Análisis de defectos y mejora del proceso de soldaduras BGA

La inspección de la calidad de la soldadura de BGA es difícil debido a que las bolas de soldadura están debajo del chip. Sin equipo de inspección, compruebe visualmente si el anillo de soldadura más externo es consistente e inspeccione el chip a contraluz. Si todas las filas y columnas pueden transmitir la luz, se puede concluir que no hay soldadura continua. A veces también puede verse la soldadura de mayor tamaño. Para juzgar la calidad de las juntas de soldadura con mayor claridad, también se debe utilizar un instrumento de inspección por RAYOS X.

El equipo tradicional de radiografía directa bidimensional por rayos X es relativamente barato. Sin embargo, tiene un inconveniente. Las juntas de soldadura de ambas caras de la placa de circuito impreso se revelan simultáneamente en una foto. Cuando hay componentes en ambas caras en la misma posición, sus sombras de soldadura se solapan. Esto dificulta distinguir el lado del componente. Si hay un defecto, no está claro en qué capa está el problema. Por lo tanto, no se puede cumplir el requisito de determinar con precisión los defectos de soldadura.

Nuestro inspector de placa de circuito de rayos X es un equipo de inspección tomográfica de rayos X especialmente utilizado para inspeccionar las juntas de soldadura. Por supuesto, no sólo puede comprobar BGA, sino también comprobar las juntas de soldadura de todos los paquetes en la placa de circuito. Aunque antes se pensaba que estos equipos eran demasiado caros, el coste de la inspección de las juntas de soldadura era demasiado elevado. Pero con la aplicación cada vez más generalizada de los dispositivos BGA, la gente ha podido aceptar este costoso equipo.

La radiografía utiliza la tomografía de rayos X. A través de ella, las bolas de soldadura pueden estratificarse, creando un efecto tomográfico. Las imágenes de tomografía de rayos X pueden utilizarse para analizar automáticamente las juntas de soldadura basándose en los datos de diseño originales de CDA y los parámetros establecidos por el usuario. Realiza la exploración tomográfica en tiempo real, y puede comparar y analizar con precisión todas las juntas de soldadura de todos los componentes en ambos lados de la placa de circuito impreso en decenas de segundos o 2 minutos (dependiendo del número y la complejidad de las juntas de soldadura en la placa de circuito impreso). Sacar la conclusión de si la soldadura está cualificada o no. ¿Por qué la tomografía de rayos X puede obtener resultados de muy alta definición? Esto viene determinado por su principio de funcionamiento.

Los rayos X del sistema de rayos X son generados por un tubo de rayos X situado en el extremo superior del aparato. En funcionamiento, la tensión debe elevarse de 220V a 160KV, y la corriente es de 100mA. Los haces de electrones generados a altas tensiones irradian tungsteno metálico para generar rayos X. Este haz de rayos X se dispara oblicuamente hacia abajo y gira a una alta velocidad de 760 revoluciones por segundo. Al mismo tiempo, una plataforma de centelleo situada debajo también gira de forma sincronizada con los rayos X a la misma velocidad.

La plataforma de centelleo es en realidad un receptor sensible a los rayos X. En general, los metales, los metales pesados como el estaño y el plomo no atraviesan los rayos X y forman una escena oscura. La materia ordinaria es penetrada por los rayos X, y no se ve nada. Los rayos X se concentran en una posición determinada entre la fuente de luz y la plataforma del centelleador, y aparece un plano de concentración. Los objetos o imágenes que se encuentran en el plano de enfoque forman una imagen nítida en la plataforma del centelleador. Sin embargo, los objetos o imágenes que no se encuentran en el plano de concentración aparecen borrosos en la plataforma del centelleador, dejando sólo una sombra.

 

El principio de la tomografía de juicio por rayos X se muestra en la figura. Por lo tanto, la tomografía se realiza en juntas de soldadura con diferentes alturas en la placa de circuito impreso. Si desea comprobar el estado de soldadura de una determinada capa, sólo tiene que ajustar esta capa a la posición del plano de recogida, y los resultados de la tomografía se mostrarán claramente. Esta imagen nítida será tomada por una cámara de rayos X situada debajo del dispositivo.

Independientemente del equipo de inspección que se utilice para la inspección, debe existir una base para juzgar si la calidad de las uniones soldadas es cualificada. IPC-A-610C define específicamente los criterios de aceptación de las uniones soldadas BGA. Los requisitos de las juntas de soldadura BGA preferidas son que las juntas de soldadura sean lisas, redondas, con límites claros y sin huecos. El diámetro, volumen, escala de grises y contraste de todas las juntas de soldadura son los mismos, la posición está alineada, no hay desplazamiento ni torsión, y no hay bola de soldadura.

