Techniques avancées d'inspection BGA pour une électronique fiable

Techniques d'inspection de Ball Grid Array

Le progrès constant de la technologie a fait évoluer l'électronique vers des produits petits et légers. Pour suivre ces désirs des consommateurs, la technologie de montage en surface (SMT) a été introduite. Cependant, une demande accrue pour ces produits a également exigé le développement de technologies à haute densité qui pourraient être assemblées rapidement. 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 de circuits imprimés (PCB). Cependant, ces dispositifs sont notoirement difficiles à inspecter après l'assemblage. Dans cet article, nous discuterons des défis de l'inspection BGA, des techniques d'inspection utilisées dans le contrôle qualité BGA et des moyens d'éviter les défauts BGA courants avant l'assemblage.

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

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

Une fois les connexions de soudure terminées, cependant, elles ne sont plus visibles pour l'observateur occasionnel. Parce qu'elles 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 ball grid array, y compris la hauteur de déport du boîtier, la qualité des connexions et plus. Dans les inspections BGA, l'inspection visuelle non assistée est extrêmement limitée, donc d'autres techniques sont requises pour obtenir un regard détaillé sur les connexions.

Ces méthodes d'analyse incluent les tests électriques, l'inspection optique assistée et l'inspection par rayons X. Les composants de ces techniques seront discutés 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 caractéristique, il peut être difficile d'obtenir une bonne vue du BGA pour l'inspection. Malgré cette difficulté, l'inspection est essentielle pour les BGA pour plusieurs raisons, notamment :

• Difficulté de soudage : Le soudage des composants BGA est délicat, car il nécessite une chaleur suffisante appliquée à l'array pour que toutes les billes de la grille fondent suffisamment pour faire des joints de soudure. À la fois la densité des connexions et la difficulté de soudage signifient qu'il y a une forte probabilité qu'un défaut se produise. Les inspections aident les experts à attraper ces défauts pour éviter d'envoyer des pièces défectueuses.
• Tests électriques peu 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 que si le courant est allumé ou éteint quand les composants BGA sont connectés. Ces tests ne sont pas fiables car ils ne peuvent trouver que quelques types de défauts et ne peuvent pas localiser l'emplacement de tout défaut qu'ils trouvent. Des inspections complètes qui combinent cette méthode avec d'autres techniques peuvent créer une vue d'ensemble plus complète des erreurs et de leurs emplacements.
• Réutilisation des matériaux : Si un BGA a un défaut de soudure, il peut être retiré en utilisant une station de retouche et remplacé ou remis à neuf pour réutilisation. Le processus d'inspection identifie les défauts tôt pour que les matériaux puissent être sauvés de cette façon, ce qui réduit le gaspillage de matériaux.
• Contrôle qualité : L'assemblage SMT BGA repose sur des connexions physiques de qualité, donc le contrôle qualité BGA doit inclure une inspection détaillée de ces connexions. Les inspections peuvent aussi identifier les défauts et motifs courants. Ce sont importants, car les 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 approfondis minimisent le nombre de défauts qui passent à l'étape suivante de production. Les défauts qui passent l'inspection peuvent être attrapés plus loin dans le processus de production, rendant la retouche plus coûteuse. Plus le défaut est attrapé tard, plus ce sera cher pour 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 techniques approfondis et efficaces dans le processus. De cette façon, ces équipes peuvent attraper tous les problèmes et localiser leurs emplacements et causes avant qu'ils ne deviennent des problèmes plus gros et plus coûteux.

Défauts BGA courants

En raison de la complexité du BGA, de nombreux défauts potentiels peuvent se produire pendant le processus de soudage pour un BGA. Certains problèmes qui peuvent survenir incluent :

• Mauvais alignement : Le mauvais alignement se produit quand le PCB et le BGA sont décalés pendant le refusion et se connectent à des points incorrects. C'est l'un des problèmes les plus courants qui se produit pendant l'assemblage BGA.
• Hauteur de déport incohérente : Les BGA sont posés sur le dessus des PCB, et un soudage incorrect peut résulter en le BGA se posant à un angle tordu sur la surface du PCB. Cette hauteur de déport asymétrique peut compromettre la sécurité des connexions.
• Billes manquantes : Si des billes manquent du BGA quand il est attaché au PCB, des points de connexion essentiels peuvent manquer de l'assemblage.
• Pastilles non mouillées : Dans certains cas, la pâte à souder refondue peut ne pas mouiller la pastille correctement. Cela peut résulter d'une refusion incomplète ou de résist de soudure résiduel des étapes précédentes du processus de production.
• Ponts (Bridges) : Les ponts se produisent quand de la pâte à souder supplémentaire est laissée entre les dépôts de pâte. Les ponts entre les points de connexion résultent souvent en courts-circuits.
• Refusion 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'erreur humaine ou de dysfonctionnement mécanique.
• Popcorning : Le popcorning se produit quand les billes fusionnent ensemble pendant le processus de soudage. C'est un problème courant pour le BGA et, comme les ponts, résulte en courts-circuits.
• Circuits ouverts : Les circuits ouverts se produisent quand la soudure ne mouille pas la pastille PCB 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.
• Vides (Voiding) : Le voiding se produit quand le flux s'arrête avant une connexion de soudure. C'est un problème courant dans les composants BGA collapsibles.

Ces problèmes peuvent tous être des erreurs fatales pour le produit final, donc les attraper avec des techniques et technologies d'inspection de qualité est une nécessité. Heureusement, les techniques d'inspection modernes ont progressé au point où la plupart de ces défauts peuvent être identifiés en utilisant une ou plusieurs méthodes d'inspection. Cependant, il est également essentiel d'éviter ces défauts partout où c'est possible avant l'assemblage.

