La technologie à trous traversants (THT), qui a commencé à prospérer avec les circuits intégrés (IC) dans les années 60, a été progressivement remplacée par la première génération de SMT (technologie de montage en surface), apparue dès les années 80 avec le développement rapide des LSI à la fin des années 70. Les boîtiers périphériques sont devenus le courant dominant des boîtiers électroniques, avec le QFP (quad flat package) comme exemple. Les années 90 ont vu l’apparition du pas fin pour les QFP, ce qui a posé de nombreux défis à la technologie d’assemblage des cartes. Malgré l’avènement de la technologie à pas fin (FPT), l’assemblage de circuits au niveau carte avec un pas inférieur à 0,4 mm présente encore de nombreux problèmes techniques à résoudre. En tant que solution optimale, la deuxième génération de SMT a été lancée au début des années 90, à savoir le boîtier BGA (ball grid array). Ensuite, le boîtier de type chip-scale package (CSP) est devenu le centre d’intérêt dans les années 1990. En particulier lorsque la technologie flip chip (FC) est utilisée, le PBGA (plastic ball grid array) commence à être appliqué dans les superordinateurs et les stations de travail et devient progressivement pratique. La troisième génération de SMT est l’assemblage direct de puce (DCA), qui n’est utilisée que dans des domaines spécifiques en raison de limitations en termes de fiabilité, de coût et de KGD, etc. Ces dernières années ont vu l’intégration de l’encapsulation au niveau de la tranche (WLP) et de la technologie FC avancée dans la troisième génération de SMT, afin de répondre aux exigences des semi-conducteurs en matière de multipoints de connexion et de hautes performances. Par conséquent, on peut en conclure que les boîtiers IC au 21stle siècle évoluera vers des tendances de haute densité, de pas fin, de grande flexibilité, de haute fiabilité et de diversité. Par conséquent, il est très important de connaître la différence entre le QFP et le BGA ainsi que leur tendance de développement.
Le PQFP présente évidemment des avantages concurrentiels sur le marché de l’encapsulation de circuits intégrés. De nos jours, l’encapsulation électronique évolue vers les boîtiers BGA, CSP et les QFP à pas ultra-fin en raison de leur forte valeur ajoutée. Avec l’augmentation constante du nombre de broches, si celui-ci dépasse 200 avec un espacement inférieur à 0,5 mm, l’espacement est d’environ 0,3 mm pour les boîtiers à 300 broches. Plus l’espacement entre les broches est réduit, plus les pertes de produits augmentent de façon exponentielle. À mesure que l’espacement diminue, les ponts de soudure se produisent plus facilement. Si l’espacement est de 0,3 mm, même quelques particules de diamètre inférieur à 15 μm provoqueront la formation de billes de soudure, cause fréquente de pontage. Il devient encore plus important de contrôler la taille des particules de la pâte à braser. Dès que l’espacement entre les broches diminue, il est essentiel de maîtriser la planéité des broches et les tolérances d’espacement. En ce qui concerne le QFP, une taille (40 mm2), le nombre de broches (360) et le pas (0,3 mm) ont atteint une limite.
De toute évidence, le QFP est si facile à tester et à retoucher que toutes les broches du QFP sont visibles.
• Comparaison entre BGA et QFP
Les composants BGA typiques sont si robustes qu’ils peuvent encore être utilisés pour l’assemblage même s’ils tombent accidentellement sur le sol, ce qui est impossible pour les PQFP dans une certaine mesure. L’avantage essentiel des boîtiers BGA réside dans leur forme en matrice et, de manière générale, les composants BGA sont capables de fournir plus d’E/S dans la même unité de surface que les composants QFP. Dès que le nombre d’E/S dépasse 250, l’espace occupé par les BGA est toujours plus réduit que celui des QFP. Comme le BGA présente généralement un pas plus large que le QFP, les composants BGA sont plus faciles à monter, ce qui permet d’obtenir une efficacité relativement élevée. Lorsque les défauts liés au boîtier sont testés avant l’assemblage, le taux de défaillance à l’assemblage peut être inférieur à 1 ppm. Jusqu’à présent, le plus grand défi rencontré par l’assemblage BGA réside dans les problèmes de défauts associés aux boîtiers, qui proviennent probablement de billes de soudure manquantes, de la sensibilité à l’humidité, de collisions pendant le transport et d’un gauchissement excessif lors de la refusion. Il existe un écart important en termes de taille des billes de soudure, qui correspond à un écart de volume deux à trois fois supérieur entre les billes de soudure. Des billes de soudure à double couche peuvent éventuellement exister à l’emplacement du joint de soudure, ainsi que des défauts liés à la métallisation, tels qu’une soudure insuffisante entre les billes de soudure et le plot du composant. En raison de la technique, l’assemblage BGA permet d’atteindre le taux de défauts (ppm) le plus faible.
