Analyse des défauts et amélioration du processus des joints de soudure BGA

Introduction

Le packaging Ball Grid Array (BGA) est devenu une technologie cruciale dans l’industrie électronique, en particulier depuis son introduction au début des années 1990. Cette méthode de conditionnement est devenue nécessaire à mesure que le nombre de broches de dispositif dans les boîtiers à plomb traditionnels augmentait, entraînant une diminution significative de l'espacement des broches. Cela a entraîné des défis en termes de fabricabilité et de fiabilité lors du soudage des appareils, avec un espacement minimal atteignant aussi bas que 0.3 mm (12 mil). Pour résoudre ces problèmes, la technologie BGA a été développée, permettant un nombre de broches plus élevé par rapport aux boîtiers Quad Flat Packages (QFP) de taille similaire.

Les appareils BGA s'appuient sur des billes de soudure situées sous la puce pour servir de broches. Le pas plus grand de ces billes de soudure facilite l'assemblage, améliorant considérablement les taux de qualification de soudure et les taux de réussite dès la première fois.

Deux types courants de boîtiers BGA sont les BGA plastiques (PBGA), fréquemment utilisés dans les produits grand public et de communication, et les BGA céramiques ( CBGA), employés dans les applications militaires. La composition des billes de soudure comprend souvent 63 % d'étain (Sn) et 37 % de plomb (Pb) pour obtenir une soudure eutectique dans les dispositifs PBGA, tandis que les dispositifs CBGA utilisent une soudure non eutectique haute température composée de 10 % de Pb et 90 % de Sn. L'évolution de la technologie BGA a également permis le développement de BGA miniatures, appelés microBGA (μBGA) ou boîtiers à l'échelle de la puce (CSP), avec des pas de billes de soudure encore plus petits, pouvant atteindre 0.3 mm (12 mil), et des espacements entre billes de soudure aussi faibles que 0.5 mm (12 mil).

Cet article explore les critères d'acceptation, les performances en matière de défauts et la fiabilité des joints de soudure BGA, avec un accent particulier sur un défaut controversé : les vides. De plus, nous proposerons des améliorations de processus visant à améliorer la qualité des joints de soudure BGA.

Inspection de la qualité de la soudure BGA

Le contrôle de la qualité des soudures des boîtiers BGA (Ball Grid Array) est essentiel pour garantir la fiabilité et le bon fonctionnement des dispositifs électroniques. Du fait de la configuration particulière de ces boîtiers, où les billes de soudure sont positionnées sous la puce, les méthodes d'inspection visuelle classiques sont insuffisantes. Cette section détaille les différentes techniques et difficultés liées au contrôle de la qualité des soudures BGA.

Défis liés à l’inspection des joints de soudure BGA

1. Joints de soudure inaccessibles : Le principal défi réside dans l’inaccessibilité des joints de soudure BGA. Contrairement aux composants traversants ou montés en surface où les joints de soudure sont exposés, les BGA ont des billes de soudure cachées sous le composant. Cela rend impossible l’examen visuel direct des articulations.
2. Espace limité: La conception compacte des BGA laisse peu de place aux outils et techniques d’inspection. Le pas serré entre les billes de soudure rend difficile l’accès et l’inspection des joints individuels.
3. Complexité: Les appareils électroniques contiennent souvent plusieurs BGA, chacun avec de nombreux joints de soudure. Inspecter tous ces joints de manière complète et efficace peut être une tâche ardue.
4. Identification des défauts : L'identification des défauts dans les joints de soudure BGA, tels que des fissures, des vides ou un mouillage incomplet, nécessite un équipement et une expertise spécialisés.

Garantir la qualité et la fiabilité des joints de soudure BGA exige des techniques d'inspection efficaces. Pour plus d'informations, veuillez consulter l'article « Nécessité d'une inspection des soudures à l'aide d'un microscope numérique : explication des méthodes d'inspection | Microscope numérique à ondes actives ».

