingeniería antes de congelar la huella en la librería.
¿Cuál deberías elegir para tu presentación?
Parta del patrón de tierra del proveedor del encapsulado, considera NSMD como la opción predeterminada y cambia a SMD solo cuando tengas un motivo mecánico o de impresión.
La mayoría de las hojas de datos de BGA indican el diámetro del pad y la apertura de la máscara con las que el proveedor calificó la pieza, a veces en versiones tanto SMD como NSMD. Utiliza esos valores en lugar de una huella genérica de biblioteca. Si la hoja de datos no da información, un punto de partida común para NSMD es una zona de cobre aproximadamente un 20% más pequeña que el diámetro nominal de la bola, y el IPC-7351 ajusta esa reducción al tamaño de la bola. Para SMD, el cobre suele dibujarse cercano al diámetro de la bola y la apertura de la máscara proporciona la reducción.
A partir de ahí, el tono reduce la elección:
A 1,0 mm y 0,8 mm, ambos tipos encajan. NSMD es el valor predeterminado; SMD tiene sentido cuando la placa estará sometida a golpes o flexión y el levantamiento de la almohadilla es la falla que te preocupa.
A 0,65 mm y 0,5 mm, NSMD suele ser la opción más adecuada porque el espacio de enrutamiento adicional entre las tierras es lo que hace posible la liberación.
A 0,4 mm y por debajo, siga de cerca la hoja de datos. Algunos encapsulados a nivel de oblea y a escala de chip especifican NSMD y otros especifican SMD, porque a ese paso la franja de máscara entre aberturas y la repetibilidad de la pasta pueden importar más que la forma de la unión.
Una huella híbrida también es una opción legítima. La flexión de la placa concentra la tensión en las esquinas del encapsulado, por lo que usar SMD para las bolas de las esquinas (o la fila exterior) y NSMD en el resto refuerza los puntos más débiles sin sacrificar espacio de ruteo en el centro.
Una advertencia práctica. Con regularidad recibimos Gerbers en los que la librería tenía configurada por accidente una expansión negativa de máscara, lo que convierte silenciosamente una huella NSMD prevista en SMD. Superpón las capas de máscara y cobre en cada BGA antes de la liberación, y si ciertas piezas deben permanecer SMD, indícalo en las notas de fabricación por designador de referencia para que nadie “corrija” la máscara durante el CAM. En FR4 estándar, nuestra capacidad de fabricación cubre pitch de BGA hasta 0,2 mm, pero en el extremo fino, el tipo de pad, el fanout y el stackup son una sola decisión, así que envía el plano del encapsulado con tu primera consulta.
¿El tipo de almohadilla determina si un BGA sobrevive a caídas y flexiones?
No por sí solo. El tipo de almohadilla cambia el lugar donde falla una unión, pero rara vez determina si falla cuando la placa se está flexionando demasiado.
Una almohadilla SMD ancla el cobre, por lo que bajo sobrecarga la fisura tiende a propagarse a través de la soldadura. Una unión NSMD tiene más contacto de soldadura, así que la soldadura sujeta mejor y el punto débil se desplaza hacia la unión entre la almohadilla y el laminado. Cambiar una por la otra desplaza el lugar de la falla sin eliminar la tensión que la provocó.
Si una BGA sigue agrietándose en pruebas de caída o vibración, revisa primero la mecánica: tornillos de montaje o conectores cerca del encapsulado, separación de separadores, grosor de la placa y si el componente necesita underfill o unión en las esquinas. Una vía rellenada y tapada bajo una almohadilla NSMD puede ayudar un poco, ya que el barril metalizado conecta la almohadilla con la placa, pero lo consideramos un beneficio secundario, no una solución para la flexión de la tarjeta.
¿Distribución en forma de hueso de perro o vía en la almohadilla?
Utiliza el enrutamiento en forma de “hueso de perro” siempre que la geometría lo permita y pasa a vía en pad cuando una vía y su pad ya no quepan entre cuatro esferas dejando una malla de máscara utilizable.
