Applicazione della tecnologia a montaggio superficiale (SMT) sui package a matrice di sfere (BGA)

La tecnologia a montaggio superficiale (SMT) svolge un ruolo essenziale nel guidare i prodotti elettronici verso la miniaturizzazione e la leggerezza. Nel campo dei package elettronici ad alto numero di pin, un tempo hanno avuto un ruolo di primo piano i QFP (quad flat package), che sono un tipo di package per circuiti integrati (IC) a montaggio superficiale con terminali a “gabbiano” che si estendono da ciascuno dei quattro lati. Tuttavia, con il rapido sviluppo della tecnologia dei semiconduttori integrati e della tecnologia di microfabbricazione, il numero di porte degli IC e il numero di terminali di I/O aumentano sempre di più, mentre le funzioni dei prodotti elettronici crescono e il loro volume si riduce costantemente. Pertanto, l’applicazione dei QFP non può più soddisfare i requisiti di sviluppo dei prodotti elettronici. Sebbene la tecnologia QFP stia anch’essa compiendo continui progressi ed è in grado di gestire componenti con passo fino a 0,3 mm, la riduzione del passo fa diminuire in una certa misura il tasso di resa in assemblaggio. Per risolvere con successo questo problema, è nata la tecnologia BGA (ball grid array), che ha ricevuto un’ampia attenzione da parte dell’industria.

Che cos'è il BGA?

In quanto tipo relativamente nuovo di dispositivo a montaggio superficiale (SMD), il BGA presenta terminali a forma di sfera disposti in array sul lato inferiore del package. I componenti BGA possono avere un ampio passo tra i pin e un numero elevato di pin. Inoltre, i componenti BGA possono essere assemblati su PCB (printed circuit boards, ovvero circuiti stampati) tramite l’applicazione della tecnologia SMT.

Struttura e proprietà del BGA

Come nuovo tipo di SMD, il BGA deriva dal PGA (pin grid array) ed è generalmente composto da cavità centrale, base, terminali, coperchio e pin a forma di sfera. Le caratteristiche del BGA includono:
• Numero maggiore di pin. A parità di dimensioni del package degli SMD, un BGA può avere un numero maggiore di pin. In genere, un componente BGA dispone di oltre 400 pin a forma di sfera. Ad esempio, un BGA con un’area di 32 mm*32 mm può avere fino a 576 pin, mentre un QFP con la stessa area può contenerne solo 184.
• Area di assemblaggio più piccola. Con lo stesso numero di pin, il BGA occupa un’area di assemblaggio più piccola. Ad esempio, confrontando un QFP con 304 pin con un BGA con 313 pin, sebbene quest’ultimo abbia più pin, esso occupa un’area inferiore di un terzo.
• Altezza di assemblaggio inferiore. L'altezza di assemblaggio del BGA è inferiore alla somma dello spessore del package e dell'altezza delle sferette di saldatura. Ad esempio, l'altezza di un QFP con 208 pin o 304 pin è di 3,78 mm, mentre quella di un BGA con 225 o 313 pin è di soli 2,13 mm. Inoltre, l'altezza di assemblaggio del BGA si ridurrà dopo la saldatura poiché le sue sferette di saldatura si fonderanno durante il processo.
• Passo dei pin più ampio. In base allo standard fisico per BGA rilasciato da JEDEC, il passo tra le sferette di saldatura nel BGA dovrebbe essere: 1,5 mm, 1,27 mm o 1,0 mm. Con le stesse dimensioni del package e lo stesso numero di pin, il passo dei pin per il QFP è 0,5 mm mentre quello per il BGA è 1,5 mm.
• Eccellente dissipazione termica. La temperatura dei circuiti con package BGA è più vicina a quella dell’ambiente e la temperatura di lavoro dei chip è inferiore a quella di qualsiasi altro SMD.
• Compatibilità con SMT. Il package BGA è compatibile con l’SMT standard. Inoltre, poiché i componenti BGA presentano un passo dei pin maggiore e un’eccellente coplanarità, i pin non subiranno problemi di piegatura e la relativa tecnologia di assemblaggio è più semplice rispetto ad altri assemblaggi SMD con terminali.
• Migliori prestazioni elettrichePoiché i componenti BGA hanno pin più corti e una maggiore integrità di assemblaggio, offrono prestazioni elettriche migliori, il che è particolarmente vero quando vengono utilizzati in un intervallo di frequenze più elevato.
• Costi di produzione inferioriPoiché i package BGA occupano un’area di assemblaggio minore e consentono una densità di assemblaggio più elevata, il costo di produzione sarà ridotto. In particolare, con l’aumento della produzione dei package BGA e il loro impiego più diffuso, la riduzione dei costi di produzione sarà evidente.
• Maggiore affidabilità e meno difetti di qualitàPoiché le sfere di saldatura sui package BGA realizzano la saldatura, le sfere di saldatura in fusione si allineano automaticamente grazie alla tensione superficiale. Anche se si verifica un errore del 50% tra le sfere di saldatura e il pad, è comunque possibile ottenere un eccellente effetto di saldatura.