Techniques d’inspection des joints de soudure BGA

Pour surmonter ces défis, diverses techniques et outils d'inspection ont été développés pour évaluer la qualité des joints de soudure BGA. Ces méthodes comprennent :

1. Inspection aux rayons X :

L'inspection aux rayons X est la méthode la plus largement utilisée pour évaluer la qualité des joints de soudure BGA. Il fournit un moyen non destructif de voir l'intérieur du boîtier BGA et d'évaluer l'intégrité des joints de soudure. Il existe deux principaux types d’inspection aux rayons X :

• Radiographie aux rayons X 2D : Cette technique capture des images radiographiques 2D de l'assemblage BGA. Il est rentable et peut identifier des problèmes tels que des vides et une soudure insuffisante. Cependant, il peut souffrir de chevauchements d'ombres de soudure lorsque des composants sont présents des deux côtés du PCB, ce qui rend difficile la détection précise des défauts.
• Tomographie aux rayons X : La tomographie aux rayons X, également connue sous le nom de radiographie 3D ou tomodensitométrie (TDM), offre une solution plus avancée. Il crée des images en coupe transversale du BGA, permettant une analyse détaillée des joints de soudure en trois dimensions. Cette technique offre une détection et une localisation supérieures des défauts.

2. Inspection optique :

Les méthodes d'inspection optique impliquent l'utilisation de caméras, de microscopes ou d'endoscopes pour évaluer visuellement les joints de soudure BGA. Bien qu’elles ne soient pas aussi puissantes que l’inspection aux rayons X, les méthodes optiques sont utiles pour identifier les défauts et irrégularités de surface. Cependant, ils peuvent ne pas détecter les défauts cachés dans les joints de soudure.

3. Inspection par ultrasons :

Les techniques d'inspection par ultrasons utilisent des ondes sonores pour évaluer l'intégrité structurelle des joints de soudure BGA. Les ondes ultrasoniques peuvent pénétrer dans l’emballage et fournir des informations sur la structure interne, notamment la présence de vides ou de délaminages. Cette méthode est particulièrement utile pour détecter les défauts ayant un impact sur la résistance mécanique des joints de soudure.

4. Imagerie thermique :

Les caméras thermiques peuvent détecter les variations de température dans l'assemblage BGA pendant le brasage par refusion. Les anomalies dans les profils de température peuvent indiquer des défauts tels qu'une soudure insuffisante ou des joints de soudure à froid. Bien que cette méthode soit efficace pendant le processus de fabrication, elle peut ne pas convenir à l'inspection après brasage.

Le rôle de l’équipement d’inspection automatisé

Les équipements d’inspection automatisés sont devenus essentiels dans la fabrication électronique moderne, en particulier lorsqu’il s’agit d’assemblages BGA complexes. Ces machines peuvent numériser et analyser rapidement plusieurs BGA, garantissant ainsi un contrôle qualité cohérent. Les principales caractéristiques de l’équipement d’inspection automatisé BGA comprennent :

• Numérisation à grande vitesse: Les systèmes automatisés peuvent inspecter rapidement de nombreux BGA, réduisant ainsi le temps et les coûts de production.
• Reconnaissance des défauts : Les systèmes avancés de vision industrielle peuvent identifier et classer les défauts avec une grande précision, notamment les vides, les fissures et les irrégularités des billes de soudure.
• L'analyse des données: Les équipements d'inspection automatisés génèrent des rapports et des données complets, permettant aux fabricants de suivre les défauts, d'identifier les tendances et d'améliorer leurs processus de soudage.
• Facilité d'intégration : Ces systèmes peuvent être intégrés de manière transparente aux lignes de production, rationalisant ainsi le processus d'inspection.
• Assurance Qualité: L'inspection automatisée minimise le risque d'erreur humaine et garantit une qualité constante dans tous les BGA.