Tras la finalización, se sigue la norma preferida, pero se relaja ligeramente para las juntas de soldadura cualificadas. Para posiciones alineadas, la junta de soldadura BGA puede tener un desplazamiento no superior a 25% con respecto a la almohadilla. La bola de soldadura no debe superar en 25% la distancia entre las bolas de soldadura más cercanas.

Los defectos típicos de los BGA son: juntas de soldadura, circuitos abiertos, falta de bolas de soldadura, grandes huecos, bolas de soldadura grandes y bordes difusos de las juntas de soldadura. A continuación se presenta una lista de radiografías encontradas en trabajos reales, que incluyen la mayoría de los defectos mencionados.

Una cuestión que sigue siendo controvertida es la de los criterios de aceptación de los huecos en los BGA. El problema de los huecos no es exclusivo de los BGA. Las juntas de soldadura de los componentes con orificio pasante y de montaje en superficie y con orificio pasante suelen poder inspeccionarse visualmente en busca de huecos en lugar de mediante rayos X. En los BGA, como todas las juntas de soldadura están ocultas bajo el encapsulado, sólo pueden inspeccionarse con rayos X. Por supuesto, los rayos X pueden detectar la presencia de espacios vacíos. Por supuesto, los rayos X pueden utilizarse para inspeccionar no sólo las juntas de soldadura de los BGA, sino también todo tipo de juntas de soldadura. Los rayos X permiten detectar fácilmente los huecos.

Entonces, ¿el vacío debe tener un impacto negativo en la fiabilidad del BGA? incierto. Algunos incluso dicen que el voiding es bueno para la fiabilidad. La norma IPC-7095, titulada "Design and Assembly Process for Realizing BGA" (Proceso de diseño y montaje para la realización de BGA), proporciona directrices detalladas para la tecnología de diseño y montaje de BGA. El comité IPC-7095 reconoce que los pequeños huecos inevitables pueden ser beneficiosos para la fiabilidad. Sin embargo, debería existir una norma definida para determinar el tamaño aceptable de los huecos.

¿Dónde se pueden encontrar huecos en la inspección de juntas de soldadura BGA? Las bolas de soldadura BGA pueden dividirse en tres capas: una es la capa de componentes (sustrato próximo al componente BGA), otra es la capa de almohadillas (sustrato próximo a la placa de circuito impreso) y la tercera es la capa intermedia de la bola de soldadura. Dependiendo de las circunstancias, el vaciado puede producirse en cualquiera de estas tres capas.

¿Cuándo apareció el vacío? Las bolas de soldadura BGA pueden tener huecos en sí mismas antes de la soldadura, formando así vacíos una vez finalizado el proceso de soldadura por reflujo. Esto puede deberse a la introducción de huecos en el proceso de fabricación de las bolas de soldadura, o al problema del material de la pasta de soldadura recubierta sobre la superficie de la placa de circuito impreso. Además, el diseño de la placa de circuito impreso también es una de las principales razones de la formación de huecos.

Por ejemplo, si el orificio de la vía está diseñado debajo de la almohadilla, durante el proceso de soldadura, el aire exterior entra en la bola de soldadura fundida a través del orificio de la vía, y quedará una cavidad en la bola de soldadura una vez finalizada y enfriada la soldadura.

Los huecos en la capa de la pastilla pueden deberse a la volatilización del fundente en la pasta de soldadura impresa en la pastilla durante el proceso de soldadura por reflujo, el gas se escapa de la soldadura en la penetración profunda, y los huecos se forman después del enfriamiento. Un chapado deficiente o la contaminación de la superficie del pad pueden ser la causa de los huecos en la capa del pad.

La capa de componentes suele ser la zona con mayor probabilidad de que se produzcan huecos, situada entre el centro de la bola de soldadura y el sustrato BGA. Esto puede deberse a las burbujas de aire y al gas fundente volatilizado en la almohadilla BGA durante la soldadura por reflujo en la placa de circuito impreso. Al unirse se forma un hueco. Si la curva de temperatura de reflujo no es lo suficientemente larga en la zona de reflujo, las burbujas de aire y el gas volatilizado en el fundente no tienen tiempo de escapar, y el alevín de soldadura fundido ha entrado en la zona de enfriamiento y se solidifica, formando una cavidad.

Por lo tanto, el perfil de temperatura de reflujo es una de las causas de la formación de huecos. El BGA de soldadura eutéctica 63n/37Pb tiene más probabilidades de tener huecos, y el BGA compuesto de bolas de soldadura eutéctica ilegal de alto punto de fusión 10Sn/90Pb tiene un punto de fusión de 302°C y generalmente no tiene huecos. Las bolas de soldadura del BGA no se funden durante el proceso de soldadura en flujo.

