Application de la technologie de montage en surface (SMT) sur les boîtiers à matrice de billes (BGA)

La technologie de montage en surface (SMT) joue un rôle essentiel dans la miniaturisation et l’allègement des produits électroniques. Dans le domaine des boîtiers électroniques à grand nombre de broches, les QFP (quad flat packages) ont longtemps occupé une position dominante ; il s’agit d’un type de boîtier de circuit intégré (CI) monté en surface, doté de pattes en « aile de mouette » s’étendant depuis chacun des quatre côtés. Cependant, avec le développement rapide de la technologie des circuits intégrés à semi-conducteurs et de la microfabrication, le nombre de portes des CI et le nombre de broches d’E/S augmentent constamment, tandis que les fonctions des produits électroniques se multiplient et que leur volume ne cesse de diminuer. Par conséquent, l’application des QFP ne peut plus répondre aux exigences de développement des produits électroniques. Bien que la technologie QFP progresse elle aussi en continu et soit capable de traiter des composants avec un pas aussi faible que 0,3 mm, la réduction du pas diminue dans une certaine mesure le taux de réussite de l’assemblage. Pour résoudre efficacement ce problème, la technologie BGA (ball grid array) est apparue et a suscité une large attention dans l’industrie.

Qu’est-ce que le BGA ?

En tant que type relativement nouveau de composants montés en surface (SMD), le BGA présente des broches en forme de billes disposées en matrices au bas du boîtier. Les composants BGA peuvent avoir un grand pas entre les broches et un nombre élevé de broches. De plus, les composants BGA peuvent être assemblés sur des circuits imprimés (PCB, printed circuit boards) grâce à l’application de la technologie SMT.

Structure et propriétés des BGA

En tant que nouveau type de boîtiers CMS, le BGA dérive du PGA (pin grid array) et est généralement composé d’une cavité centrale, d’un socle, de conducteurs, d’un couvercle et de broches en forme de bille. Les caractéristiques du BGA incluent :
• Nombre de broches plus élevé. À taille de boîtier SMD identique, un BGA peut comporter davantage de broches. En général, un composant BGA possède plus de 400 broches en forme de billes. Par exemple, un BGA d’une surface de 32 mm × 32 mm peut comporter jusqu’à 576 broches, tandis qu’un QFP de même surface ne peut en accueillir que 184.
• Zone d’assemblage plus petiteAvec le même nombre de broches, le BGA occupe une plus petite surface d’assemblage. Par exemple, lorsqu’un QFP de 304 broches est comparé à un BGA de 313 broches, bien que ce dernier comporte davantage de broches, il occupe une surface inférieure d’un tiers.
• Hauteur d’assemblage inférieure. La hauteur d’assemblage du BGA est inférieure à la somme de l’épaisseur du boîtier et de la hauteur des billes de soudure. Par exemple, la hauteur d’un QFP à 208 broches ou 304 broches est de 3,78 mm, tandis que celle d’un BGA à 225 ou 313 broches n’est que de 2,13 mm. De plus, la hauteur d’assemblage du BGA sera réduite après le brasage, car ses billes de soudure fondront pendant cette opération.
• Pas de broche plus large. Selon la norme physique pour les BGA publiée par la JEDEC, le pas entre les billes de soudure dans un BGA doit être de : 1,5 mm, 1,27 mm ou 1,0 mm. Avec la même taille de boîtier et le même nombre de broches, le pas des broches pour un QFP est de 0,5 mm tandis que celui pour un BGA est de 1,5 mm.
• Excellente dissipation thermique. La température des circuits à boîtier BGA est plus proche de celle de l’environnement et la température de fonctionnement des puces est plus basse que celle de tout autre composant CMS.
• Compatibilité avec le SMT. Le boîtier BGA est compatible avec la technologie SMT standard. De plus, comme les composants BGA présentent un pas de broches plus large et une excellente coplanarité, les broches ne subissent pas de problème de flexion et la technologie d’assemblage correspondante est plus simple que pour les autres montages CMS avec broches.
• Meilleures performances électriquesComme les composants BGA possèdent des broches plus courtes et une intégrité d’assemblage plus élevée, ils offrent de meilleures performances électriques, ce qui est particulièrement vrai lorsqu’ils sont utilisés dans des plages de fréquences plus élevées.
• Coût de fabrication inférieurComme les boîtiers BGA occupent une plus petite surface d’assemblage et permettent une densité d’assemblage plus élevée, le coût de fabrication sera réduit. En particulier, à mesure que la production de boîtiers BGA augmente et qu’ils sont plus largement utilisés, la réduction du coût de fabrication deviendra évidente.
• Fiabilité accrue et moins de défauts de qualitéComme les billes de soudure sur les boîtiers BGA réalisent la soudure, les billes de soudure en fusion s’alignent automatiquement grâce à la tension de surface. Même si une erreur de 50 % se produit entre les billes de soudure et le plot, on peut obtenir un excellent effet de soudure.

