Éléments essentiels de la technologie de refusion pour les composants BGA

Le BGA, abréviation de Ball Grid Array, utilise des billes de soudure qui jouent le rôle de broches à l’arrière du substrat. Le BGA est un type de boîtier compatible avec l’assemblage SMT (technologie de montage en surface), utilisé pour les LSI (intégration à grande échelle) à broches multiples.

Catégories de boîtiers BGA

Jusqu’à présent, les boîtiers BGA peuvent être classés en trois catégories selon le type de base : PBGA (plastic ball grid array), CBGA (ceramic ball grid array), TBGA (tape ball grid array).

• PBGA

Le PBGA place des billes de soudure sur la base avec les propriétés suivantes :
a. Présente une excellente compatibilité de pressage à chaud avec la résine époxy ;
b. Les billes de soudure contribuent à la formation des joints de soudure, ce qui permet une coplanarité flexible d’environ 250 μm ;
c. Se caractérise par un faible coût ;
d. Présente d’excellentes performances électriques ;
e. Peut être précisément aligné avec le pad du PCB via le bord du boîtier.

• CBGA

Les billes de soudure appartenant au CBGA sont fabriquées à partir d’une brasure à haute température, puis reliées à la base céramique par l’application d’une brasure eutectique à bas point de fusion (généralement 63Sn/Pb), qui est ensuite utilisée pour connecter les billes de soudure au PCB (carte de circuit imprimé). Le CBGA présente les caractéristiques suivantes :
a. Présenter une fiabilité supérieure ;
b. Présente une bonne coplanarité d’environ 100 μm et les joints de soudure sont facilement générés ;
c. Non sensible à l’humidité ;
d. Présenter une densité d’emballage élevée;
e. En raison des différents coefficients de dilatation thermique, le CBGA présente une mauvaise compatibilité au pressage à chaud avec les cartes PCB utilisant la résine époxy comme substrat, de sorte que la fatigue des joints de soudure est devenue le principal mode de défaillance du CBGA ;
f. Il est difficile d’aligner le bord du boîtier avec le PCB, ce qui entraîne un coût d’emballage élevé.

• TBGA

Le TBGA est un type de boîtier tirant parti de l’interconnexion sur bande pour réaliser la connexion entre la puce, les billes de soudure et le PCB. Les caractéristiques du boîtier TBGA comprennent :
a. Offre une bonne compatibilité de pressage à chaud avec les PCB utilisant la résine époxy comme matériau de substrat ;
b. Capable de s’aligner avec le pad du PCB via le bord du boîtier ;
c. Présente le coût le plus bas ;
d. Sensible à la fois à l’humidité et à la chaleur, ce qui peut entraîner une fiabilité relativement faible ;

Sur la base de la brève introduction des différentes catégories de boîtiers BGA, les caractéristiques des composants de boîtier BGA peuvent être résumées comme suit :
a. Conduire à un faible taux de défaillance ;
b. Améliorer considérablement les broches des composants tout en réduisant la taille du boîtier, ce qui diminue la surface d’application de la base ;
c. Éliminer clairement le problème de coplanarité et réduire considérablement les dommages coplanaires ;
d. Présentent des broches pleines, ce qui est différent de la déformation des broches qui se produit sur les boîtiers QFP (quad flat package) ;
e. Inclure de courtes broches indiquant que les trajets sont ensuite courts, avec une inductance et une capacité de liaison réduites et des performances électriques améliorées ;
f. Bénéfique pour la dissipation thermique ;
g. Compatible avec les exigences d’encapsulation des MCM (modules multichips), permettant d’atteindre une haute densité et de hautes performances pour les MCM.

Technologie de brasage par refusion pour BGA

Fondamentalement, l’assemblage de boîtiers BGA est compatible avec la procédure d’assemblage SMT. Tout d’abord, la pâte à braser est imprimée sur le réseau de pastilles du PCB à l’aide d’un pochoir, ou bien un flux est appliqué sur les pastilles. Ensuite, une machine de placement automatique est utilisée pour positionner les composants BGA sur le réseau de pastilles du PCB avec un alignement parfait. Puis, les composants BGA passent par le brasage par refusion dans un four de refusion. En raison de la particularité des composants en boîtier BGA, cet article abordera la technologie de brasage par refusion en prenant le PBGA comme exemple.

• Phase de préchauffage

La phase de préchauffage est généralement composée de 2 à 4 zones de chauffage, avec une température augmentant constamment jusqu’à 150 °C en l’espace de 2 minutes, afin que les substances volatiles contenues dans la pâte à braser puissent se volatiliser. Ainsi, ces substances n’entraîneront ni éclaboussures de soudure ni surchauffe du support. Parallèlement, la température des composants du PCB peut être suffisamment élevée pour permettre d’atteindre la mouillabilité de la soudure. Il est optimal que la montée en température atteigne un taux de 1,5 °C par seconde.

• Phase de trempage

L’objectif de la phase de trempage est d’obtenir une fusion à chaud suffisante et de faire en sorte que la température de toutes les soudures sur le PCB soit aussi proche que possible de la température de brasage. Le degré de fusion à chaud détermine directement la qualité de brasage des soudures. La température doit être maintenue à environ 170 °C pendant 60 à 120 secondes.

