Análise de defeitos e melhoria de processos de juntas de solda BGA

Introdução

A embalagem Ball Grid Array (BGA) emergiu como uma tecnologia crucial na indústria eletrônica, especialmente desde sua introdução no início da década de 1990. Este método de empacotamento tornou-se necessário à medida que o número de pinos do dispositivo nas embalagens tradicionais com chumbo aumentou, fazendo com que o espaçamento entre os fios diminuísse significativamente. Isto levou a desafios na capacidade de fabricação e na confiabilidade durante a soldagem do dispositivo, com espaçamento mínimo chegando a 0.3 mm (12mil). Para resolver esses problemas, a tecnologia BGA foi desenvolvida, permitindo uma contagem maior de pinos em comparação com Quad Flat Packages (QFP) de tamanho semelhante.

Os dispositivos BGA contam com bolas de solda abaixo do chip para servir como pinos. O passo maior dessas esferas de solda facilita a montagem, melhorando significativamente as taxas de qualificação de soldagem e as taxas de sucesso na primeira tentativa.

Dois tipos comuns de encapsulamento BGA são o BGA de plástico (PBGA), comumente usado em produtos de consumo e comunicação, e o BGA de cerâmica ( CBGA), empregado em aplicações militares. A composição das esferas de solda geralmente inclui 63% de estanho (Sn) e 37% de chumbo (Pb) para solda eutética em dispositivos PBGA, enquanto os dispositivos CBGA utilizam uma solda não eutética de alta temperatura composta por 10% de Pb e 90% de Sn. A evolução da tecnologia BGA também levou ao desenvolvimento de BGAs miniaturizados, denominados microBGAs (μBGA) ou Chip Scale Packages (CSP), com espaçamento entre esferas de solda ainda menor, de até 0.3 mm (12 mil) e espaçamento entre esferas de solda de até 0.5 mm (12 mil).

Este artigo explora os critérios de aceitação, desempenho de defeitos e confiabilidade das juntas de solda BGA, com foco particular em um defeito controverso – vazios. Além disso, proporemos melhorias de processo visando melhorar a qualidade das juntas de solda BGA.

Inspeção da qualidade da soldagem BGA

A inspeção da qualidade das juntas de solda em encapsulamentos BGA (Ball Grid Array) é um aspecto crítico para garantir a confiabilidade e a funcionalidade de dispositivos eletrônicos. Devido à natureza singular dos encapsulamentos BGA, onde as esferas de solda são posicionadas sob o chip, os métodos tradicionais de inspeção visual são insuficientes. Esta seção abordará as diversas técnicas e desafios associados à inspeção da qualidade da soldagem em BGAs.

Desafios na inspeção de juntas de solda BGA

1. Juntas de solda inacessíveis: O principal desafio reside na inacessibilidade das juntas de solda BGA. Ao contrário dos componentes passantes ou de montagem em superfície, onde as juntas de solda ficam expostas, os BGAs têm esferas de solda escondidas sob o componente. Isto torna impossível examinar visualmente as articulações diretamente.
2. Espaço limitado: O design compacto dos BGAs deixa pouco espaço para ferramentas e técnicas de inspeção. O passo estreito entre as esferas de solda dificulta o acesso e a inspeção de juntas individuais.
3. Complexidade: Os dispositivos eletrônicos geralmente contêm vários BGAs, cada um com inúmeras juntas de solda. Inspecionar todas essas juntas de forma abrangente e eficiente pode ser uma tarefa difícil.
4. Identificação de defeitos: A identificação de defeitos nas juntas de solda BGA, como rachaduras, vazios ou umedecimento incompleto, requer equipamento e experiência especializados.

Garantir a qualidade e a confiabilidade das juntas de solda BGA exige técnicas de inspeção eficazes. Para obter mais informações, consulte " A necessidade de inspeção de solda usando um microscópio digital: métodos de inspeção explicados | Microscópio Digital Active Wave".

Técnicas para inspeção de juntas de solda BGA

Para superar esses desafios, diversas técnicas e ferramentas de inspeção foram desenvolvidas para avaliar a qualidade das juntas de solda BGA. Esses métodos incluem:

1. Inspeção de raios X:

A inspeção por raios X é o método mais amplamente utilizado para avaliar a qualidade da junta de solda BGA. Ele fornece uma maneira não destrutiva de ver o interior do pacote BGA e avaliar a integridade das juntas de solda. Existem dois tipos principais de inspeção por raios X:

• Radiografia de raios X 2D: Esta técnica captura imagens de raios X 2D da montagem BGA. É econômico e pode identificar problemas como vazios e solda insuficiente. No entanto, ele pode sofrer sombras de solda sobrepostas quando os componentes estão presentes em ambos os lados da PCB, tornando difícil identificar defeitos com precisão.
• Tomografia de raios X: A tomografia de raios X, também conhecida como raio X 3D ou tomografia computadorizada (TC), oferece uma solução mais avançada. Ele cria imagens transversais do BGA, permitindo uma análise detalhada das juntas de solda em três dimensões. Esta técnica oferece detecção e localização de defeitos superiores.

