Techniques d'inspection de réseau de grille à billes

Techniques d'inspection du réseau de grilles à billes

Les progrès constants de la technologie ont déplacé l'électronique vers des produits petits et légers. Pour répondre à ces désirs des consommateurs, la technologie de montage en surface (SMT) a été introduite. Cependant, la demande accrue pour ces produits a également nécessité le développement de technologies à haute densité pouvant être rapidement assemblées. Cette poussée a conduit au développement de la technologie Ball Grid Array (BGA).

Le BGA et les dispositifs similaires sont rapidement devenus un élément standard dans la conception moderne des cartes de circuits imprimés (PCB). Cependant, ces dispositifs sont notoirement difficiles à inspecter après assemblage. Dans cet article, nous aborderons les défis de l'inspection BGA, les techniques d'inspection utilisées dans le contrôle qualité BGA et les moyens d'éviter les défauts BGA courants avant l'assemblage.

Qu'est-ce qu'une inspection Ball Grid Array ?

Un réseau à billes est un boîtier à montage en surface pour circuits intégrés utilisé pour monter des dispositifs. La surface inférieure du BGA est recouverte de broches disposées en grille, d'où le nom de la technologie. Au lieu d'être des broches de fil, ces connexions sont faites avec des pastilles avec des billes de soudure. Ces connexions doivent être soigneusement soudées en raison de leur emplacement sous l'emballage.

Cependant, une fois les connexions soudées terminées, elles ne sont plus visibles pour l'observateur occasionnel. Parce qu'ils ne sont pas visibles, des techniques d'inspection plus avancées sont nécessaires pour garantir leur qualité. C'est là que l'inspection BGA joue un rôle vital.

L'inspection BGA est un processus où les connexions entre une puce et un PCB sont analysées pour garantir la qualité. Les inspections BGA examinent divers aspects du réseau de billes, y compris la hauteur d'écartement du boîtier, la qualité des connexions et plus encore. Dans les inspections BGA, l'inspection visuelle non assistée est extrêmement limitée, d'autres techniques sont donc nécessaires pour obtenir un aperçu détaillé des connexions.

Ces méthodes d'analyse comprennent les tests électriques, l'inspection optique assistée et l'inspection par rayons X. Les composants de ces techniques seront discutés plus en détail plus loin dans cet article.

Pourquoi l'inspection est-elle importante ?

L'inspection BGA est notoirement difficile pour une raison - les joints de soudure sont situés sous le boîtier BGA. En raison du positionnement de cette fonction, il peut être difficile d'avoir une bonne vue du BGA pour l'inspection. Malgré cette difficulté, l'inspection est essentielle pour les BGA pour plusieurs raisons, notamment :

• Difficulté de soudure :La soudure des composants BGA est délicate, car elle nécessite suffisamment de chaleur pour être appliquée à la matrice afin que toutes les billes de la grille fondent suffisamment pour faire des joints de soudure. La densité des connexions et la difficulté de la soudure signifient qu'il y a une forte probabilité qu'un défaut se produise. Les inspections aident les experts à détecter ces défauts afin d'éviter d'envoyer des pièces défectueuses.
• Tests électriques non fiables : Les tests électriques font passer un courant à travers le PCB pour s'assurer qu'il est électriquement sain. Cependant, ce type de test ne peut juger si le courant est allumé ou éteint que lorsque les composants BGA sont connectés. Ces tests ne sont pas fiables car ils ne peuvent trouver qu'une poignée de types de défauts et ne peuvent pas identifier l'emplacement des défauts qu'ils trouvent. Des inspections complètes qui associent cette méthode à d'autres techniques peuvent créer une vue d'ensemble plus complète des erreurs et de leur emplacement.
• Réutilisation des matériaux : S'il s'avère qu'un BGA présente un défaut de soudure, il peut être retiré à l'aide d'une station de reprise et remplacé ou remis à neuf pour être réutilisé. Le processus d'inspection identifie les défauts très tôt afin que les matériaux puissent être économisés de cette manière, ce qui réduit le gaspillage de matériaux.
• Contrôle qualité : L'assemblage BGA SMT repose sur des connexions physiques de qualité, de sorte que le contrôle qualité BGA doit inclure une inspection détaillée de ces connexions. Les inspections peuvent également identifier les défauts et les modèles courants. Ceux-ci sont importants, car des défauts répétés peuvent indiquer des problèmes avec le processus de fabrication et d'assemblage ou même la conception du produit PCB.
• Réduction des coûts : Des processus d'inspection minutieux minimisent le nombre de défauts transmis à l'étape suivante de la production. Les défauts qui réussissent l'inspection peuvent être détectés plus loin dans le processus de production, ce qui rend les retouches plus coûteuses. Plus le défaut est détecté tardivement, plus il coûtera cher à votre entreprise. C'est pourquoi la prévention et la résolution précoces sont cruciales.