• Phase de soudure

Lors de la phase de soudure, la température des joints de soudure doit rapidement atteindre la température de soudage. La durée doit être maintenue dans une plage de 60 à 120 secondes lorsque la température dépasse 183 °C. Il est préférable de régler la température maximale de la phase de soudure dans une plage de 200 °C à 210 °C et la température de pointe des composants ne doit pas dépasser 220 °C. Il est optimal que la vitesse de montée en température atteigne de 2 °C à 3 °C par seconde.

• Phase de refroidissement

La phase de refroidissement comprend deux modes de refroidissement : le refroidissement à l’air et le refroidissement naturel. Il est optimal que la vitesse de refroidissement se situe dans une plage de 1 °C à 3 °C par seconde. De plus, la différence de température entre la surface du composant et le fond ne doit pas dépasser 7 °C, faute de quoi une accumulation de contraintes thermiques se produira.

Étant donné que les composants avec des boîtiers différents présentent des vitesses d’absorption et de dissipation thermique différentes, la vitesse de montée en température lors de la phase de soudage et la vitesse de descente en température doivent être traitées de manière distincte.

La température et la durée de chaque phase pendant la procédure de refusion par soudure peuvent être résumées dans le tableau suivant.

Il convient de noter que ce tableau ne peut jamais être totalement respecté dans toutes les situations. Des différences existent entre les composants, les fours de refusion, les circuits imprimés, l’environnement d’assemblage, l’expérience de fabrication des opérateurs, etc., de sorte que des paramètres de réglage plus précis dépendent de l’expérience pratique en assemblage.

Inspection des composants BGA

Une bonne soudure n’est qu’à moitié réalisée. On ne peut jamais garantir que les joints de soudure sont parfaitement réalisés sans mettre en œuvre des inspections. Les boîtiers BGA dissimulent leurs composants sous leur corps, de sorte que l’inspection visuelle fonctionne difficilement. De plus, une inspection optimale ne peut exposer que les joints de soudure situés au bord, ce qui ne permet pas d’obtenir un résultat d’inspection complet et précis. Par conséquent, les joints de soudure BGA doivent être inspectés à l’aide de dispositifs d’inspection par rayons X. Deux méthodes sont disponibles pour les dispositifs d’inspection par rayons X : l’inspection par transmission et l’inspection en coupe, qui sont toutes deux capables de détecter les ponts entre les joints de soudure et les défauts de désalignement. En réalité, ces deux méthodes d’inspection présentent des performances différentes en termes de capacités d’inspection de la forme et de la taille des joints de soudure BGA.

• Inspection par rayons X transmis

Les rayons X traversent tous les matériaux de haute densité dans une direction verticale. En ce qui concerne les boîtiers CBGA, les billes de soudure empêchent la formation de soudure eutectique au niveau de la station de brasage, et la soudure eutectique au niveau du composant a tendance à être recouverte par les billes de soudure. Pour ce qui est du boîtier PBGA, l’image de la soudure au niveau de la station de brasage a tendance à s’arrêter au niveau du joint de soudure. Par conséquent, l’inspection par transmission aux rayons X ne parvient pas à détecter correctement le défaut de soudure insuffisante.

• Inspection de sections transversales par rayons X

L’inspection de sections transversales par rayons X permet d’examiner les défauts de connexion de brasure et d’obtenir avec précision la forme des joints de brasure BGA ainsi que les dimensions critiques de la section transversale. L’inspection de l’épaisseur de l’anneau circulaire au niveau d’une station de brasage reflète le procédé de refusion de la brasure ou l’évolution de la brasure à cette station. L’inspection du rayon au niveau d’une station de brasage indique les variations du volume de brasure à cette station, causées par la technologie d’impression de la pâte à braser ou par un excès de brasure lors de la refusion. L’inspection du rayon des billes de brasure met en évidence la coplanarité d’un joint de brasure à l’autre ou d’une carte à l’autre.

La miniaturisation et les hautes performances sont des tendances de développement essentielles pour les produits électroniques, ce qui entraîne une augmentation constante de la densité d’assemblage des modules de circuits. Par conséquent, les microcomposants à haute intégrité se diversifient et leurs méthodes d’assemblage évoluent également. Avec l’essor des technologies d’encapsulation modernes, la technologie de boîtier BGA évolue vers le μBGA et le MCM. En tant que type de composants à assemblage haute densité, différentes températures de brasage doivent être appliquées afin d’être compatibles avec les différentes exigences d’encapsulation. Tant que les éléments essentiels sont soigneusement pris en compte lors du brasage par refusion des BGA, la fiabilité des composants BGA et de l’assemblage SMT peut être pleinement garantie.

La technologie Ball Grid Array (BGA) est essentielle dans l’électronique moderne pour créer des assemblages compacts, efficaces et haute performance. En employant des techniques avancées de brasage par refusion et des cycles d’inspection précis, les boîtiers BGA offrent des connexions robustes et une fonctionnalité améliorée dans diverses applications, répondant aux besoins de miniaturisation et de haute fiabilité des produits électroniques.

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Ressources utiles
•Quatre étapes pour connaître le BGA
•Une introduction à la technologie d’encapsulation BGA
•Brève introduction aux types de boîtiers BGA
•Facteurs influençant la qualité de l’assemblage BGA
•Quelques méthodes adaptées aux ingénieurs pour obtenir des joints de soudure optimaux dans le procédé d’assemblage SMT BGA