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

L'inspection de la qualité des soudures BGA est complexe, les billes de soudure étant situées sous la puce. Sans équipement d'inspection, il est possible de vérifier visuellement la régularité de l'anneau de soudure extérieur et d'examiner la puce à la lumière. Si chaque rangée et colonne laisse passer la lumière, cela indique une absence de soudure continue. Il est parfois possible de distinguer des soudures de grande taille. Pour une évaluation plus précise de la qualité des joints de soudure, l'utilisation d'un appareil d'inspection aux rayons X est nécessaire.

L'équipement de radiographie directe bidimensionnelle traditionnelle est relativement peu coûteux. Cependant, il présente un inconvénient : les joints de soudure des deux faces du circuit imprimé sont révélés simultanément sur une seule image. Lorsque des composants sont présents des deux côtés au même endroit, leurs ombres de soudure se chevauchent, ce qui rend difficile la distinction entre les deux faces. En cas de défaut, il est impossible de déterminer quelle couche est affectée. Par conséquent, l'exigence d'une détection précise des défauts de soudure ne peut être satisfaite.

Notre système d'inspection de circuits imprimés par rayons X est un équipement de tomographie aux rayons X spécialement conçu pour contrôler les joints de soudure. Il permet non seulement de contrôler les composants BGA, mais aussi les joints de soudure de tous les autres boîtiers présents sur le circuit imprimé. Si, auparavant, ce type d'équipement était jugé trop onéreux, le coût du contrôle des joints de soudure est désormais accepté grâce à la généralisation des composants BGA.

Le système X-Ray utilise la tomographie aux rayons X. Grâce à elle, les billes de soudure sont visualisées par couches successives, créant ainsi un effet tomographique. Les images de tomographie aux rayons X permettent d'analyser automatiquement les joints de soudure à partir des données de conception originales de CDA et des paramètres définis par l'utilisateur. Le système effectue une numérisation tomographique en temps réel et peut comparer et analyser avec précision tous les joints de soudure de tous les composants, des deux côtés du circuit imprimé, en quelques dizaines de secondes à deux minutes (selon le nombre et la complexité des joints). Il permet ainsi de déterminer si la soudure est conforme. La tomographie aux rayons X offre-t-elle des résultats d'une telle précision ? Cela tient à son principe de fonctionnement.

Les rayons X du système sont produits par un tube à rayons X situé à l'extrémité supérieure de l'appareil. En fonctionnement, la tension doit être portée de 220 V à 160 kV et le courant est de 100 mA. Des faisceaux d'électrons, générés à haute tension, irradient du tungstène métallique pour produire des rayons X. Ce faisceau de rayons X est dirigé obliquement vers le bas et tourne à une vitesse élevée de 760 tours par seconde. Simultanément, une plateforme à scintillateur située en dessous tourne également à la même vitesse.

La plateforme à scintillateur est en réalité un récepteur sensible aux rayons X. De manière générale, les métaux, notamment les métaux lourds comme l'étain et le plomb, ne laissent pas passer les rayons X et apparaissent comme une image sombre. La matière ordinaire, quant à elle, est traversée par les rayons X et reste invisible. Les rayons X convergent à un point précis entre la source lumineuse et la plateforme à scintillateur, formant ainsi un plan focal. Les objets ou images situés sur ce plan focal forment une image nette sur la plateforme à scintillateur. En revanche, les objets ou images situés hors du plan focal apparaissent flous, ne laissant apparaître qu'une ombre.

 

Le principe de la tomographie par rayons X est illustré sur la figure. La tomographie est réalisée sur les joints de soudure situés à différentes hauteurs sur le circuit imprimé. Pour vérifier l'état de la soudure d'une couche spécifique, il suffit de positionner cette couche dans le plan de balayage ; les résultats s'afficheront alors clairement. Cette image nette est capturée par une caméra à rayons X située sous l'appareil.

Quel que soit l'équipement d'inspection utilisé, il est indispensable de disposer de critères permettant d'évaluer la qualité des joints de soudure. La norme IPC-A-610C définit précisément les critères d'acceptation des joints de soudure BGA. Les joints de soudure BGA de qualité optimale doivent être lisses, ronds, avec des contours nets et exempts de vides. Ils doivent présenter un diamètre, un volume, une échelle de gris et un contraste identiques, être parfaitement alignés, sans décalage ni torsion, et exempts de billes de soudure.