Critères d'acceptation pour les joints de soudure BGA

Pour évaluer avec précision la qualité des joints de soudure BGA, des critères d’acceptation clairs sont essentiels. IPC-A-610C fournit des directives spécifiques pour l'acceptation des joints de soudure BGA. Les joints de soudure BGA préférés doivent présenter certaines caractéristiques : ils doivent être lisses, ronds, avoir des limites claires et être exempts de vides. Le diamètre, le volume, l'échelle de gris et le contraste de tous les joints de soudure doivent être cohérents, avec des positions alignées, sans décalage, torsion ou billes de soudure.

Même si la norme privilégiée place la barre haute, des critères légèrement assouplis s'appliquent aux joints de soudure qualifiés. Pour les positions alignées, un joint de soudure BGA peut avoir un décalage allant jusqu'à 25 % par rapport au plot. La bille de soudure ne doit pas dépasser 25 % de la distance entre les billes de soudure les plus proches.

Défauts typiques des joints de soudure BGA

Malgré le respect des critères d'acceptation, les joints de soudure BGA peuvent présenter divers défauts. Ces défauts comprennent :

1. Joints de soudure: Ceux-ci se produisent lorsque la soudure ne se lie pas correctement, ce qui entraîne des circuits ouverts ou de mauvaises connexions.
2. Circuits ouverts: Des ruptures complètes du joint de soudure entraînent des circuits ouverts, perturbant la connectivité électrique.
3. Billes de soudure manquantes: Des billes de soudure incomplètes ou manquantes peuvent entraîner des connexions peu fiables.
4. Grands vides: Les vides dans le joint de soudure peuvent affaiblir son intégrité structurelle et potentiellement conduire à une défaillance.
5. Grosses boules de soudure: Des billes de soudure surdimensionnées peuvent créer des connexions irrégulières et interférer avec les composants voisins.
6. Bords flous: Des limites de joint de soudure mal définies peuvent indiquer une soudure sous-optimale.

Un défaut controversé – nul

Un aspect des joints de soudure BGA qui reste un sujet de débat concerne les critères d'acceptation des vides. Les vides sont des espaces vides ou des cavités dans le joint de soudure. Même si les vides ne sont pas propres aux BGA et peuvent affecter les joints de soudure d'autres types d'emballages, ils posent des défis particuliers aux BGA. Contrairement à d'autres boîtiers, tous les joints de soudure BGA sont cachés sous la puce, ce qui fait de l'inspection aux rayons X la principale méthode de détection des vides.

L'impact des vides sur la fiabilité des BGA est une question d'incertitude et de controverse. Certains soutiennent que de petits vides inévitables peuvent en réalité améliorer la fiabilité. La norme IPC-7095, intitulée « Processus de conception et d'assemblage pour réaliser BGA », reconnaît les avantages potentiels de vides limités, mais souligne la nécessité de normes définies pour déterminer les tailles de vides acceptables.

La position et la cause des vides

Les vides dans les joints de soudure BGA peuvent se manifester sous trois couches principales :

1. Couche de composants: Cette couche est la plus proche du composant BGA et présente souvent des vides dus à des bulles d'air ou à un flux gazeux volatilisé lors du brasage par refusion.
2. Couche de tampon: Les vides dans cette couche peuvent résulter de la volatilisation du flux dans la pâte à souder appliquée sur le plot, provoquant l'échappement du gaz et la formation de vides après refroidissement.
3. Couche de boule de soudure: Des vides dans les billes de soudure peuvent se produire avant le soudage, potentiellement en raison du processus de fabrication des billes de soudure, de problèmes de matériau de pâte à souder ou de la conception du circuit imprimé.

Par exemple, si un trou traversant est conçu sous le tampon, l'air de l'extérieur peut pénétrer dans la bille de soudure fondue à travers le trou via le trou pendant le soudage. Cela peut créer un vide dans la bille de soudure une fois le processus de soudure terminé et la soudure refroidie.

Le profil de température de refusion pendant le brasage joue un rôle important dans la formation de vides. Les compositions de soudure eutectiques comme 63 % Sn et 37 % Pb sont plus sensibles aux vides, tandis que les billes de soudure avec une composition à point de fusion élevé comme 10 % Pb et 90 % Sn, avec un point de fusion de 302°C, ont tendance à présenter moins de vides. vides car ils ne fondent pas pendant le processus de brasage par flux.