En raison de l'importance de l'inspection, les équipes d'inspection doivent utiliser des outils et des techniques approfondis et efficaces dans le processus. De cette façon, ces équipes peuvent détecter tous les problèmes et identifier leurs emplacements et leurs causes avant qu'ils ne deviennent des problèmes plus importants et plus coûteux.

Défauts BGA courants

En raison de la complexité du BGA, de nombreux défauts potentiels peuvent survenir lors du processus de soudure d'un BGA. Voici quelques problèmes qui peuvent survenir :

• Désalignement : Un désalignement se produit lorsque le PCB et le BGA sont décalés pendant la refusion et se connectent à des points incorrects. C'est l'un des problèmes les plus courants qui se produit lors de l'assemblage du BGA.
• Hauteur de distance incohérente : Les BGA sont placés au-dessus des PCB, et une soudure incorrecte peut entraîner le réglage du BGA à un angle tordu sur la surface du PCB. Cette hauteur de séparation asymétrique peut compromettre la sécurité des connexions.
• Balles manquantes : S'il manque des billes dans le BGA lorsqu'il est fixé au circuit imprimé, des points de connexion essentiels peuvent être absents de l'assemblage.
• Tampons non mouillés : Dans certains cas, la pâte à souder refondue peut ne pas mouiller correctement la pastille. Cela peut être dû à une refusion incomplète ou à des restes de réserve de soudure provenant des étapes précédentes du processus de production.
• Ponts : Les ponts se produisent lorsqu'il reste de la pâte à souder entre les dépôts de pâte. Les ponts entre les points de connexion entraînent souvent des courts-circuits.
• Redistribution partielle : Dans certains cas, la refusion peut ne pas couvrir complètement la carte. Cela se produit souvent en raison d'une refusion de soudure insuffisante, d'une erreur humaine ou de dysfonctionnements mécaniques.
• Pop-corn : Le popcorning se produit lorsque les boules fusionnent pendant le processus de soudure. Il s'agit d'un problème courant pour BGA et, comme les ponts, entraîne des courts-circuits.
• Circuits ouverts : Des circuits ouverts se produisent lorsque la soudure ne mouille pas la pastille du circuit imprimé et grimpe sur les billes de soudure et sur la surface du composant. Bien qu'un test électrique puisse identifier cela comme un problème sur une carte, il ne peut pas identifier la cause du problème.
• Annulation : Le vide se produit lorsque le débit s'arrête avant une connexion soudée. Il s'agit d'un problème courant dans les composants BGA pliables.

Ces problèmes peuvent tous être des erreurs fatales pour le produit final, il est donc nécessaire de les détecter avec des techniques et des technologies d'inspection de la qualité. Heureusement, les techniques d'inspection modernes ont évolué à un point tel que la plupart de ces défauts peuvent être identifiés à l'aide d'une ou plusieurs méthodes d'inspection. Cependant, il est également essentiel d'éviter ces défauts dans la mesure du possible avant l'assemblage.