Une fois la soudure terminée, la norme privilégiée est appliquée, avec toutefois une légère souplesse pour les joints de soudure qualifiés. Pour les positions alignées, le décalage du joint de soudure BGA par rapport à la pastille ne doit pas excéder 25 %. La distance entre les billes de soudure ne doit pas dépasser 25 % de la distance séparant les billes de soudure les plus proches.

Les défauts typiques des BGA comprennent : des joints de soudure défectueux, des circuits ouverts, des billes de soudure manquantes, des vides importants, des billes de soudure de grande taille et des bords de soudure irréguliers. La liste suivante présente des radiographies rencontrées en pratique, illustrant la plupart des défauts mentionnés ci-dessus.

L'un des points encore sujets à controverse concerne les critères d'acceptation des défauts dans les BGA. Ce problème n'est pas propre aux BGA. Les joints de soudure des composants traversants et CMS peuvent généralement être inspectés visuellement pour détecter les défauts, sans avoir recours aux rayons X. Dans les BGA, puisque tous les joints de soudure sont dissimulés sous le boîtier, seule l'inspection par rayons X est possible. Bien entendu, les rayons X peuvent être utilisés pour inspecter non seulement les joints de soudure des BGA, mais aussi tous les types de joints de soudure. Grâce aux rayons X, les défauts sont facilement détectables.

Le vide a-t-il nécessairement un impact négatif sur la fiabilité du BGA ? C’est incertain. Certains affirment même que le vide est bénéfique à la fiabilité. La norme IPC-7095, intitulée « Processus de conception et d’assemblage pour la réalisation de BGA », fournit des directives détaillées pour la conception et l’assemblage des BGA. Le comité IPC-7095 reconnaît que de petits vides inévitables peuvent être avantageux pour la fiabilité. Cependant, une norme définie devrait permettre de déterminer la taille acceptable de ces vides.

Où peut-on détecter des défauts lors de l'inspection des joints de soudure BGA ? Les billes de soudure BGA se composent de trois couches : la couche du composant (substrat proche du composant BGA), la couche de pastille (substrat proche du circuit imprimé) et la couche intermédiaire de la bille de soudure. Selon les circonstances, des défauts peuvent apparaître dans n'importe laquelle de ces trois couches.

Quand le défaut est-il apparu ? Les billes de soudure BGA peuvent présenter des défauts avant la soudure, ce qui entraîne la formation de défauts après le processus de refusion. Cela peut être dû à l'introduction de ces défauts lors de la fabrication des billes de soudure, ou à un problème de pâte à braser déposée sur le circuit imprimé. Par ailleurs, la conception du circuit imprimé est également un facteur important dans la formation de ces défauts.

Par exemple, si le trou de passage est conçu sous la pastille, lors du processus de soudure, l'air extérieur pénètre dans la bille de soudure fondue par le trou de passage, et une cavité se formera dans la bille de soudure une fois la soudure terminée et refroidie.

Les vides présents dans la couche de plot peuvent être dus à la volatilisation du flux de la pâte à braser déposée sur le plot lors du brasage par refusion. Le gaz s'échappe de la brasure lors de la pénétration profonde, et des vides se forment après refroidissement. Un mauvais placage du plot ou une contamination de sa surface peuvent également être à l'origine de ces vides.

La couche de composants, située entre le centre de la bille de soudure et le substrat BGA, est souvent la zone la plus sujette aux vides. Ceci peut être dû à la présence de bulles d'air et de gaz de flux volatilisé sur la pastille BGA lors du brasage par refusion sur le circuit imprimé. Un vide se forme alors. Si la courbe de température de refusion est trop courte dans la zone de refusion, les bulles d'air et les gaz volatilisés du flux n'ont pas le temps de s'échapper, et la soudure fondue pénètre dans la zone de refroidissement et se solidifie, formant ainsi une cavité.

Par conséquent, le profil de température de refusion est à l'origine de la formation de vides. Les BGA en soudure eutectique 63N/37Pb sont les plus susceptibles de présenter des vides, tandis que les BGA composés de billes de soudure eutectique 10Sn/90Pb à point de fusion élevé (302 °C), illégales, sont généralement exempts de vides. Les billes de soudure du BGA ne fondent pas lors du brasage par circulation.

