Elementi essenziali nella tecnologia di saldatura a rifusione per componenti BGA

BGA, acronimo di Ball Grid Array, sfrutta sfere di saldatura che fungono da pin sul retro della base. Il BGA è un tipo di package accettato dall’assemblaggio SMT (tecnologia a montaggio superficiale), utilizzato per LSI (large scale integration) con molti pin.

Categorie di package BGA

Finora, i package BGA possono essere classificati in tre categorie in base ai tipi di supporto: PBGA (plastic ball grid array), CBGA (ceramic ball grid array), TBGA (tape ball grid array).

• PBGA

Il PBGA posiziona le sfere di saldatura sulla base con le seguenti proprietà:
a. Presenta un'eccellente compatibilità di pressatura a caldo con la resina epossidica;
b. Le sfere di saldatura contribuiscono alla formazione dei giunti di saldatura, determinando una planarità flessibile di circa 250 μm;
c. Presenta costi contenuti;
d. Offre prestazioni elettriche eccellenti;
e. Può essere allineato con precisione al pad del PCB tramite il bordo del package.

• CBGA

Le sfere di saldatura appartenenti ai CBGA sono realizzate con saldatura ad alta temperatura, che viene poi collegata alla base ceramica tramite l’applicazione di una saldatura eutettica a basso punto di fusione (di solito 63Sn/Pb), la quale viene quindi utilizzata per collegare le sfere di saldatura al PCB (printed circuit board). I CBGA presentano le seguenti caratteristiche:
a. Presentano una maggiore affidabilità;
b. Presenta una buona coplanarità di circa 100 μm e le giunzioni di saldatura si formano facilmente;
c. Non sensibile all'umidità;
d. Presentano un'elevata densità di componenti;
e. A causa dei diversi coefficienti di dilatazione termica, il CBGA presenta una scarsa compatibilità nella pressatura a caldo con i circuiti stampati che utilizzano resina epossidica come substrato, per cui l’affaticamento dei giunti di saldatura è diventato il principale tipo di guasto del CBGA;
f. È difficile ottenere l’allineamento tra il bordo del package e il PCB, il che porta a un elevato costo di packaging.

• TBGA

Il TBGA è un tipo di package che sfrutta l’interconnessione a nastro per realizzare il collegamento tra chip, sfere di saldatura e PCB. Le caratteristiche del package TBGA includono:
a. Offre un buon abbinamento di pressatura a caldo con i PCB che utilizzano resina epossidica come materiale di substrato;
b. In grado di allinearsi con il pad del PCB tramite il bordo del package;
c. Presenta il costo più basso;
d. Sensibile sia all’umidità che al calore, il che può forse portare a una affidabilità relativamente bassa;

Sulla base della breve introduzione delle diverse categorie di package BGA, le caratteristiche dei componenti dei package BGA possono essere riassunte come segue:
a. Portare a un basso tasso di guasto;
b. Migliorare drasticamente i pin dei componenti riducendo al contempo le dimensioni del package, diminuendo l’area di applicazione della base;
c. Evidentemente risolve il problema della coplanarità e riduce notevolmente i danni coplanari;
d. Presentano pin solidi, il che è diverso dalla deformazione dei pin che si verifica nei QFP (quad flat package);
e. Includere pin corti che indichino che i percorsi successivi sono brevi, con induttanza e capacità parassite ridotte e prestazioni elettriche migliorate;
f. Favorisce la dissipazione termica;
g. Compatibile con i requisiti di packaging dei MCM (moduli multichip), consentendo di ottenere un’elevata densità e alte prestazioni dei MCM.

Tecnologia di saldatura a rifusione per BGA

Fondamentalmente, l’assemblaggio di package BGA è compatibile con la procedura di assemblaggio SMT. Per prima cosa, la pasta saldante viene stampata sulla matrice di pad sul PCB tramite l’uso di uno stencil oppure il flussante viene applicato sui pad. In secondo luogo, si utilizza una macchina pick and place per posizionare i componenti BGA sulla matrice di pad del PCB con allineamento completo. Successivamente, i componenti BGA passeranno attraverso la saldatura a rifusione nel forno di rifusione. A causa della particolarità dei componenti in package BGA, questo articolo discuterà la tecnologia di saldatura a rifusione prendendo come esempio il PBGA.

• Fase di preriscaldamento

La fase di preriscaldamento è solitamente composta da 2 a 4 zone di riscaldamento con una temperatura che aumenta costantemente fino a 150°C entro 2 minuti, in modo che le sostanze volatili nella pasta saldante possano evaporare. Di conseguenza, tali sostanze non causeranno schizzi di stagno né un surriscaldamento del supporto. Nel frattempo, la temperatura dei dispositivi sul PCB può diventare sufficientemente elevata per ottenere una buona bagnabilità della saldatura. È ottimale che l’aumento di temperatura raggiunga una velocità di 1,5°C al secondo.

• Fase di ammollo

L’obiettivo della fase di ammollo è ottenere una fusione a caldo sufficientemente completa e fare in modo che la temperatura di tutte le giunzioni di saldatura sul PCB sia il più possibile vicina alla temperatura di saldatura. Il grado di fusione a caldo determina direttamente la qualità di saldatura delle giunzioni. La temperatura dovrebbe essere mantenuta a circa 170°C per un periodo compreso tra 60 e 120 secondi.