Considérations de conception pour éviter les défauts BGA

Bien que les techniques d'inspection aient évolué à un point où elles peuvent détecter de nombreux défauts avant de passer par le processus de fabrication, il est toujours idéal d'éviter les irrégularités. Cela nécessite une planification minutieuse de la part de l'équipe de conception. Pour maximiser les chances d'obtenir des joints soudés avec succès sur un BGA, les équipes de conception doivent tenir compte des éléments suivants dans la disposition du circuit imprimé :

• Empreintes BGA : Les concepteurs de PCB doivent s'assurer qu'ils disposent du modèle d'empreinte correct pour le périphérique BGA qu'ils souhaitent utiliser. Assurez-vous que l'empreinte est correcte et veillez à concevoir le tampon d'empreinte PCB avec précision pour éviter les courts-circuits et les problèmes de soudure lors de l'assemblage.
• Gestion thermique : La disposition du PCB doit tenir compte de la masse thermique. Le regroupement rapproché de BGA peut provoquer un déséquilibre thermique entre les parties très peuplées et les moins peuplées de la carte. Par exemple, appliquer suffisamment de chaleur pour souder correctement des BGA étroitement groupés peut entraîner des brûlures dans les zones moins peuplées. À l'inverse, l'application d'une chaleur suffisante pour éviter de brûler des zones moins peuplées peut entraîner des vides dans les BGA.
• Par emplacement : Les vias ou les trous traversants sont des caractéristiques courantes des PCB, mais le placement des vias peut affecter le comportement de la soudure dans le processus d'assemblage BGA. Les vias adjacents à une pastille BGA peuvent entraîner un excès de soudure entre la pastille et le via, provoquant un court-circuit. Pour éviter cela, tentez tous les vias adjacents à une pastille BGA avec un masque de soudure.

En plus de ces considérations de conception, vous devez également prendre soin de développer et de vérifier un profil de refusion approprié avant l'assemblage. Cela implique l'utilisation d'un profileur pour mesurer et enregistrer la plage de température à la jonction bille/pastille BGA lorsque la carte traverse le four de refusion. Cela peut être fait avec des PCB nus et des pièces BGA. Ces données peuvent être utilisées pour garantir que le profil de refusion de la pâte et le profil thermique du PCB sont corrects, ainsi que pour identifier tout problème de conception avant l'assemblage.

Techniques d'inspection pour Ball Grid Array

L'objectif est d'éviter les défauts, mais l'inspection BGA est toujours nécessaire pour analyser les connexions entre un BGA et un PCB. Puisqu'il est presque impossible de voir les joints de soudure par observation visuelle directe, cette analyse est effectuée à l'aide de diverses techniques et outils d'inspection. Ces outils et techniques ont évolué au fil des ans pour être fiables et conviviaux. Bien que ces outils ne puissent pas être utilisés individuellement pour couvrir tous les aspects de l'inspection, ils peuvent fournir une vue complète du BGA lorsqu'ils sont combinés.

Les outils et techniques d'inspection sont souvent organisés dans les catégories suivantes :

1. Tests électriques

Le test électrique des BGA est un autre processus d'inspection qui teste les propriétés électriques de la carte. Ceci est différent des tests mécaniques, qui sont un processus destructif qui soumet le BGA à des tests de choc et de cisaillement pour évaluer la qualité des joints de soudure sous contrainte.

Les tests électriques font passer un courant à travers un BGA pour analyser la stabilité électrique de la carte. Le test détermine si le courant est activé ou désactivé après la connexion du composant BGA. Ce type de test est utile pour identifier s'il y a des problèmes électriques tels que des courts-circuits ou des ouvertures. Cependant, comme indiqué précédemment, les tests électriques ne peuvent qu'identifier la présence de ces défauts - ils ne peuvent pas être utilisés pour localiser un défaut sur un BGA.

Bien que les tests électriques soient une étape importante du processus d'inspection, il est difficile de détecter des points de test sous les composants BGA. Il est également difficile de répondre aux exigences d'évaluation avec les seuls tests électriques. Au lieu de cela, les tests électriques sont souvent utilisés en combinaison avec d'autres techniques de test pour identifier les problèmes lors d'une inspection de réseau à billes.