2. Inspeção óptica:

Os métodos de inspeção óptica envolvem o uso de câmeras, microscópios ou endoscópios para avaliar visualmente as juntas de solda BGA. Embora não sejam tão poderosos quanto a inspeção por raios X, os métodos ópticos são valiosos para identificar defeitos e irregularidades superficiais. No entanto, eles podem não detectar defeitos ocultos nas juntas de solda.

3. Inspeção ultrassônica:

As técnicas de inspeção ultrassônica utilizam ondas sonoras para avaliar a integridade estrutural das juntas de solda BGA. As ondas ultrassônicas podem penetrar na embalagem e fornecer informações sobre a estrutura interna, incluindo a presença de vazios ou delaminações. Este método é particularmente útil para detectar defeitos que afetam a resistência mecânica das juntas soldadas.

4. Imagem térmica:

As câmeras termográficas podem detectar variações de temperatura no conjunto BGA durante a soldagem por refluxo. Anomalias nos perfis de temperatura podem indicar defeitos como solda insuficiente ou juntas de solda fria. Embora este método seja eficaz durante o processo de fabricação, pode não ser adequado para inspeção pós-solda.

O papel do equipamento de inspeção automatizado

Equipamentos de inspeção automatizados tornaram-se essenciais na fabricação de eletrônicos modernos, especialmente quando se trata de montagens BGA complexas. Essas máquinas podem digitalizar e analisar rapidamente vários BGAs, garantindo um controle de qualidade consistente. Os principais recursos do equipamento automatizado de inspeção BGA incluem:

• Digitalização de alta velocidade: Os sistemas automatizados podem inspecionar vários BGAs rapidamente, reduzindo o tempo e os custos de produção.
• Reconhecimento de defeitos: Sistemas avançados de visão mecânica podem identificar e classificar defeitos com alta precisão, incluindo vazios, rachaduras e irregularidades na esfera de solda.
• Análise de dados: Equipamentos de inspeção automatizados geram relatórios e dados abrangentes, permitindo que os fabricantes rastreiem defeitos, identifiquem tendências e melhorem seus processos de soldagem.
• Facilidade de integração: Esses sistemas podem ser perfeitamente integrados às linhas de produção, agilizando o processo de inspeção.
• Garantia De Qualidade: A inspeção automatizada minimiza o risco de erro humano e garante qualidade consistente em todos os BGAs.

Critérios de aceitação para juntas de solda BGA

Para avaliar com precisão a qualidade das juntas de solda BGA, critérios de aceitação claros são essenciais. IPC-A-610C fornece diretrizes específicas para aceitação de juntas de solda BGA. As juntas de solda BGA preferidas devem apresentar certas características: devem ser lisas, redondas, ter limites claros e estar livres de vazios. O diâmetro, o volume, a escala de cinza e o contraste de todas as juntas de solda devem ser consistentes, com posições alinhadas, sem deslocamento, torção ou bolas de solda.

Embora o padrão preferido estabeleça um padrão elevado, critérios ligeiramente relaxados se aplicam a juntas de solda qualificadas. Para posições alinhadas, uma junta de solda BGA pode ter um deslocamento de até 25% em relação ao pad. A bola de solda não deve exceder 25% da distância entre as bolas de solda mais próximas.

Defeitos típicos de juntas de solda BGA

Apesar da adesão aos critérios de aceitação, as juntas de solda BGA podem apresentar vários defeitos. Esses defeitos incluem:

1. Juntas de solda: Ocorrem quando a solda não se liga adequadamente, resultando em circuitos abertos ou conexões ruins.
2. Circuitos Abertos: Quebras completas na junta de solda levam à abertura de circuitos, interrompendo a conectividade elétrica.
3. Faltando bolas de solda: Esferas de solda incompletas ou ausentes podem resultar em conexões não confiáveis.
4. Grandes vazios: Vazios na junta de solda podem enfraquecer sua integridade estrutural e potencialmente levar à falha.
5. Grandes bolas de solda: Esferas de solda superdimensionadas podem criar conexões irregulares e interferir nos componentes vizinhos.
6. Bordas difusas: Limites de juntas de solda mal definidos podem indicar soldagem abaixo do ideal.

Um defeito controverso – vazio

Um aspecto das juntas de solda BGA que continua sendo objeto de debate são os critérios de aceitação para vazios. Vazios são espaços vazios ou cavidades dentro da junta de solda. Embora os vazios não sejam exclusivos dos BGAs e possam afetar as juntas de solda em outros tipos de embalagens, eles representam desafios específicos para os BGAs. Ao contrário de outros pacotes, todas as juntas de solda BGA ficam escondidas sob o chip, tornando a inspeção por raios X o principal método para detecção de vazios.

O impacto dos vazios na confiabilidade dos BGAs é uma questão de incerteza e controvérsia. Alguns argumentam que vazios pequenos e inevitáveis ​​podem, na verdade, aumentar a confiabilidade. A norma IPC-7095, intitulada “Processo de Design e Montagem para Realização de BGA”, reconhece os benefícios potenciais de vazios limitados, mas enfatiza a necessidade de padrões definidos para determinar tamanhos de vazios aceitáveis.