En una estructura en forma de hueso de perro, la vía se coloca en el centro de cuatro pads y se conecta mediante un tramo de pista corto. El espacio disponible está determinado por la diagonal, que es el pitch multiplicado por √2. Si se resta un diámetro de pad de esa diagonal, lo que queda debe alojar el pad de la vía más el margen de separación a ambos lados.
| Paso de BGA | Diagonal (paso × √2) | Punto de partida para la distribución |
|---|---|---|
| 1,0 mm | 1,41 mm | La forma de hueso de perro con vías pasantes es cómoda |
| 0,8 mm | 1,13 mm | La forma de hueso de perro sigue funcionando; verifica comparando el tamaño del pad con el tamaño de la isla |
| 0,65 mm | 0,92 mm | El hueso de perro está ajustado; las filas internas pueden no escapar |
| 0,5 mm | 0,71 mm | Vía en almohadilla o microvías láser para las filas internas, a menudo una pila HDI |
| 0,4 mm o menos | 0,57 mm o menos | La vía en pad con microvías láser es la ruta normal |
El pitch no es el único desencadenante. Una matriz grande a 0,8 mm puede quedarse sin canales de escape para las filas internas incluso cuando cada “dog-bone” individual encaja. El vía-en-pad también acorta el camino desde una bola de alimentación hasta su plano, lo que ayuda cuando la inductancia es la verdadera limitación.
El coste son pasos adicionales: taladrar, rellenar, planarizar y metalizar sobre el relleno. El vía-en-pad en un BGA de 1,0 mm rara vez merece la pena, a menos que necesites esa vía de escape para una matriz interna densa o un camino de potencia de menor inductancia. A 0,5 mm y por debajo, a menudo es la opción más barata en conjunto, porque la alternativa son más capas. En FR4 estándar soportamos vía-en-pad, relleno con resina y vías ciegas/enterradas, con taladros láser de hasta 4 mil, de modo que puedes poner microvías en el pad en las partes de paso fino y mantener vías pasantes en otros lugares.
¿Por qué deben rellenarse y recubrirse las vías en la almohadilla (via-in-pad)?
Un orificio pasante abierto en una almohadilla BGA extrae la soldadura de la unión y atrapa gas, por lo que el orificio debe rellenarse y recubrirse con metal para dejar la almohadilla plana y nuevamente soldable.
Durante el refusión, la soldadura fundida se escurre hacia abajo por el barril. El volumen de pasta quedó fijado en la impresión, así que todo lo que desaparece en el orificio falta en la unión. El resultado es una unión empobrecida, una bola deformada o una apertura intermitente que aparece después de algunos ciclos térmicos. El fundente y el aire en el barril son el segundo problema: se expanden a la temperatura de refusión y empujan hacia la bola fundida, lo que produce grandes huecos situados justo encima de la vía. El enmascarado no ayuda, porque la vía se encuentra dentro de la land.
Enchufar sin recubrir solo hace la mitad del trabajo. La resina no humedece, así que la bola cae en un punto no soldable en medio del pad, y cualquier hendidura que quede en el relleno se convierte en un bolsillo de vacío. El proceso que funciona es rellenar con resina, planarizar y luego chapar con cobre por encima, lo que IPC-4761 describe como un vía de Tipo VII. Así es como fabricamosvia en pad: el orificio se rellena con resina antes del recubrimiento de cobre, de modo que la superficie terminada quede plana y soldable.
Incluya dos cosas por escrito en el plano de fabricación. Especifique el tratamiento explícitamente, por ejemplo: “vía en pad, IPC-4761 Tipo VII, relleno de resina no conductiva, planarizado y chapado con cobre”. Y si su diseño necesita un límite sobre la cavidad o protuberancia sobre el recubrimiento, indíquelo y confirme con nuestro equipo de ingeniería que se ajusta a la construcción. Para microvías láser, las vías rellenas de cobre son una alternativa; si eso se adapta a su apilamiento también es algo que debe confirmarse con nuestro equipo de ingeniería.
¿Cómo verificamos las uniones BGA después del refusionado?
Verificamos las uniones BGA con rayos X, porque ningún método óptico puede ver debajo del cuerpo del encapsulado.
