Componentes BGA y sus tecnologías de soldadura en el ensamblaje SMT

Clasificaciones y propiedades de los componentes BGA

• Clasificaciones de los componentes BGA

Según los diferentes materiales de encapsulado, los componentes BGA pueden clasificarse en los siguientes tipos: PBGA (matriz de bolas de plástico), CBGA (matriz de bolas de cerámica), CCGA (matriz de columnas de cerámica), TBGA (matriz de bolas sobre cinta) y CSP (encapsulado a escala de chip). Aquí hay un artículo que ofrecedetalles sobre las ventajas y desventajas de esos tipos de componentes BGA.

• Propiedades de los componentes BGA

Las principales propiedades que poseen los componentes BGA incluyen:
a. El paso de los terminales de E/S es tan grande que se puede alojar una mayor cantidad de E/S dentro de la misma área.
b. Mayor fiabilidad del encapsulado, menor tasa de defectos en las uniones de soldadura y mayor fiabilidad de las uniones de soldadura.
c. La alineación de los chips QFP (quad flat package) suele lograrse mediante observación visual realizada por los operadores y resulta difícil tanto la alineación como la soldadura. Sin embargo, es más fácil implementar la alineación y la soldadura en componentes BGA debido al paso de pines relativamente grande.
d. Es más fácil realizar la impresión de pasta de soldadura mediante esténcil en componentes BGA.
e. Los pines BGA son estables y presentan una mejor planitud que el encapsulado QFP porque el error de planitud puede compensarse automáticamente entre el chip y la PCB (placa de circuito impreso) después de la fusión de las esferas de soldadura.
f. Durante el proceso de soldadura, la tensión entre las uniones de soldadura dará lugar a una alta autoalineación que permite un error de precisión de montaje del 50%.
g. Con excelentes propiedades eléctricas, los componentes BGA permiten obtener excelentes prestaciones en frecuencia.
h. Los componentes BGA tienen un mejor rendimiento en cuanto a disipación térmica.

Naturalmente, además de las ventajas, los componentes BGA también presentan desventajas. Una de las principales desventajas es que resulta difícil inspeccionar la calidad de las uniones de soldadura, lo que depende de equipos AXI (inspección automatizada por rayos X) y AOI (inspección óptica automatizada) capaces de observar el colapso de las esferas de soldadura. Por supuesto, el costo y la dificultad de la inspección también aumentan.

Entorno de almacenamiento y aplicación de componentes BGA

Los componentes BGA son un tipo de componentes altamente sensibles a la humedad y a la temperatura, por lo que deben almacenarse en un entorno seco con temperatura constante. Además, los operarios deben cumplir rigurosamente el proceso tecnológico de operación para evitar que los componentes sufran efectos adversos antes del ensamblaje. En términos generales, el entorno de almacenamiento óptimo para los componentes BGA se encuentra dentro del rango de temperatura de 20 °C a 25 °C, con una humedad inferior al 10 % HR. Además, lo mejor es almacenarlos en gas nitrógeno.

Generalmente, después de abrir los empaques de componentes BGA, nunca deben exponerse al aire durante mucho tiempo durante el proceso de ensamblaje y soldadura para evitar que los componentes provoquen una reducción de la calidad de la soldadura debido a su baja calidad. Una vez que se abren los empaques de los componentes BGA, deben consumirse en un plazo de 8 horas en un entorno de operación de ≤30°C/60%HR. Cuando los componentes se almacenan en nitrógeno, el tiempo de aplicación puede prolongarse hasta cierto punto.

Es extremadamente común observar que los componentes BGA no se consumen por completo una vez que sus empaques se abren durante el ensamblaje SMT (tecnología de montaje superficial). Los componentes BGA deben hornearse antes de su siguiente uso para recuperar su excelente soldabilidad. La temperatura de horneado suele mantenerse en 125 °C. La relación entre el tiempo de horneado y el grosor del empaque puede resumirse en la siguiente tabla.

Una temperatura de horneado demasiado alta provocará una modificación de la estructura metalográfica en la unión entre las esferas de soldadura y los componentes. Tiende a generarse desprendimiento entre las esferas de soldadura y el encapsulado de los componentes, lo que reduce la calidad del ensamblaje SMT. Cuando la temperatura de horneado es demasiado baja, no se logra la deshumidificación. Los componentes BGA pueden ensamblarse después del horneado y de un enfriamiento de 30 minutos en un entorno natural.

Tecnologías de soldadura de componentes BGA

Las tecnologías de ensamblaje de componentes BGA son fundamentalmente compatibles con la SMT. Las fases principales de soldadura incluyen la impresión de pasta de soldadura sobre la matriz de pads mediante esténcil y la alineación de los componentes BGA con la matriz de pads, así como la soldadura por refusión de los componentes BGA. En el resto de este artículo, se proporcionará una breve introducción al proceso de soldadura PBGA.

• Impresión de pasta de soldadura

La calidad de la pasta de soldadura desempeña un papel clave en la afectación de la calidad de la soldadura. Al seleccionar la pasta de soldadura, se deben considerar los siguientes aspectos: excelente capacidad de impresión, excelente soldabilidad y menor contenido de contaminantes.