2. Inspection optique ou visuelle

L'inspection optique, également appelée inspection visuelle, est l'utilisation de la technologie optique pour visualiser un BGA et ses connexions. Cette technique utilisait historiquement l'œil nu ou des microscopes, qui donnaient des résultats limités. Cependant, l'introduction de l'endoscope s'est révélée particulièrement précieuse pour cette technique d'inspection.

L'endoscope a été conçu à l'origine pour des applications médicales, mais la capacité de la technologie à inspecter visuellement de minuscules objets dans des zones confinées le rend idéal pour les BGA. La technologie consiste à utiliser une caméra avec un objectif à fort grossissement et un moniteur connecté pour obtenir des images rapprochées d'une zone d'inspection. Cette technologie est souvent associée à un logiciel de visualisation pour une capture et une mesure d'image avancées.

L'inspection visuelle avec un endoscope permet aux techniciens de regarder la rangée extérieure de connexions entre un BGA et un PCB - avec un bon éclairage, les techniciens peuvent également voir certaines rangées intérieures. Cette technique optique permet d'identifier et d'évaluer la qualité globale d'un joint de soudure, y compris la forme, la texture et l'aspect de la surface, qui peuvent tous indiquer différents défauts.

L'inspection optique peut également identifier les courts-circuits, les ouvertures, les débris et la soudure froide et est essentielle pour évaluer les reprises, car elle peut identifier la couverture de refusion appropriée. Cependant, la capacité visuelle de cette technique d'inspection est limitée et ne permet pas une analyse détaillée des connexions internes.

Une dernière remarque à propos des endoscopes est qu'il s'agit d'un équipement d'inspection très polyvalent. Les endoscopes peuvent être utilisés pour inspecter les joints de soudure BGA ainsi que divers assemblages à montage en surface et à montage traversant qui peuvent être difficiles à analyser par des méthodes normales.

3. Inspection aux rayons X

La méthode d'inspection la plus avancée pour les BGA est l'inspection par rayons X. Les rayons X fonctionnent en émettant de l'énergie de rayons X à partir d'un tube à rayons X sur la carte. Les rayons X traversent la carte à des quantités différentes, avec plus de rayons X piégés dans des zones denses telles que les joints de soudure. Les rayons X sont ensuite collectés au niveau d'un détecteur, qui les traduit en lumière visible et génère une image.

Dans cette image, les joints de soudure sont plus sombres que leur environnement, ce qui permet au spectateur de voir les motifs de soudure. L'image résultante montrera une grille uniforme de cercles sombres identiques dans une carte idéale, les cercles étant les joints de soudure.

Le test aux rayons X donne une image où la grille de billes et les motifs de soudure sont facilement visibles et inspectés sous un angle descendant. La technologie d'inspection par rayons X plus avancée comprend une fonction d'inclinaison, qui peut analyser la forme des joints de soudure sous différents angles. Ces images sont particulièrement utiles pour voir les variations dans les motifs et les formes de soudure, ce qui en fait une bonne technologie pour identifier les ponts de soudure, le popcorning, l'excès de soudure et les défauts similaires. Cette technologie, cependant, n'est pas efficace pour détecter les ouvertures.

Comme les endoscopes, la technologie d'inspection par rayons X peut être utilisée dans diverses applications en dehors de l'inspection BGA. Certains exemples incluent l'inspection des vias et des trous traversants, l'analyse des défauts de montage en surface et l'inspection des soudures sans plomb.

Contacter Millennium Circuits

Lorsqu'elles sont utilisées en combinaison les unes avec les autres, des techniques d'inspection efficaces et approfondies du réseau de billes peuvent réduire considérablement le nombre de défauts qui passent l'étape d'inspection. En réduisant la quantité de défauts qui se déplacent dans le processus de production, les entreprises peuvent réduire le nombre de reprises et de rappels coûteux. Cependant, il est toujours idéal d'éviter les défauts BGA grâce à une conception de qualité. Si vous avez des questions sur les BGA, les techniques d'inspection et les moyens d'éviter les défauts de BGA, contactez les experts de Millennium Circuits pour plus de détails.

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