Nonostante alcuni evidenti vantaggi dei package BGA, durante l’assemblaggio SMT emergeranno alcuni svantaggi, tra cui:
• È difficile ispezionare le giunzioni di saldaturaL'ispezione dei giunti di saldatura richiede apparecchiature di ispezione a raggi X, il che comporta costi più elevati.
• È necessario superare maggiori difficoltà nel rework BGAPoiché i componenti BGA sono assemblati sul circuito stampato tramite sfere di saldatura distribuite in matrice, il rilavoro risulterà più difficile.
• I package BGA parziali sono così sensibili all'umidità che è necessaria la deumidificazione prima del loro impiego.

Confronto tra QFP e BGA

In questa parte, QFP e BGA saranno confrontati tramite alcune tabelle in termini di densità di interconnessione, passo dei pin, numero di pin e tasso di difetti di assemblaggio.

Tabella 1 Confronto della densità di interconnessione tra QFP e BGA

Tabella 2 Confronto del passo dei pin e del numero di pin tra QFP e BGA

Tabella 3 Confronto del tasso di difetti di assemblaggio tra QFP e BGA

Tabella 4 Confronto della struttura dei terminali tra QFP e BGA (Nota: √ - Eccellente; Ο - Buono; Δ - Normale)

Confronto tra QFP e BGA

Rispetto aassemblaggio SMT tradizionale, i BGA offrono una tecnologia di assemblaggio più semplice grazie al loro ampio passo dei pin e all’eccellente coplanarità dei pin. I requisiti di assemblaggio dei BGA saranno discussi di seguito in questa sezione.

• Principio di protezione dall'umidità per BGA

Alcuni componenti BGA sono così sensibili all’umidità a causa della resina epossidica presente nell’adesivo all’interno della camera centrale del BGA, che tende ad assorbire umidità nella vita quotidiana e che verrà poi vaporizzata generando un forte stress all’interno della resina epossidica. Il vapore acqueo causerà la formazione di bolle alla base inferiore, portando a crepe tra la camera centrale e la base. Pertanto, è necessario effettuare la deumidificazione prima dell’utilizzo dei componenti BGA. Grazie al costante progresso della tecnologia e alla crescente attenzione delle persone alla deumidificazione, alcuni package BGA hanno raggiunto un livello qualificato di sensibilità all’umidità e possono essere lasciati per 48 ore in un ambiente a 30°C e 60% di umidità relativa senza che si generino crepe durante la saldatura. Alcuni componenti BGA, ad esempio i CBGA (ceramic ball grid array), non sono più sensibili all’umidità. Di conseguenza, le procedure di deumidificazione devono essere applicate ai BGA in base alla loro classificazione, alla temperatura ambientale e all’umidità. Inoltre, la deumidificazione deve essere eseguita secondo le istruzioni del package e la durata di conservazione.

• Rivestimento e stampa di sfere di saldatura BGA

Le sfere di saldatura BGA sono solitamente alte 25 mm*0,0254 mm con un diametro di 30 mm*0,0254 mm. Diversi tipi di componenti BGA presentano differenti composizioni di lega. In generale, TBGA, CBGA e CGA si basano su saldature ad alto punto di fusione, mentre la maggior parte dei BGA utilizza saldature a basso punto di fusione. Le sfere di saldatura ad alta temperatura vengono applicate principalmente per evitare che le sfere di saldatura collassino eccessivamente. Il rivestimento e la stampa delle sfere di saldatura BGA si riferiscono al processo in cui il flussante o la pasta saldante vengono applicati sulle sfere di saldatura che verranno poi fissate al PCB, con l’obiettivo di eliminare l’ossido sul pad e consentire la creazione di buone connessioni tra le sfere di saldatura e il PCB tramite la saldatura fusa.

• Montaggio BGA

Grazie al passo dei pin più ampio, i componenti BGA sono montati più facilmente sulla scheda PCB. Fino ad ora, alcuni montatori avanzati possono montare componenti BGA. Inoltre, poiché i componenti BGA possono autoallinearsi e persino con un errore del 50% è ancora possibile ottenere un montaggio corretto, la precisione di montaggio non sarà regolamentata in modo rigoroso.

• Saldatura a rifusione di BGA

Nel forno di saldatura a rifusione, il BGA viene riscaldato con le sfere di saldatura o con la pasta saldante fusa per formare i collegamenti. Per ottenere collegamenti eccellenti, è necessario ottimizzare la curva di temperatura all’interno del forno e il metodo di ottimizzazione è equivalente a quello degli altri SMD. Vale la pena notare che la composizione delle sfere di saldatura deve essere nota per poter determinare la curva di temperatura della saldatura a rifusione.

• Ispezione BGA

L’ispezione BGA copre l’ispezione della qualità di saldatura e l’ispezione funzionale. La prima si riferisce al controllo della qualità di saldatura delle sfere di saldatura e dei pad sul PCB. La modalità di disposizione del BGA rende più difficile l’ispezione visiva e richiede l’ispezione a raggi X. L’ispezione funzionale deve essere eseguita sui dispositivi in linea, equivalente al test SMD con altri tipi di package.

• Rilavorazione BGA

Analogamente all’ispezione BGA, è altrettanto difficile eseguire il rework sui BGA ed è necessario disporre di strumenti e attrezzature professionali per il rework. Nel processo di rework, è necessario innanzitutto rimuovere i BGA danneggiati e poi effettuare le modifiche al pad del PCB con l’applicazione di flussante. I nuovi BGA richiedono una pre-elaborazione e deve essere eseguita una saldatura immediata.

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•Problemi delle sfere di saldatura dei componenti BGA e come evitarli