El diámetro de partícula de la pasta de soldadura debe ser compatible con el paso de las patillas de los componentes. En general, cuanto menor es el paso de las patillas, menor debe ser el diámetro de partícula de la pasta de soldadura y mejor será la calidad de la impresión. Pero nunca es tan simple, ya que la pasta de soldadura con un diámetro de partícula mayor conduce a una calidad de soldadura más alta que la de diámetro de partícula menor. Por lo tanto, deben hacerse consideraciones integrales al determinar la pasta de soldadura. Debido a que los componentes BGA presentan paso fino, es adecuado seleccionar una pasta de soldadura con un diámetro de partícula inferior a 45 μm para garantizar un excelente efecto de impresión y de soldadura.

La plantilla utilizada para la impresión de pasta de soldadura está hecha de material de acero inoxidable. Dado que los componentes BGA presentan paso fino, el grosor de la plantilla debe limitarse dentro del rango común de 0,12 mm a 0,15 mm. La abertura de la plantilla suele estar determinada por los componentes y es común que la abertura de la plantilla sea más pequeña que la almohadilla y se genere mediante corte por láser.

Durante el proceso de impresión, se aplica una rasqueta metálica de acero inoxidable con un ángulo de 60 grados, cuya presión de impresión se controla dentro del rango de 35 N a 100 N. Una presión demasiado alta o demasiado baja es perjudicial para la impresión. La velocidad de impresión se controla dentro del rango de 10 mm/s a 25 mm/s. Cuanto menor sea el paso de apertura, más lenta será la impresión. Además, se requiere que la temperatura ambiente de operación sea de aproximadamente 25 °C y la humedad esté en el rango de 55 % a 75 % HR. Las placas PCB, después de la impresión de la pasta de soldadura, deben entrar en el horno de refusión 30 minutos después de la impresión de la pasta de soldadura para evitar que la pasta de soldadura quede expuesta al aire durante mucho tiempo, lo que reduciría la calidad del producto.

• Montaje de componentes

El objetivo esencial del montaje es lograr que cada bola de soldadura de los componentes BGA se alinee con cada pad en la placa PCB. Debido a que los pines de los componentes BGA son demasiado cortos para ser vistos fácilmente a simple vista, se debe utilizar equipo especializado para lograr una alineación precisa. Hasta ahora, el equipo principal para una alineación precisa incluye la estación de retrabajo BGA/CSP y la montadora de chips, entre los cuales la precisión de la montadora de chips alcanza aproximadamente 0,001 mm. Con el uso de reconocimiento por espejo, los componentes BGA pueden montarse con precisión sobre la matriz de pads en la placa de circuito.

Sin embargo, los componentes BGA no pueden garantizar al 100% esferas de soldadura perfectas mediante el reconocimiento por espejo y algunas esferas de soldadura en el eje Z pueden ser más pequeñas que otras. Para garantizar una excelente soldabilidad, la altura de los componentes BGA puede reducirse entre 25,41 μm y 50,8 μm y se aplica un sistema de vacío con apagado retardado durante 400 ms. Con las esferas de soldadura y la pasta de soldadura en contacto total, se puede reducir la soldadura con vacíos en los componentes BGA.

• Soldadura por refusión

La soldadura por refusión es la fase de control más difícil en el proceso de ensamblaje de BGA, por lo que lograr una curva de soldadura por refusión óptima es un elemento clave que contribuye a una excelente soldadura BGA. La curva de soldadura por refusión contiene cuatro fases: precalentamiento, remojo, refusión y enfriamiento. La temperatura y el tiempo de las cuatro fases pueden establecerse y modificarse respectivamente para obtener un resultado de soldadura óptimo.

• Retrabajo de BGA

La retrabajación de BGA después de la soldadura se realiza en una estación de retrabajo BGA que puede soldar y retrabajar de forma independiente un chip BGA sin afectar a los componentes adyacentes. Por lo tanto, se puede seleccionar una boquilla de refusión de aire caliente de tamaño adecuado para cubrir el chip BGA y facilitar la soldadura.

Inspección de calidad de soldadura de componentes BGA

BGA, como forma abreviada de encapsulado de matriz de rejilla de bolas, contiene esferas de soldadura bajo los componentes y la calidad de estas esferas difícilmente puede conocerse sin dispositivos de inspección específicos. La inspección visual por sí sola no permite determinar la calidad de soldadura de las uniones. Hasta ahora, los dispositivos de inspección para la evaluación de la calidad de soldadura de BGA son equipos de inspección por rayos X que se clasifican en dos categorías: 2D y 5D.

Los dispositivos de inspección por rayos X 2D pueden inspeccionar problemas de soldadura como grietas, ausencias, puentes, desalineaciones y soldadura insuficiente a bajo costo. No obstante, una desventaja principal de los dispositivos de inspección por rayos X 2D es que a veces resulta un poco difícil distinguir a qué lado corresponde la imagen de un componente cuando dos imágenes se superponen. Esta desventaja puede superarse cuando se utiliza un dispositivo de inspección por rayos X 5D, solo que con un costo más elevado.

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