En dépit de certains avantages évidents des boîtiers BGA, certains inconvénients apparaîtront lors de l’assemblage SMT, notamment :
• Les soudures sont difficiles à inspecterL’inspection des joints de soudure nécessite un équipement d’inspection par rayons X, ce qui entraîne des coûts plus élevés.
• Il reste davantage de difficultés à surmonter pour la retouche BGA. Étant donné que les composants BGA sont assemblés sur le circuit imprimé au moyen de billes de soudure disposées en matrice, la retouche sera plus difficile.
• Les boîtiers BGA partiels sont tellement sensibles à l’humidité qu’une déshumidification est nécessaire avant leur utilisation.

Comparaison entre QFP et BGA

Dans cette partie, le QFP et le BGA seront comparés au moyen de plusieurs tableaux en termes de densité d’interconnexion, de pas de broche, de nombre de broches et de taux de défauts d’assemblage.

Tableau 1 Comparaison de la densité d’interconnexion entre QFP et BGA

Tableau 2 Comparaison du pas et du nombre de broches entre QFP et BGA

Tableau 3 Comparaison du taux de défauts d’assemblage entre QFP et BGA

Tableau 4 Comparaison de la structure des broches entre QFP et BGA (Remarque : √ - Excellent ; Ο - Bon ; Δ - Ordinaire)

Comparaison entre QFP et BGA

Comparé àassemblage SMT traditionnel, Les boîtiers BGA offrent une technologie d’assemblage plus simple grâce à leur large pas de broches et à l’excellente coplanarité de celles-ci. Les exigences d’assemblage des BGA seront abordées ci-dessous dans cette partie.

• Principe d’étanchéité à l’humidité pour BGA

Certains composants BGA sont tellement sensibles à l’humidité, en raison de la résine époxy présente dans l’adhésif à l’intérieur de la chambre centrale du BGA, qu’ils ont tendance à absorber l’humidité au quotidien, laquelle sera ensuite vaporisée, générant de fortes contraintes à l’intérieur de la résine époxy. La vapeur d’eau provoquera la formation de bulles à la base inférieure, entraînant des fissures entre la chambre centrale et la base. Il est donc nécessaire d’effectuer une déshumidification avant l’utilisation des composants BGA. Grâce aux progrès constants de la technologie et à la préoccupation croissante des utilisateurs pour la déshumidification, certains boîtiers BGA ont atteint un niveau de sensibilité à l’humidité qualifié et peuvent être exposés pendant 48 heures dans un environnement de 30 °C et 60 % HR sans formation de fissures lors du brasage. Certains composants BGA, comme les CBGA (ceramic ball grid array), ne sont plus sensibles à l’humidité. Par conséquent, les procédures de déshumidification doivent être mises en œuvre pour les BGA en fonction de leur classification, ainsi que de la température et de l’humidité ambiantes. De plus, la déshumidification doit être effectuée conformément aux instructions relatives au boîtier et à la durée de stockage.

• Revêtement et impression de billes de soudure BGA

Les billes de soudure BGA ont généralement une hauteur de 25 mm*0,0254 mm et un diamètre de 30 mm*0,0254 mm. Différents types de composants BGA présentent différentes compositions d’alliage. De manière générale, les TBGA, CBGA et CGA dépendent d’un soudage à haut point de fusion, tandis que la majorité des BGA utilisent un soudage à bas point de fusion. Les billes de soudure à haute température sont principalement utilisées pour empêcher un affaissement excessif des billes de soudure. Le revêtement et l’impression des billes de soudure BGA désignent le procédé par lequel du flux ou de la pâte à braser est appliqué sur les billes de soudure qui seront ensuite fixées au PCB, afin d’éliminer l’oxyde sur le pad et de permettre la formation de bonnes connexions entre les billes de soudure et le PCB grâce à la fusion de la soudure.

• Montage BGA

Grâce à un pas de broches plus large, les composants BGA sont plus facilement montés sur les circuits imprimés. Jusqu’à présent, certains monteurs avancés peuvent poser des composants BGA. De plus, comme les composants BGA peuvent s’auto-aligner et qu’une erreur allant jusqu’à 50 % reste acceptable, la précision de montage n’a pas besoin d’être strictement contrôlée.

• Brasage par refusion de BGA

Dans un four de refusion, le BGA est chauffé avec des billes de soudure ou de la pâte à braser fondues pour former les connexions. Pour obtenir d’excellentes connexions, il est nécessaire d’optimiser la courbe de température à l’intérieur du four, et la méthode d’optimisation est équivalente à celle des autres CMS. Il convient de noter qu’il faut connaître la composition des billes de soudure afin de déterminer la courbe de température de refusion.

• Inspection BGA

L’inspection BGA couvre l’inspection de la qualité de soudure et l’inspection fonctionnelle. La première fait référence à l’inspection de la qualité de soudure des billes de soudure et des pastilles du PCB. Le mode de disposition du BGA complique l’inspection visuelle et nécessite une inspection par rayons X. L’inspection fonctionnelle doit être réalisée sur des dispositifs en ligne, ce qui équivaut à un test CMS avec d’autres types de boîtiers.

• Reprise BGA

Comme pour l’inspection des BGA, il est tout aussi difficile d’effectuer des retouches sur les BGA et des outils et équipements de retouche professionnels sont nécessaires. Au cours du processus de retouche, les BGA défectueux doivent d’abord être retirés, puis des modifications doivent être apportées aux pastilles du PCB avec application de flux. Les nouveaux BGA nécessitent un prétraitement et une soudure immédiate doit être effectuée.

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