La presencia de gas en la cavidad puede provocar tensiones de contracción y expansión durante los ciclos térmicos. La ubicación de la cavidad se convertirá en un punto de concentración de tensiones y puede convertirse en la causa fundamental de las grietas por tensión.
Sin embargo, la presencia de huecos reduce la tensión mecánica sobre las bolas de soldadura al reducir el exceso de espacio aplicado por las bolas de soldadura. La reducción específica depende del tamaño, la ubicación, la forma y otros factores de la cavidad.

Los criterios de aceptación/rechazo de huecos especificados en IPC-7095 tienen en cuenta principalmente dos puntos: la posición y el tamaño de los huecos. Independientemente de dónde se encuentre el vacío, ya sea en el centro de la bola de soldadura o en la capa de la almohadilla o la capa del componente, según el tamaño y la cantidad del vacío, afectará a la calidad y la fiabilidad. Se permiten pequeñas bolas de soldadura en el interior de las bolas de soldadura. La relación entre el espacio ocupado por el hueco y el espacio de la bola de soldadura puede calcularse de la siguiente manera: por ejemplo, el diámetro del hueco es 50% del diámetro de la bola de soldadura, entonces el área ocupada por el hueco es 25% del área de la bola de soldadura.

La norma IPC especifica que los huecos en la capa de la almohadilla no deben superar los 10% del área de la bola de soldadura. Los huecos que superan los 25% se consideran defectos y suponen un riesgo para la fiabilidad mecánica y eléctrica. En el caso de huecos entre 10% y 25%, se recomienda mejorar el proceso para eliminarlos o reducirlos.

Cuando el BGA de soldadura eutéctica forma juntas de soldadura durante el proceso de soldadura, la pasta de soldadura recubierta sobre la placa de circuito impreso y las bolas de soldadura contenidas en los componentes deben fundirse entre sí. Este proceso se divide en dos etapas de colapso. En la primera etapa de colapso, la pasta de soldadura de la placa de circuito impreso se funde primero y los componentes se colapsan. En la segunda etapa, las bolas de soldadura de los propios componentes también se funden y se fusionan con la pasta de soldadura fundida en la PCB, y las bolas de soldadura vuelven a colapsar, formando una unión soldada oblonga.

Durante el proceso de soldadura, es necesario asegurarse de que la curva de soldadura transite de forma natural, de modo que el dispositivo se caliente de forma uniforme, especialmente en el

zona de soldadura, es necesario asegurarse de que todas las juntas de soldadura estén completamente fundidas. Si la temperatura es insuficiente, pueden formarse uniones de soldadura frías, provocando superficies de unión de soldadura rugosas o una fusión incompleta durante la segunda etapa de desprendimiento. Esto puede provocar grietas entre la pasta de soldadura de la superficie de la placa de circuito impreso y la soldadura del componente, dando lugar a una soldadura virtual o abierta.

La viscosidad de la pasta de soldadura ayuda a fijar temporalmente el dispositivo y a evitar la formación de puentes de soldadura durante la fusión. En el caso de las plantillas BGA, la apertura de la junta de soldadura suele ser de 70-80% del tamaño de la almohadilla, y el grosor de la plantilla suele ser de 0,15 mm (6mil).

Si hay que diseñar algunos procesos bajo las almohadillas, también hay que buscar un fabricante de placas de circuito impreso adecuado. Se debe taladrar la posición de la almohadilla y evitar ampliarla sin autorización. Esto se debe a que el orificio de la vía no puede taladrarse demasiado pequeño. Como resultado, la cantidad de estaño y la altura diferirán tras la soldadura entre los pads grandes y pequeños. Soldadura o circuito abierto.

Antes de soldar un BGA, asegúrese de que la máscara de soldadura alrededor de la almohadilla está calificada y las vías están recubiertas con una película de barrera. Añadir una película resistente a la soldadura en la otra cara de la placa de circuito impreso durante la producción no es efectivo. El objetivo de esta película es evitar la formación de aire y huecos durante la soldadura, así como impedir que la soldadura fluya a través de los orificios.

La impresión de pasta de soldadura sin retrabajo evita el exceso de soldadura y mejora la calidad de la soldadura. Los orificios de las vías están chapados, por lo que el exceso de soldadura puede provocar cortocircuitos virtuales. El reprocesado de BGA es el último recurso porque lleva mucho tiempo.

Para soldar BGA con éxito, necesitamos bolas de soldadura adecuadas y herramientas de retrabajo. La siembra de bolas tiene bajas tasas de éxito y desperdicia recursos. Los chips reparados soportan al menos 4 ciclos de reflujo, lo que afecta a la fiabilidad. Hay que prepararse bien antes de soldar BGA para minimizar los defectos y lograr un alto índice de aprobados. Nuestro objetivo es eliminar los defectos sin reparar.