Facteurs clés influençant la qualité d'assemblage BGA : guide complet

Avec le développement rapide des circuits intégrés à très grande échelle (VLSI), les exigences d'assemblage électronique ne peuvent plus être satisfaites par les boîtiers traditionnels ; de nouveaux boîtiers apparaissent, poussés par la demande d'intégration plus élevée, de taille de carte réduite et de nombre d'I/O accru. Parmi ces nouveaux types, le BGA (ball grid array) est un type principal aux applications les plus vastes grâce à sa diversité surmontant les limitations des boîtiers traditionnels. Du point de vue des éléments de technologie de brasage, le BGA diffère peu des boîtiers traditionnels (ex: QFP). Néanmoins, les broches sont remplacées par des billes de soudure, une révolution dans l'assemblage électronique, amenant des boîtiers dérivés comme le CSP (chip scale package). Actuellement, le brasage BGA utilise encore la technologie CMS (SMT) traditionnelle et peut être réalisé sur des équipements CMS ordinaires. Cet article discute les facteurs affectant l'application des technologies d'assemblage BGA : design de pad BGA, impression pâte à souder, précision d'alignement de montage, courbes de température de brasage et défauts de brasage.

Faisabilité du design de pad BGA

Les boîtiers BGA existent en plusieurs classifications selon les pas. En général, le design de pad BGA doit d'abord considérer la faisabilité du routage CAO et la fabricabilité du PCB. Les pads BGA existent en nombreux types, librement sélectionnables si l'espace le permet, les types suivants étant courants :

• Pad Dog-bone (en forme d'os)

Le pad dog-bone utilise un via pour amener la piste vers d'autres couches, limitant la taille du pad. L'existence de vias peut causer des défauts lors de la fabrication PCB : pont de soudure dû au décollement du masque. La taille du pad doit donc être conçue en respectant rigoureusement le niveau de fabrication pratique pour minimiser les défauts de brasage BGA et laisser de l'espace pour une future reprise BGA.

• Vias répartis externement aux pads BGA

Ce type convient aux composants BGA à faible nombre d'I/O. Il facilite le brasage et laisse plus d'espace pour la taille du pad. Bien sûr, l'exigence fondamentale de routage doit être respectée. Il est donc presque impossible d'utiliser ce type sur BGA à haut nombre d'I/O.

• Pad Via-in-pad (via dans le pad)

Le via-in-pad se développe avec le progrès de la technologie microvia en fabrication PCB.

Outre le type de pad, le masque soudure et la position du pad BGA sont directement liés au brasage BGA. Selon la position du masque, les pads BGA sont de deux types : SMD (solder mask defined) et NSMD (non-solder mask defined), aux fonctions respectives sur le brasage BGA. Avec pad SMD, la zone de liaison pad-pad est grande, menant à une grande zone de liaison entre joints de soudure et PCB. Mais quand la taille du pad augmente, l'espacement entre pads adjacents diminue, affectant la distribution des vias-pads et la capacité de routage.

Lors de la fabrication PCB, si le masque se dévie dans la même direction, le pad BGA n'est pas influencé, ce qui favorise le brasage. Mais ce type de pad tend à se casser au bord lors de la reprise du masque, nuisant à l'effet de reprise. Avec pad NSMD, le pad est plus petit, favorable à la distribution via-pad et au routage. Cependant, cette structure réduit la zone de liaison entre joint de soudure et pad, diminuant l'intensité de liaison. En résumé, les deux types ont avantages et inconvénients ; le pad correspondant peut être choisi selon les considérations technologiques.

Impression de pâte à souder

L'impression de pâte à souder joue un rôle clé dans la qualité du brasage. C'est la transformation précise de la pâte du pochoir vers le pad, impliquant pochoir, pâte et imprimante. La précision de l'imprimante doit d'abord répondre aux exigences de l'assemblage BGA. Le pochoir détermine la quantité de pâte par son épaisseur et sa taille d'ouverture. La quantité de pâte requise par le boîtier BGA est généralement déterminée par 3 aspects :

• Quantité suffisante pour d'excellentes connexions de brasage BGA.
• Compenser l'erreur de coplanarité des billes de soudure BGA (généralement 0,1 mm).
• Si d'autres composants à pas fin sont sur la carte, considérer globalement la quantité de pâte pour éviter plus de défauts.

Précision de positionnement

Les positions précises des composants BGA sur le PCB dépendent entièrement de la précision des placeurs de puces, dont la plupart intègrent un système de positionnement spécifique pour un alignement précis. Certains placeurs inspectent même la coplanarité des billes BGA et détectent des défauts comme billes manquantes, améliorant grandement la fiabilité du brasage BGA.

D'autres mesures peuvent améliorer la précision de montage : marques de fiducial locales à l'extérieur des pads BGA, ou quelques lignes de pli comme marques pour inspection manuelle après assemblage, vérifiées efficaces en production.

De plus, les composants BGA présentent un effet d'auto-centrage évident lors du brasage grâce à la tension de surface de la soudure. Certains concepteurs agrandissent délibérément les pads aux quatre coins du design de pad BGA, rendant l'auto-centrage plus marqué pour assurer le repositionnement si le montage est décalé.

Courbe de température de brasage et défauts de brasage

La courbe de température détermine directement la qualité du brasage. Elle comprend généralement quatre phases : préchauffage, trempe, refusion, refroidissement, chacune avec changements physico-chimiques distincts. Comme le réglage de la courbe détermine le processus de formation des joints, elle est étroitement liée à la fiabilité des joints. Du fait de la particularité du boîtier BGA, il est très difficile de générer une courbe satisfaisante. Généralement, un composant BGA nécessite trois mesures de température : température du boîtier, température de surface du PCB, température du joint de soudure interne du BGA.

Technologies d'inspection et de reprise BGA

Tous les joints de soudure BGA étant sous le boîtier après brasage, les méthodes traditionnelles (test à sonde volante, inspection visuelle) ne suffisent pas. Actuellement, les principales méthodes pour scanner les défauts de joints BGA sont : AOI (inspection optique automatisée) et AXI (inspection par rayons X automatisée).

Compte tenu des propriétés de la structure BGA, il est quasi impossible d'inspecter un seul joint de soudure ; le corps d'encapsulage complet doit être repris.

Autres facteurs

D'autres facteurs doivent être notés dans le processus d'assemblage BGA : protection électrostatique et cuisson des composants BGA. Généralement, les BGA exigent des emballages spéciaux avec protection électrostatique. Pendant l'assemblage PCB, des mesures rigoureuses de protection ESD doivent être mises en œuvre : mise à la terre des équipements, gestion du personnel, administration de l'environnement.

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Ressources utiles :
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