Las verificaciones comienzan antes de eso. La inspección SPI 3D mide el volumen y la altura de la pasta en cada land de BGA, que es donde comienzan muchos defectos posteriores, especialmente en lands NSMD de paso fino. Después de la colocación y la refusión en el horno JTR-1200D-N, la AOI 3D confirma la posición del encapsulado y revisa las uniones que puede ver en la periferia. Luego las placas pasan arayos X sin conexiónpara el arreglo oculto.
En las imágenes de rayos X buscamos puentes, esferas ausentes o deformadas, circuitos abiertos y vacíos. En diseños con vía en la almohadilla prestamos especial atención a los vacíos situados sobre la ubicación de la vía, porque ese patrón indica un problema de relleno o de recubrimiento más que un problema de pasta o de perfil. El defecto “head-in-pillow” es el difícil. Puede parecer aceptable en una imagen tomada desde arriba, por lo que las vistas en ángulo y las pruebas eléctricas o funcionales son las que normalmente lo detectan.
Indíquenos sus criterios de aceptación de vacíos en la fase de cotización. Nuestro estándar de mano de obra predeterminado es IPC Clase 2; si su plano especifica criterios de vacíos distintos para BGA, señálelo con anticipación para que la inspección se configure de acuerdo con sus valores.
Lista de verificación de almohadillas BGA
| Artículo | Qué comprobar | Por qué es importante |
|---|---|---|
| Fuente del patrón de tierra | Valores de pad y máscara tomados de la hoja de datos del paquete | Las huellas de biblioteca genéricas a menudo no coinciden con el terreno calificado |
| Tipo de almohadilla | NSMD por defecto; SMD solo con una razón indicada | Vida a fatiga de la unión frente a la adhesión de la almohadilla |
| Expansión de máscara | Máscara superpuesta en el cobre para cada BGA | Detecta la conversión accidental a SMD |
| Notas de fabricación | Componentes SMD listados por designador de referencia | Detiene los cambios de máscara durante la CAM |
| Bolas de esquina | Decidir sobre esquinas SMD, underfill o unión por esquinas | La flexión de la placa somete primero a tensión las esquinas |
| Estrés mecánico | Tornillos, conectores y separadores mantenidos alejados del paquete | El tipo de almohadilla por sí solo no soportará una flexión excesiva |
| Método de difusión | La diagonal menos el diámetro de la tierra deja espacio para el pad de la vía más la separación | Decide entre forma de hueso de perro y vía en pad |
| Vía tratamiento | Vía en pad especificada como rellenada, planarizada y con tapa de cobre | Los orificios abiertos o sin tapa provocan uniones pobres y vacíos |
| Aberturas del esténcil | Referenciado a la propia tierra (apertura de máscara para SMD, cobre para NSMD) | Cambios de referencia incorrectos modifican el volumen de pegado |
| Criterios de inspección | Límites de vacíos y clase de mano de obra indicados en el plano | La inspección sigue su especificación, no una suposición |
Preguntas frecuentes
Si cambio una huella de SMD a NSMD, ¿necesito una nueva plantilla?
Normalmente sí. Tanto el área soldable como la liberación de pasta cambian, así que volvemos a comprobar los tamaños de las aberturas cada vez que una revisión cambia el tipo de pad.
¿Qué acabado de superficie funciona mejor en las tierras BGA de paso fino?
Uno plano, como ENIG u OSP. El HASL deja una superficie abovedada que imprime mal a medida que disminuye el paso.
¿Qué les sucede a las almohadillas NSMD durante el retrabajo de BGA?
Se levantan más fácilmente, porque ningún enmascarado sujeta el borde de la almohadilla. Si esperas retrabajo en el campo, considera esquinas SMD.
¿Qué debe incluir una nota de fabricación para via-in-pad?
Según el tamaño del vía, el material de relleno, “planarizado y recubierto de cobre”, cualquier límite de hendidura y a qué partes o redes se aplica.
¿Es el uso de vías en la almohadilla más económico que añadir capas?
Para una sola BGA de paso fino, a menudo lo es; para varias matrices grandes, una pila HDI puede costar menos. Podemos presupuestar ambas a partir de los mismos Gerbers.
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