Critères d'acceptation nuls

La présence de vide dans un joint de soudure peut entraîner des contraintes pendant le cycle thermique, provoquant potentiellement un retrait et une expansion. L'emplacement et la taille des vides peuvent avoir un impact sur la fiabilité des joints de soudure. Cependant, les vides peuvent également réduire les contraintes mécaniques en fournissant un espace supplémentaire dans le joint de soudure.

IPC-7095 décrit les critères d'acceptation spécifiques pour les vides, en tenant compte à la fois de leur position et de leur taille. Quel que soit leur emplacement dans la bille de soudure, la couche de plots ou la couche de composants, la taille et la quantité de vides déterminent leur impact sur la qualité et la fiabilité. De petits vides à l’intérieur des billes de soudure sont autorisés, l’espace du vide par rapport à l’espace de la bille de soudure servant de facteur critique. Par exemple, un vide d’un diamètre égal à 50 % du diamètre de la bille de soudure occupe 25 % de la surface de la bille de soudure.

Les normes IPC précisent que les vides dans la couche du plot ne doivent pas dépasser 10 % de la surface de la bille de soudure. Les vides supérieurs à 25 % sont considérés comme des défauts, posant des risques pour la fiabilité mécanique et électrique. Pour les vides compris entre 10 et 25 %, des améliorations du processus sont recommandées pour les éliminer ou les réduire.

Conclusion et suggestions pour l'amélioration des processus

La réussite du soudage BGA implique plusieurs facteurs critiques et le respect des meilleures pratiques. Pour améliorer la qualité des joints de soudure et minimiser les défauts, les recommandations suivantes doivent être prises en compte :

1. Qualité de la pâte à souder: Garantissez l'utilisation d'une pâte à souder fraîche et uniformément agitée avec un positionnement précis de la pâte et des composants.
2. Préparation des composants: Pour les appareils PBGA emballés dans du plastique, un pré-séchage à 100 °C pendant 6 à 8 heures avant le soudage, de préférence à l'azote, peut être bénéfique.
3. Profil de température de refusion: Concevez soigneusement le profil de température de refusion pour garantir un chauffage uniforme et une fusion complète de la soudure. Des profils de température inadéquats peuvent entraîner des joints de soudure à froid ou une fusion incomplète.
4. Application de pâte à souder: Appliquez une quantité appropriée de pâte à souder, en tenant compte de la viscosité, pour fixer temporairement l'appareil et éviter les ponts de soudure.
5. Conception de tampon uniforme: Concevez des plots PCB pour les boîtiers BGA avec des tailles uniformes et évitez de concevoir des processus sous les plots. Dans les cas où des processus sous les pastilles sont nécessaires, faites appel à un fabricant de PCB approprié et assurez-vous d'une conception appropriée des trous traversants pour éviter les différences de quantité et de hauteur d'étain entre les grandes et les petites pastilles.
6. Qualité du masque de soudure: Avant de souder des BGA, vérifiez la qualité du masque de soudure autour des plots et assurez-vous que les vias sont recouverts d'un film barrière. L'ajout d'un film de réserve de soudure sur le côté opposé du PCB pendant la production est inefficace et peut entraîner des problèmes tels que des courts-circuits virtuels et des courts-circuits.

En respectant ces recommandations et en vous préparant minutieusement avant le soudage BGA, les défauts peuvent être minimisés et un taux de réussite élevé peut être obtenu. L'objectif ultime est d'éliminer les défauts sans recourir à des retouches, garantissant ainsi le plus haut niveau de qualité et de fiabilité des joints de soudure BGA.

Si cette exigence a une incidence sur l'approvisionnement ou la mise en production, comparez-la au processus d'assurance qualité des circuits imprimés et à la conception des microvias et des interfaces HDI avant d'envoyer les fichiers finaux pour examen.