La présence de gaz dans la cavité peut engendrer des contraintes de retrait et de dilatation lors des cycles thermiques. L'emplacement de la cavité deviendra un point de concentration de contraintes et pourra être à l'origine de fissures de contrainte.
Cependant, la présence de cavités réduit les contraintes mécaniques exercées sur les billes de soudure en diminuant l'espace excédentaire qu'elles occupent. Cette réduction dépend de la taille, de l'emplacement, de la forme et d'autres facteurs liés à la cavité.

Les critères d'acceptation/rejet des défauts, définis dans la norme IPC-7095, reposent principalement sur deux points : la position et la taille des défauts. Quelle que soit leur localisation (au centre d'une bille de soudure, dans la couche de pastille ou dans la couche de composants), la qualité et la fiabilité du circuit dépendent de la taille et du nombre de défauts. La présence de petites billes de soudure à l'intérieur des billes est tolérée. Le rapport entre l'espace occupé par le défaut et l'espace occupé par la bille de soudure se calcule comme suit : par exemple, si le diamètre du défaut représente 50 % du diamètre de la bille, la surface occupée par le défaut représente 25 % de la surface de la bille.

La norme IPC spécifie que les vides dans la couche de pastille ne doivent pas dépasser 10 % de la surface de la bille de soudure. Les vides supérieurs à 25 % sont considérés comme des défauts, présentant des risques pour la fiabilité mécanique et électrique. Pour les vides compris entre 10 % et 25 %, il est recommandé d'améliorer le processus afin de les éliminer ou de les réduire.

Lors du brasage d'un BGA à soudure eutectique, la pâte à braser déposée sur le circuit imprimé et les billes de soudure des composants fusionnent. Ce processus se déroule en deux phases. Dans un premier temps, la pâte à braser fond, entraînant l'affaissement des composants. Dans un second temps, les billes de soudure fondent également et fusionnent avec la pâte fondue, formant ainsi une jointure aplatie.

Lors du processus de soudage, il est nécessaire de veiller à ce que la courbe de soudage présente une transition naturelle, afin que la pièce soit chauffée uniformément, notamment au niveau de la zone de soudage.

Dans la zone de soudage, il est impératif de s'assurer que tous les joints de soudure soient parfaitement fondus. Une température insuffisante peut entraîner la formation de joints froids, provoquant des surfaces de soudure rugueuses ou une fusion incomplète lors de la seconde étape de fusion. Ceci peut engendrer des fissures entre la pâte à braser sur le circuit imprimé et la soudure du composant, aboutissant à des soudures défectueuses ou ouvertes.

La viscosité de la pâte à braser permet de fixer temporairement le composant et d'éviter les ponts de soudure lors de la fusion. Pour les matrices BGA, l'ouverture du joint de soudure représente généralement 70 à 80 % de la taille de la pastille, et l'épaisseur de la matrice est habituellement de 0.15 mm (6 mil).

Si certains procédés doivent être intégrés sous les pastilles, il convient de choisir un fabricant de circuits imprimés adapté. Le perçage des pastilles doit être effectué avec précision, et tout agrandissement non autorisé est à proscrire. En effet, un trou de via trop petit peut entraîner des différences de quantité d'étain et de hauteur après soudure entre les pastilles de grande et de petite taille, provoquant ainsi une soudure défectueuse ou un circuit ouvert.

Avant de souder un BGA, assurez-vous que le vernis épargne autour de la pastille est conforme aux normes et que les vias sont recouverts d'un film barrière. L'application d'un film de vernis épargne sur l'autre face du circuit imprimé lors de la production est inefficace. Le film de vernis épargne sert à empêcher la formation de bulles d'air et de vides pendant la soudure, ainsi qu'à empêcher la soudure de s'écouler à travers les trous traversants.

L'application directe de pâte à braser sans retouche évite les excès de soudure et améliore la qualité du brasage. Les trous de via étant métallisés, un excès de soudure ou des problèmes de brasage peuvent provoquer des courts-circuits virtuels. La retouche des BGA est une solution de dernier recours, car elle est longue.

Pour réussir le soudage BGA, il est nécessaire d'utiliser des billes de soudure adaptées et des outils de retouche appropriés. Le placement des billes présente un faible taux de réussite et engendre un gaspillage de ressources. Les puces réparées subissent au moins quatre cycles de refusion, ce qui affecte leur fiabilité. Une préparation minutieuse avant le soudage BGA permet de minimiser les défauts et d'obtenir un taux de réussite élevé. Notre objectif est d'éliminer les défauts sans réparation.