Composants BGA et leurs technologies de soudure dans l’assemblage SMT

Classifications et propriétés des composants BGA

• Classifications des composants BGA

En fonction des différents matériaux d’emballage, les composants BGA peuvent être classés dans les types suivants : PBGA (plastic ball grid array), CBGA (ceramic ball grid array), CCGA (ceramic column grid array), TBGA (tape ball grid array) et CSP (chip-scale package). Voici un article qui donnedétails concernant les avantages et les inconvénients de ces types de composants BGA.

• Propriétés des composants BGA

Les principales caractéristiques des composants BGA comprennent :
a. L’entraxe des E/S est si grand qu’un plus grand nombre d’E/S peut être intégré dans la même zone.
b. Fiabilité d’emballage plus élevée, taux de défauts des joints de soudure plus faible et fiabilité des joints de soudure accrue.
c. L’alignement des puces QFP (quad flat package) est généralement réalisé par observation visuelle effectuée par les opérateurs, et il est difficile d’assurer l’alignement et la soudure. En revanche, il est plus facile de mettre en œuvre l’alignement et la soudure sur les composants BGA en raison du pas de broches relativement important.
d. Il est plus facile d’effectuer l’impression de pâte à braser à travers un pochoir sur les composants BGA.
e. Les broches BGA sont stables et présentent une meilleure planéité que le boîtier QFP, car l’erreur de planéité peut être automatiquement compensée entre la puce et le PCB (carte de circuit imprimé) après la fusion des billes de soudure.
f. Lors du processus de soudage, la tension entre les joints de soudure entraînera un fort auto-alignement qui permet une erreur de précision de montage de 50 %.
g. Dotés d’excellentes propriétés électriques, les composants BGA permettent d’obtenir d’excellentes performances en fréquence.
h. Les composants BGA offrent de meilleures performances en termes de dissipation thermique.

Naturellement, en plus des avantages, les composants BGA présentent également des inconvénients. L’un des principaux inconvénients est qu’il est difficile d’inspecter la qualité des joints de soudure, ce qui dépend d’équipements AXI (inspection automatisée par rayons X) et AOI (inspection optique automatisée) capables d’observer l’écrasement des billes de soudure. Bien sûr, le coût et la difficulté de l’inspection augmentent également.

Environnement de stockage et d’application des composants BGA

Les composants BGA sont un type de composants extrêmement sensibles à l’humidité et à la chaleur ; ils doivent donc être stockés dans un environnement sec à température constante. De plus, les opérateurs doivent se conformer rigoureusement au procédé technologique d’exploitation afin d’éviter que les composants ne subissent des effets néfastes avant l’assemblage. De manière générale, l’environnement de stockage optimal pour les composants BGA se situe dans une plage de température de 20 °C à 25 °C avec une humidité inférieure à 10 % HR. En outre, il est préférable de les stocker sous gaz azote.

En général, après l’ouverture des emballages de composants BGA, ils ne doivent jamais être exposés à l’air pendant une longue période au cours des opérations d’assemblage et de soudure, afin d’éviter que la mauvaise qualité des composants ne conduise à une dégradation de la qualité de soudure. Une fois les emballages des composants BGA ouverts, ils doivent être entièrement utilisés dans un délai de 8 heures dans un environnement de travail ≤30 °C/60 %HR. Lorsque les composants sont stockés sous azote, le temps d’utilisation peut être prolongé dans une certaine mesure.

Il est extrêmement courant de constater que les composants BGA ne sont pas entièrement utilisés une fois que leurs emballages ont été ouverts lors de l’assemblage SMT (technologie de montage en surface). Les composants BGA doivent être soumis à une opération de cuisson avant leur prochaine utilisation afin de préserver leur excellente soudabilité. La température de cuisson est généralement maintenue à 125 °C. La relation entre le temps de cuisson et l’épaisseur de l’emballage peut être résumée dans le tableau ci-dessous.

Une température de cuisson trop élevée entraînera une modification de la structure métallographique au niveau de la liaison entre les billes de soudure et les composants. Un décollement a tendance à se produire entre les billes de soudure et le boîtier des composants, ce qui réduit la qualité de l’assemblage SMT. Lorsque la température de cuisson est trop basse, la déshumidification ne peut pas être obtenue. Les composants BGA peuvent être assemblés après cuisson et un refroidissement de 30 minutes en environnement naturel.

Technologies de soudure des composants BGA

Les technologies d’assemblage des composants BGA sont fondamentalement compatibles avec la technologie SMT. Les principales étapes de brasage comprennent l’impression de pâte à braser sur le réseau de pastilles au moyen d’un pochoir, l’alignement des composants BGA sur le réseau de pastilles, puis le brasage par refusion des composants BGA. Dans la suite de cet article, une brève introduction au procédé de brasage des PBGA sera présentée.

• Impression de pâte à braser

La qualité de la pâte à braser joue un rôle clé dans l’influence de la qualité de soudure. Les aspects suivants doivent être pris en compte lors du choix de la pâte à braser : excellente imprimabilité, excellente soudabilité et faible teneur en contaminants.