• Fase di saldatura

Nella fase di saldatura, la temperatura dei giunti di saldatura deve salire rapidamente fino alla temperatura di saldatura. Il tempo di permanenza deve essere controllato nell’intervallo compreso tra 60 e 120 secondi quando la temperatura è superiore a 183°C. È preferibile impostare la temperatura massima nella fase di saldatura nell’intervallo tra 200°C e 210°C e la temperatura di picco dei componenti non dovrebbe superare i 220°C. È ottimale che la velocità di aumento della temperatura raggiunga da 2°C a 3°C al secondo.

• Fase di raffreddamento

La fase di raffreddamento comprende due modalità di raffreddamento: raffreddamento ad aria e raffreddamento naturale. Il tasso di raffreddamento ottimale deve rientrare nell’intervallo da 1°C a 3°C al secondo. Inoltre, la differenza di temperatura tra la superficie del componente e il fondo non deve superare i 7°C, altrimenti si verificherà un accumulo di tensioni termiche.

Poiché i componenti con package diversi presentano differenti velocità di assorbimento e dissipazione del calore, la velocità di aumento della temperatura nella fase di saldatura e la velocità di diminuzione della temperatura devono essere trattate in modo distinto.

La temperatura e la durata di ciascuna fase durante la procedura di saldatura a rifusione possono essere riassunte nella seguente tabella.

Va notato che questa tabella non può mai essere seguita completamente in tutte le situazioni. Si verificano differenze tra componenti, forni di saldatura a rifusione, PCB, ambiente di assemblaggio, esperienza di produzione degli operatori ecc., quindi parametri di impostazione più accurati dipendono dall’esperienza pratica di assemblaggio.

Ispezione dei componenti BGA

Una buona saldatura è solo metà del lavoro. Le giunzioni di saldatura non possono mai essere garantite come perfettamente realizzate se non vengono eseguite ispezioni. I package BGA nascondono i loro componenti sotto il corpo, quindi l’ispezione visiva difficilmente può funzionare. Inoltre, un’ispezione ottimale può solo rendere visibili le giunzioni di saldatura sul bordo, senza riuscire a fornire un risultato di ispezione completo e accurato. Di conseguenza, le giunzioni di saldatura BGA devono essere ispezionate tramite dispositivi di ispezione a raggi X. Sono disponibili due metodi per i dispositivi di ispezione a raggi X: l’ispezione in trasmissione e l’ispezione in sezione trasversale, entrambe in grado di rilevare ponti tra le giunzioni di saldatura e disallineamenti. In realtà, entrambi i metodi di ispezione si comportano in modo diverso in termini di capacità di ispezione della forma e delle dimensioni delle giunzioni di saldatura BGA.

• Ispezione a raggi X trasmessi

I raggi X trasmettono tutti i materiali ad alta densità in direzione verticale. Nel caso dei CBGA, le sfere di saldatura impediscono la formazione della saldatura eutettica a livello della stazione di saldatura e la saldatura eutettica a livello del componente tende a essere coperta dalle sfere di saldatura. Per quanto riguarda il package PBGA, l’immagine della saldatura a una stazione di saldatura tende a fermarsi al giunto di saldatura. Di conseguenza, l’ispezione a raggi X in trasmissione non riesce a individuare correttamente il difetto di saldatura insufficiente.

• Ispezione a raggi X della sezione trasversale

L’ispezione a sezione trasversale tramite raggi X può individuare difetti di connessione di saldatura e ottenere con precisione la forma dei giunti di saldatura BGA e le dimensioni critiche della sezione trasversale. L’ispezione dello spessore dell’anello circolare a livello di stazione di saldatura riflette la procedura di rifusione della saldatura o le variazioni della saldatura nella stazione stessa. L’ispezione del raggio a livello di stazione di saldatura indica le variazioni del volume di saldatura in una stazione, causate dalla tecnologia di stampa della pasta saldante o da un’eccessiva rifusione della saldatura. L’ispezione del raggio delle sfere di saldatura dimostra la coplanarità da giunto di saldatura a giunto di saldatura o da scheda a scheda.

La miniaturizzazione e le alte prestazioni sono tendenze di sviluppo essenziali per i prodotti elettronici, portando la densità di assemblaggio dei moduli di circuito ad aumentare costantemente. Di conseguenza, i microcomponenti ad alta integrità diventano diversificati e i loro metodi di assemblaggio avanzano di pari passo. Con il fiorire delle moderne tecnologie di packaging, la tecnologia di package BGA si sta evolvendo verso μBGA e MCM. In quanto tipo di componenti ad assemblaggio ad alta densità, è necessario applicare diverse temperature di saldatura compatibili con i differenti requisiti di package. Purché gli elementi essenziali vengano presi attentamente in considerazione durante la saldatura a rifusione BGA, l’affidabilità dei componenti BGA e dell’assemblaggio SMT può essere pienamente garantita.

La tecnologia Ball Grid Array (BGA) è essenziale nell’elettronica moderna per creare assemblaggi compatti, efficienti e ad alte prestazioni. Grazie all’impiego di tecniche avanzate di saldatura a rifusione e di cicli di ispezione accurati, i package BGA garantiscono connessioni robuste e funzionalità avanzate in una vasta gamma di applicazioni, soddisfacendo le esigenze di miniaturizzazione e di elevata affidabilità dei prodotti elettronici.

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Risorse utili
•Quattro passaggi per conoscere il BGA
•Un'introduzione alla tecnologia di packaging BGA
•Una breve introduzione ai tipi di package BGA
•Fattori che influenzano la qualità dell’assemblaggio BGA
•Alcuni metodi adatti agli ingegneri per ottenere giunti di saldatura ottimali nel processo di assemblaggio SMT BGA