Componenti BGA e relative tecnologie di saldatura nell’assemblaggio SMT

Classificazioni e proprietà dei componenti BGA

• Classificazioni dei componenti BGA

In base ai diversi materiali di incapsulamento, i componenti BGA possono essere classificati nei seguenti tipi: PBGA (plastic ball grid array), CBGA (ceramic ball grid array), CCGA (ceramic column grid array), TBGA (tape ball grid array) e CSP (chip-scale package). Ecco un articolo che forniscedettagli relativi ai vantaggi e agli svantaggi di tali tipi di componenti BGA.

• Proprietà dei componenti BGA

Le principali caratteristiche dei componenti BGA includono:
a. Il passo dei lead di I/O è così grande che è possibile alloggiare un numero maggiore di I/O nella stessa area.
b. Maggiore affidabilità dell’imballaggio, minore tasso di difetti delle giunzioni saldate e maggiore affidabilità delle giunzioni saldate.
c. L’allineamento dei chip QFP (quad flat package) viene solitamente ottenuto tramite osservazione visiva effettuata dagli operatori ed è difficile sia per l’allineamento che per la saldatura. Tuttavia, è più semplice eseguire l’allineamento e la saldatura sui componenti BGA grazie al passo dei pin relativamente ampio.
d. È più facile eseguire la stampa della pasta saldante tramite stencil sui componenti BGA.
e. I pin BGA sono stabili con una planarità migliore rispetto al package QFP perché l’errore di planarità può essere automaticamente compensato tra il chip e il PCB (printed circuit board) dopo la fusione delle sferette di saldatura.
f. Durante il processo di saldatura, la tensione tra i giunti di saldatura porterà a un elevato autoallineamento che consente un errore di precisione di montaggio del 50%.
g. Grazie alle eccellenti proprietà elettriche, i componenti BGA rendono possibile ottenere prestazioni di frequenza eccellenti.
h. I componenti BGA offrono prestazioni migliori in termini di dissipazione termica.

Naturalmente, oltre ai vantaggi, i componenti BGA presentano anche degli svantaggi. Uno dei principali svantaggi è che è difficile ispezionare la qualità dei giunti di saldatura, il che dipende da apparecchiature AXI (ispezione automatizzata a raggi X) e AOI (ispezione ottica automatizzata) in grado di osservare il collasso delle sferette di saldatura. Naturalmente, anche i costi e la difficoltà dell’ispezione aumentano.

Ambiente di stoccaggio e di applicazione dei componenti BGA

I componenti BGA sono un tipo di componenti altamente sensibili all’umidità e alla temperatura, quindi devono essere conservati in un ambiente asciutto a temperatura costante. Inoltre, gli operatori devono attenersi rigorosamente al processo tecnologico operativo per evitare che i componenti subiscano effetti negativi prima dell’assemblaggio. In generale, l’ambiente di stoccaggio ottimale per i componenti BGA prevede una temperatura compresa tra 20°C e 25°C con umidità inferiore al 10% RH. Inoltre, è preferibile che vengano conservati in atmosfera di azoto.

In generale, dopo l’apertura delle confezioni dei componenti BGA, questi non devono mai essere esposti all’aria per lungo tempo durante i processi di assemblaggio e saldatura, al fine di evitare che la loro scarsa qualità porti a un peggioramento della qualità di saldatura. Una volta aperte le confezioni dei componenti BGA, essi devono essere utilizzati entro 8 ore in un ambiente operativo di ≤30°C/60%RH. Quando i componenti sono conservati in azoto, il tempo di utilizzo può essere prolungato in una certa misura.

È estremamente comune vedere che i componenti BGA non vengano utilizzati completamente una volta che le loro confezioni sono state aperte durante l’assemblaggio SMT (tecnologia a montaggio superficiale). I componenti BGA devono essere sottoposti a baking prima del loro successivo utilizzo per preservare la loro eccellente saldabilità. La temperatura di baking di solito si mantiene a 125°C. La relazione tra il tempo di baking e lo spessore del package può essere riassunta nella tabella seguente.

Una temperatura di cottura troppo elevata porterà a una modifica della struttura metallografica nel punto di connessione tra le sfere di saldatura e i componenti. Si tende a generare un distacco tra le sfere di saldatura e l’involucro del componente, con conseguente diminuzione della qualità dell’assemblaggio SMT. Quando la temperatura di cottura è troppo bassa, la deumidificazione non può essere ottenuta. I componenti BGA possono essere assemblati dopo la cottura e un raffreddamento di 30 minuti in ambiente naturale.

Tecnologie di saldatura dei componenti BGA

Le tecnologie di assemblaggio dei componenti BGA sono fondamentalmente compatibili con l’SMT. Le principali fasi di saldatura comprendono la stampa della pasta saldante sulla matrice di pad tramite stencil e l’allineamento dei componenti BGA alla matrice di pad, seguiti dalla saldatura a rifusione dei componenti BGA. Nel resto di questo articolo verrà fornita una breve introduzione al processo di saldatura PBGA.

• Stampa della pasta saldante

La qualità della pasta saldante svolge un ruolo fondamentale nell’influenzare la qualità della saldatura. Nella selezione della pasta saldante occorre considerare i seguenti aspetti: eccellente stampabilità, eccellente saldabilità e minore contenuto di contaminanti.