Considérations de conception pour éviter les défauts BGA

Bien que les techniques d'inspection aient progressé au point où elles peuvent attraper de nombreux défauts avant qu'ils ne passent par le processus de fabrication, il est toujours idéal d'éviter les irrégularités. Cela nécessite une planification soignée de l'équipe de conception. Pour maximiser les chances d'obtenir des joints de soudure réussis sur un BGA, les équipes de conception devraient considérer ce qui suit dans le layout PCB :

• Empreintes BGA : Les concepteurs PCB doivent s'assurer qu'ils ont le bon motif d'empreinte pour le dispositif BGA qu'ils souhaitent utiliser. Assurez-vous que l'empreinte est correcte et prenez soin de concevoir précisément le pad d'empreinte PCB pour éviter les courts-circuits et les problèmes de soudure pendant l'assemblage.
• Gestion thermique : Le layout PCB doit considérer la masse thermique. Regrouper les BGA étroitement ensemble peut causer un déséquilibre thermique entre les parties hautement peuplées et moins peuplées de la carte. Par exemple, appliquer assez de chaleur pour souder correctement des BGA étroitement groupés peut résulter en brûlures dans les zones moins peuplées. Inversement, appliquer une chaleur suffisante pour éviter de brûler les zones moins peuplées peut résulter en vides dans les BGA.
• Placement des vias : Les vias ou trous traversants sont des caractéristiques communes des PCB, mais le placement des vias peut affecter le comportement de la soudure dans le processus d'assemblage BGA. Les vias adjacents à un pad BGA peuvent résulter en excès de soudure coulant du pad vers le via, causant un court-circuit. Pour éviter cela, tentez tous les vias adjacents à un pad BGA avec du masque de soudure.

Au-dessus de ces considérations de conception, vous devriez aussi prendre soin de développer et vérifier un profil de refusion approprié avant l'assemblage. Cela implique d'utiliser un profileur pour mesurer et enregistrer la plage de température à la jonction bille/pad BGA quand la carte passe à travers le four de refusion. Cela peut être fait avec des PCB nus de rebut et des pièces BGA. Ces données peuvent être utilisées pour s'assurer que le profil de refusion pour la pâte et le profil thermique du PCB est correct, plus identifier tout problème de conception avant l'assemblage.

 

Techniques d'inspection pour Ball Grid Array

Éviter les défauts est l'objectif, mais l'inspection BGA est toujours nécessaire pour analyser les connexions entre un BGA et un PCB. Parce qu'il est presque impossible de voir les joints de soudure par observation visuelle directe, cette analyse est accomplie en utilisant 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 quand ils sont combinés.

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

1. Tests électriques

Les tests électriques des BGA est un autre processus d'inspection qui teste les propriétés électriques de la carte. Cela diffère des tests mécaniques, qui est 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 allumé ou éteint après que le composant BGA est connecté. Ce type de test est utile pour identifier s'il y a des problèmes électriques tels que courts-circuits ou circuits ouverts. Cependant, comme discuté précédemment, les tests électriques ne peuvent identifier que la présence de ces défauts — ils ne peuvent pas être utilisés pour localiser où un défaut est sur un BGA.

Bien que les tests électriques soient une étape importante dans le processus d'inspection, il est difficile de capter les points de test sous les composants BGA. Il est également difficile de répondre aux exigences d'évaluation avec les tests électriques seuls. Au lieu de cela, les tests électriques sont souvent utilisés en combinaison avec d'autres techniques de test pour identifier les problèmes dans une inspection de ball grid array.

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 avérée 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 la rend idéale pour les BGA. La technologie implique l'utilisation d'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 la capture et la mesure d'images avancées.

L'inspection visuelle avec un endoscope permet aux techniciens de regarder la rangée externe de connexions entre un BGA et un PCB — avec un bon éclairage, les techniciens peuvent aussi visualiser certaines rangées intérieures. Cette technique optique aide à identifier et évaluer la qualité globale d'un joint de soudure, y compris la forme du joint, la texture de surface et l'apparence, qui peuvent tous indiquer différents défauts.

L'inspection optique peut aussi identifier les courts-circuits, circuits ouverts, débris et soudures froides et est essentielle pour évaluer la retouche, car elle peut identifier une 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 note finale sur les endoscopes est qu'ils sont un équipement d'inspection hautement polyvalent. Les endoscopes peuvent être utilisés pour inspecter les joints de soudure BGA ainsi que divers assemblages de montage en surface et traversants qui peuvent être difficiles à analyser par des méthodes normales.

3. Inspection par 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 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 les zones denses comme les joints de soudure. Les rayons X sont ensuite collectés à 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, permettant 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.

Les résultats du test par rayons X donnent une image où la grille de billes et les motifs de soudure sont facilement vus et inspectés sous un angle vertical. Une technologie d'inspection par rayons X plus avancée comporte 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 formes de soudure, faisant de cette une bonne technologie pour identifier les ponts de soudure, le popcorning, l'excès de soudure et défauts similaires. Cette technologie, cependant, n'est pas bonne pour détecter les circuits ouverts.

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

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Lorsqu'elles sont utilisées en combinaison les unes avec les autres, des techniques d'inspection de ball grid array efficaces et approfondies peuvent grandement réduire le nombre de défauts qui passent l'étape d'inspection. En réduisant la quantité de défauts qui passent au processus de production, les entreprises peuvent diminuer l'occurrence de retouches et rappels coûteux. Cependant, il est toujours idéal d'éviter les défauts BGA par une conception de qualité. Si vous avez des questions sur les BGA, les techniques d'inspection et les moyens d'éviter les défauts BGA, contactez les experts de Millennium Circuits pour plus de détails.

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