A posição e a causa dos vazios

Os vazios nas juntas de solda BGA podem se manifestar em três camadas primárias:

1. Camada de Componentes: Esta camada está mais próxima do componente BGA e frequentemente apresenta vazios devido a bolhas de ar ou gás de fluxo volatilizado durante a soldagem por refluxo.
2. Camada de almofada: Vazios nesta camada podem resultar da volatilização do fluxo na pasta de solda aplicada à almofada, fazendo com que o gás escape e forme vazios após o resfriamento.
3. Camada de bola de solda: A anulação nas esferas de solda pode ocorrer antes da soldagem, potencialmente devido ao processo de fabricação da esfera de solda, problemas de material da pasta de solda ou design da placa de circuito.

Por exemplo, se um orifício de passagem for projetado sob a almofada, o ar externo pode entrar na bola de solda derretida através do orifício de passagem durante a soldagem. Isso pode criar um vazio na esfera de solda quando o processo de soldagem for concluído e a solda esfriar.

O perfil de temperatura de refluxo durante a soldagem desempenha um papel significativo na formação de vazios. Composições de solda eutéticas como 63% Sn e 37% Pb são mais suscetíveis a vazios, enquanto bolas de solda com uma composição de alto ponto de fusão como 10% Pb e 90% Sn, com ponto de fusão de 302°C, tendem a apresentar menos vazios, uma vez que não derretem durante o processo de soldagem por fluxo.

Critérios de aceitação nula

A presença de vazios dentro de uma junta de solda pode causar tensão durante o ciclo térmico, podendo causar encolhimento e expansão. A localização e o tamanho dos vazios podem afetar a confiabilidade das juntas soldadas. No entanto, os vazios também podem reduzir o estresse mecânico, proporcionando espaço extra dentro da junta de solda.

A IPC-7095 descreve critérios específicos de aceitação para vazios, considerando sua posição e tamanho. Independentemente de sua localização na esfera de solda, camada de almofada ou camada de componente, o tamanho e a quantidade de vazios determinam seu impacto na qualidade e na confiabilidade. Pequenos vazios dentro das esferas de solda são permitidos, sendo o espaço vazio relativo ao espaço da esfera de solda um fator crítico. Por exemplo, um vazio com diâmetro de 50% do diâmetro da esfera de solda ocupa 25% da área da esfera de solda.

Os padrões IPC especificam que os vazios na camada da almofada não devem exceder 10% da área da esfera de solda. Vazios superiores a 25% são considerados defeitos, apresentando riscos à confiabilidade mecânica e elétrica. Para vazios dentro da faixa de 10% a 25%, são recomendadas melhorias no processo para eliminá-los ou reduzi-los.

Conclusão e Sugestões para Melhoria de Processos

Alcançar uma soldagem BGA bem-sucedida envolve vários fatores críticos e a adesão às melhores práticas. Para melhorar a qualidade da junta de solda e minimizar defeitos, as seguintes recomendações devem ser consideradas:

1. Qualidade da pasta de solda: Garanta o uso de pasta de solda nova e misturada uniformemente com posicionamento preciso da pasta e dos componentes.
2. Preparação de componentes: Para dispositivos PBGA embalados em plástico, a pré-secagem a 100°C por 6 a 8 horas antes da soldagem, de preferência com nitrogênio, pode ser benéfica.
3. Perfil de temperatura de refluxo: Projete cuidadosamente o perfil de temperatura de refluxo para garantir aquecimento uniforme e fusão completa da solda. Perfis de temperatura inadequados podem levar a juntas de solda fria ou fusão incompleta.
4. Aplicação de pasta de solda: Aplique uma quantidade adequada de pasta de solda, considerando a viscosidade, para fixar o dispositivo temporariamente e evitar pontes de solda.
5. Design de almofada uniforme: Projete blocos de PCB para pacotes BGA com tamanhos uniformes e evite projetar processos abaixo dos blocos. Nos casos em que são necessários processos sob as almofadas, use um fabricante de PCB adequado e garanta o design adequado do furo para evitar diferenças na quantidade de estanho e na altura entre as almofadas grandes e pequenas.
6. Qualidade da máscara de solda: Antes da soldagem BGA, verifique a qualidade da máscara de solda ao redor das almofadas e certifique-se de que as vias estejam revestidas com uma película de barreira. Adicionar filme resistente à solda no lado oposto da PCB durante a produção é ineficaz e pode levar a problemas como curtos-circuitos e curtos-circuitos virtuais.

Seguindo essas recomendações e preparando-se cuidadosamente antes da soldagem BGA, os defeitos podem ser minimizados e uma alta taxa de aprovação pode ser alcançada. O objetivo final é eliminar defeitos sem recorrer a retrabalhos, garantindo o mais alto nível de qualidade e confiabilidade nas juntas de solda BGA.

Caso esse requisito afete o fornecimento ou a liberação da produção, compare-o com o processo de garantia de qualidade da placa de circuito impresso e com o projeto de microvias e HDI antes de enviar os arquivos finais para revisão.