La structure des boîtiers BGA comporte des connexions plus courtes que celles des QFP ayant des fonctions et des performances équivalentes, ce qui confère aux boîtiers BGA d’excellentes performances électriques. Cependant, le principal défaut de la structure BGA réside dans son coût. Le BGA présente un coût plus élevé que le QFP en termes de carte laminée et de coût de résine liés au substrat supportant les composants. La résine BT, la céramique et le support en résine polyimide contiennent des composants de base plus coûteux, tandis que le QFP utilise une résine de moulage plastique et une structure de broches en tôle métallique à faible coût. Le support matriciel présente un coût assez élevé en raison des circuits à lignes fines et de la technologie de traitement chimique. En outre, en comparaison des boîtiers QFP et BGA, des matrices de formage et des presses de moulage à haut rendement peuvent être utilisées avec moins d’étapes techniques d’assemblage. Une fois la production de masse mise en œuvre, le coût des boîtiers BGA sera réduit, mais il ne pourra pas baisser au niveau de celui des QFP.
En ce qui concerne le coût des boîtiers BGA, les boîtiers BGA avec un nombre approprié de broches d’E/S seront les plus répandus. Ce type de boîtier contient tous les circuits sur le côté du support de boîtier et ne comporte pas de trous traversants normalisés. Ainsi, un coût supplémentaire doit être supporté par le boîtier BGA. Cependant, l’efficacité d’assemblage extrêmement élevée des boîtiers BGA peut en partie compenser localement leur désavantage de coût élevé. Du point de vue de la valeur économique, lorsque le nombre de broches d’E/S est inférieur à 200, le QFP convient. Lorsque le nombre de broches d’E/S dépasse 200, le QFP ne convient plus et plusieurs types de boîtiers BGA peuvent être utilisés, ce qui conduit à la large gamme d’applications des boîtiers BGA.
• Inspection et retouche des boîtiers BGA
L’inspection et la retouche des BGA constituent également un type de technologie qui arrive progressivement à maturité. Bien qu’il soit possible de les inspecter, les BGA nécessitent des équipements de haute précision tels qu’un système d’imagerie par rayons X.
Les composants BGA dissimulent leurs connexions sous les boîtiers, ce qui rend les retouches plus difficiles que pour les composants dont les broches se trouvent en périphérie. Les principaux problèmes liés à la retouche des BGA incluent : dommages sur les pièces démontables, dommages sur les pièces de remplacement, surchauffe de la carte et des composants adjacents, gauchissement de la carte dû au chauffage localisé, ainsi que le nettoyage et la fabrication de certaines pièces. Les retouches doivent prendre en compte les points suivants : température de la puce, répartition de la température des composants pendant la période de retouche et répartition de la température de la carte. Si tous les équipements nécessaires doivent être achetés, une station de retouche BGA sera coûteuse pour les raisons suivantes :
a. Il est impossible de modifier uniquement un défaut de court-circuit ou de circuit ouvert, et une retouche doit être effectuée sur tous les défauts d’assemblage du BGA.
b. La reprise est plus difficile à mettre en œuvre que le QFP, ce qui nécessite des investissements supplémentaires en équipements.
c. Les composants BGA après retouche ne peuvent plus être utilisés, tandis que les composants QFP le peuvent.
Par conséquent, la production de masse de boîtiers BGA découle de la réduction des défauts d’assemblage, garantissant un taux de réussite élevé.
• Nettoyage des boîtiers BGA
L’inconvénient majeur des boîtiers BGA réside dans leur incapacité à éliminer le flux restant sous la face inférieure des boîtiers matriciels. Jusqu’à présent, la taille des composants BGA avec un nombre élevé de broches est d’environ 45 mm². Par conséquent, le problème de nettoyage devient particulièrement important. Le nettoyage des BGA exige que tout le flux et toute la pâte à braser soient entièrement éliminés, car ils peuvent éventuellement provoquer une défaillance électrique ou une fuite de signal vers la masse dans les applications de forte puissance.
On peut prévoir que le PQFP avec un nombre de broches inférieur à 200 sera la principale technologie de boîtier. Lorsque le nombre de broches dépasse 350, il est impossible que le QFP soit largement utilisé. Deux types de technologies de boîtier sont disponibles comme concurrentes pour les composants ayant de 200 à 300 broches d’E/S. Par conséquent, la technologie de boîtier QFP avec un pas inférieur à 0,5 mm sera définitivement remplacée par les boîtiers BGA.
PCBCart possède plus de vingt ans d’expérience dans la fabrication et l’assemblage de circuits imprimés sur mesure pour des entreprises de toutes tailles, et nous avons une riche expérience de collaboration avec les Makers et les OEM. Quelle que soit la technologie requise pour votre projet d’assemblage de PCB, nous pouvons assembler vos circuits imprimés exactement comme vous l’attendez. Cliquez sur le bouton ci-dessous pour obtenir gratuitement un devis d’assemblage de circuits !
Demande de devis pour l’assemblage de circuits imprimés
Ressources utiles
•Historique de la technologie d’emballage à haute densité
•Introduction à la technologie d’emballage SMT
•Une introduction à la technologie d’encapsulation BGA
•Brève introduction aux types de boîtiers BGA
•Facteurs influençant la qualité de l’assemblage BGA