Le diamètre des particules de la pâte à braser doit être compatible avec le pas des broches des composants. En général, plus le pas des broches est petit, plus le diamètre des particules de la pâte à braser doit être réduit, et meilleure sera la qualité d’impression. Mais ce n’est jamais aussi simple, car une pâte à braser avec un diamètre de particules plus grand conduit à une qualité de brasage plus élevée que celle avec un diamètre de particules plus petit. Par conséquent, il convient de prendre en compte des considérations globales lors du choix de la pâte à braser. Étant donné que les composants BGA présentent un pas fin, il est approprié de sélectionner une pâte à braser avec un diamètre de particules inférieur à 45 μm afin de garantir un excellent effet d’impression et de brasage.

Le pochoir utilisé pour l’impression de la pâte à braser est fabriqué en acier inoxydable. Étant donné que les composants BGA présentent un pas fin, l’épaisseur du pochoir doit être limitée à la plage courante de 0,12 mm à 0,15 mm. L’ouverture du pochoir est généralement déterminée par les composants et il est courant que cette ouverture soit plus petite que le pad et soit réalisée par découpe laser.

Au cours du processus d’impression, une racle en acier inoxydable à 60 degrés est utilisée, dont la pression d’impression est contrôlée dans une plage de 35 N à 100 N. Une pression trop élevée ou trop faible est défavorable à l’impression. La vitesse d’impression est contrôlée dans une plage de 10 mm/s à 25 mm/s. Plus le pas d’ouverture est petit, plus l’impression sera lente. En outre, la température ambiante de fonctionnement doit être d’environ 25 °C et l’humidité comprise entre 55 % et 75 % HR. Les cartes PCB après l’impression de la pâte à braser doivent entrer dans le four de refusion dans les 30 minutes suivant l’impression de la pâte à braser afin d’éviter que celle-ci ne soit exposée à l’air trop longtemps, ce qui réduirait la qualité du produit.

• Montage des composants

L’objectif essentiel du montage est d’aligner chaque bille de soudure des composants BGA avec chaque pastille sur le circuit imprimé (PCB). Comme les broches des composants BGA sont trop courtes pour être facilement visibles à l’œil nu, il convient d’utiliser des équipements spécialisés pour obtenir un alignement précis. À ce jour, les principaux équipements permettant un alignement précis comprennent les stations de retouche BGA/CSP et les machines de pose de composants, parmi lesquelles la précision des machines de pose atteint environ 0,001 mm. Grâce à la reconnaissance par miroir, les composants BGA peuvent être montés avec précision sur le réseau de pastilles du circuit imprimé.

Néanmoins, les composants BGA ne permettent pas de garantir à 100 % l’excellence des billes de soudure par reconnaissance miroir, et certaines billes de soudure sur l’axe Z peuvent être plus petites que les autres. Pour garantir une excellente soudabilité, la hauteur des composants BGA peut être réduite de 25,41 μm à 50,8 μm et un système de vide à arrêt différé est appliqué pendant 400 ms. Lorsque les billes de soudure et la pâte à braser sont totalement en contact, la soudure avec vides des composants BGA peut être réduite.

• Brasage par refusion

La refusion est la phase la plus difficile à contrôler dans le processus d’assemblage BGA, ainsi l’obtention d’une courbe de refusion optimale est un élément clé contribuant à une excellente soudure BGA. La courbe de refusion comporte quatre phases : préchauffage, trempage, refusion et refroidissement. La température et la durée de ces quatre phases peuvent être respectivement définies et modifiées afin d’obtenir un résultat de soudure optimal.

• Reprise BGA

La retouche de BGA après soudure est effectuée sur une station de retouche BGA capable de souder et de retoucher de manière indépendante une puce BGA sans affecter les composants adjacents. Par conséquent, une buse de refusion à air chaud de taille appropriée peut être sélectionnée pour couvrir la puce BGA afin de faciliter la soudure.

Inspection de la qualité de soudure des composants BGA

Le BGA, forme abrégée de boîtier à billes (ball grid array), contient des billes de soudure sous les composants, et la qualité de ces billes de soudure est difficilement évaluable sans dispositifs d’inspection spécifiques. L’inspection visuelle seule ne permet pas de déterminer la qualité de soudure des joints. Jusqu’à présent, les dispositifs d’inspection de la qualité de soudure des BGA sont des appareils d’inspection par rayons X, classés en deux catégories : 2D et 5D.

Les dispositifs d’inspection par rayons X 2D peuvent contrôler, à faible coût, les défauts de soudure tels que les fissures, les manques, les ponts, les désalignements et les quantités de soudure insuffisantes. Néanmoins, un inconvénient majeur des dispositifs d’inspection par rayons X 2D est qu’il est parfois un peu difficile de distinguer de quel côté se trouve l’image d’un composant lorsque deux images se chevauchent. Cet inconvénient peut être surmonté lorsqu’on utilise un dispositif d’inspection par rayons X 5D, mais avec un coût plus élevé.

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Chez PCBCart, chaque composant BGA doit être inspecté avant deAssemblage SMTafin d’obtenir des performances optimales lorsqu’ils contribuent à la mise en œuvre des fonctions des produits finaux. Vous pouvez compter sur l’AOI et/ou l’AXI pour garantir la qualité de vos composants BGA. Pour plus d’informations sur nos principes d’inspection des composants et nos règles de gestion de la chaîne d’approvisionnement, veuillezcontactez-nous.

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Ressources utiles
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