Il diametro delle particelle della pasta saldante deve essere compatibile con il passo dei terminali dei componenti. In generale, quanto più piccolo è il passo dei terminali, tanto più piccolo deve essere il diametro delle particelle della pasta saldante e migliore sarà la qualità di stampa. Tuttavia, non è mai così semplice, poiché una pasta saldante con un diametro di particella maggiore porta a una qualità di saldatura superiore rispetto a quella con un diametro di particella minore. Pertanto, è necessario effettuare valutazioni complessive nella scelta della pasta saldante. Poiché i componenti BGA sono caratterizzati da un passo fine, è opportuno selezionare una pasta saldante con diametro delle particelle inferiore a 45 μm per garantire un eccellente effetto di stampa e di saldatura.

Il telaio utilizzato per la stampa della pasta saldante è realizzato in materiale inox. Poiché i componenti BGA presentano un passo fine, lo spessore dello stencil dovrebbe essere limitato al comune intervallo compreso tra 0,12 mm e 0,15 mm. L’apertura dello stencil è solitamente determinata dai componenti ed è comune che l’apertura dello stencil sia più piccola del pad e venga realizzata tramite taglio laser.

Durante il processo di stampa viene utilizzata una spatola metallica in acciaio inox con angolo di 60 gradi, la cui pressione di stampa è controllata nell’intervallo da 35 N a 100 N. Una pressione troppo alta o troppo bassa è sfavorevole alla stampa. La velocità di stampa è controllata nell’intervallo da 10 mm/s a 25 mm/s. Quanto minore è il passo di apertura, tanto più lenta sarà la stampa. Inoltre, la temperatura ambientale di esercizio deve essere di circa 25 °C e l’umidità compresa tra il 55% e il 75% RH. Le schede PCB dopo la stampa della pasta saldante devono entrare nel forno di rifusione entro 30 minuti dalla stampa, per evitare che la pasta saldante rimanga esposta all’aria per troppo tempo con conseguente riduzione della qualità del prodotto.

• Montaggio dei componenti

L’obiettivo essenziale del montaggio è allineare ciascuna sfera di saldatura dei componenti BGA con ciascun pad sulla scheda PCB. Poiché i pin dei componenti BGA sono troppo corti per essere facilmente visibili a occhio nudo, è necessario utilizzare apparecchiature specializzate per ottenere un allineamento accurato. Finora, le principali apparecchiature per l’allineamento preciso includono le stazioni di rilavorazione BGA/CSP e le macchine di montaggio chip, tra le quali la precisione della macchina di montaggio chip raggiunge circa 0,001 mm. Con l’ausilio del riconoscimento tramite specchio, i componenti BGA possono essere montati con precisione sulla matrice di pad sulla scheda elettronica.

Tuttavia, i componenti BGA non riescono a garantire il 100% di sfere di saldatura perfette tramite il riconoscimento a specchio e alcune sfere di saldatura sull’asse Z possono risultare più piccole rispetto alle altre. Per garantire un’eccellente saldabilità, l’altezza dei componenti BGA può essere ridotta da 25,41 μm a 50,8 μm e viene applicato un sistema di vuoto con spegnimento ritardato per 400 ms. Con il contatto completo tra sfere di saldatura e pasta saldante, è possibile ridurre la formazione di vuoti di saldatura nei componenti BGA.

• Saldatura a rifusione

La saldatura a rifusione è la fase più difficile da controllare nel processo di assemblaggio BGA, quindi il conseguimento di un profilo di rifusione ottimale è un elemento chiave che contribuisce a un’eccellente saldatura BGA. Il profilo di saldatura a rifusione comprende quattro fasi: preriscaldo, ammollo, rifusione e raffreddamento. La temperatura e il tempo delle quattro fasi possono essere rispettivamente impostati e modificati in modo che si possa ottenere un risultato di saldatura ottimale.

• Rilavorazione BGA

Il rilavoro BGA dopo la saldatura viene eseguito su una stazione di rilavoro BGA che può saldare e rilavorare in modo indipendente su un chip BGA senza influenzare i componenti adiacenti. Pertanto, è possibile selezionare un ugello di rifusione ad aria calda di dimensioni adeguate per coprire il chip BGA, al fine di agevolare la saldatura.

Ispezione della qualità di saldatura dei componenti BGA

Il BGA, come forma abbreviata di packaging a matrice di sfere (ball grid array), contiene sfere di saldatura sotto i componenti e la qualità di queste sfere di saldatura è difficilmente conoscibile senza dispositivi di ispezione specifici. La sola ispezione visiva non è in grado di valutare la qualità di saldatura dei giunti. Fino ad ora, i dispositivi di ispezione per il controllo della qualità di saldatura dei BGA sono dispositivi di ispezione a raggi X che sono classificati in due categorie: 2D e 5D.

I dispositivi di ispezione a raggi X 2D possono controllare difetti di saldatura come crepe, mancanze, ponti, disallineamenti e saldature insufficienti a basso costo. Tuttavia, uno svantaggio principale dei dispositivi di ispezione a raggi X 2D è che a volte è un po’ difficile distinguere da quale lato si riferisca l’immagine di un componente se due immagini sono sovrapposte. Questo svantaggio può essere superato quando si utilizza un dispositivo di ispezione a raggi X 5D, sebbene con un costo più elevato.

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