Técnicas de inspección de matriz de rejilla de bolas

Técnicas de inspección de matriz de rejilla de bolas

El progreso constante de la tecnología ha movido la electrónica hacia productos pequeños y livianos. Para mantenerse al día con estos deseos de los consumidores, se introdujo la tecnología de montaje en superficie (SMT). Sin embargo, el aumento de la demanda de estos productos también requirió el desarrollo de tecnologías de alta densidad que pudieran ensamblarse rápidamente. Este impulso condujo al desarrollo de la tecnología BGA (ball grid array).

BGA y dispositivos similares se han convertido rápidamente en un elemento estándar en el diseño moderno de placas de circuito impreso (PCB). Sin embargo, estos dispositivos son notoriamente difíciles de inspeccionar después del montaje. En este artículo, analizaremos los desafíos de la inspección de BGA, las técnicas de inspección utilizadas en el control de calidad de BGA y las formas de evitar defectos comunes de BGA antes del ensamblaje.

¿Qué es una inspección de matriz de rejilla de bolas?

Una matriz de rejilla esférica es un paquete de montaje en superficie para circuitos integrados que se utiliza para montar dispositivos. La superficie inferior del BGA está cubierta de pines dispuestos en un patrón de cuadrícula, de ahí el nombre de la tecnología. En lugar de ser pines de alambre, estas conexiones se hacen con almohadillas con bolas de soldadura. Estas conexiones deben soldarse con cuidado debido a su ubicación debajo del paquete.

Sin embargo, una vez que se completan las conexiones de soldadura, ya no son visibles para el observador casual. Debido a que no son visibles, se requieren técnicas de inspección más avanzadas para garantizar su calidad. Aquí es donde la inspección de BGA juega un papel vital.

La inspección BGA es un proceso en el que se analizan las conexiones entre un chip y una PCB para garantizar la calidad. Las inspecciones de BGA analizan varios aspectos de la matriz de rejilla de bolas, incluida la altura de separación del paquete, la calidad de las conexiones y más. En las inspecciones BGA, la inspección visual sin ayuda es extremadamente limitada, por lo que se requieren otras técnicas para obtener una visión detallada de las conexiones.

Estos métodos de análisis incluyen pruebas eléctricas, inspección óptica asistida e inspección por rayos X. Los componentes de estas técnicas se discutirán con mayor detalle más adelante en este artículo.

¿Por qué es importante la inspección?

La inspección de BGA es notoriamente difícil por una razón:las uniones de soldadura están ubicadas debajo del paquete de BGA. Debido al posicionamiento de esta característica, puede ser un desafío obtener una buena vista del BGA para su inspección. A pesar de esta dificultad, la inspección es esencial para los BGA por varias razones, entre ellas:

• Dificultad de soldadura :La soldadura de componentes BGA es complicada, ya que requiere que se aplique suficiente calor a la matriz para que todas las bolas en la rejilla se derritan lo suficiente como para hacer uniones de soldadura. Tanto la densidad de conexiones como la dificultad de soldar hacen que exista una alta probabilidad de que se produzca un defecto. Las inspecciones ayudan a los expertos a detectar estos defectos para que puedan evitar el envío de piezas defectuosas.
• Pruebas eléctricas poco fiables: Las pruebas eléctricas ejecutan una corriente a través de la PCB para garantizar que sea eléctricamente sólida. Sin embargo, este tipo de prueba solo puede juzgar si la corriente está encendida o apagada cuando los componentes BGA están conectados. Estas pruebas no son confiables ya que solo pueden encontrar un puñado de tipos de defectos y no pueden identificar las ubicaciones de los defectos que encuentran. Las inspecciones exhaustivas que combinan este método con otras técnicas pueden crear una visión general más completa de los errores y sus ubicaciones.
• Reutilización de materiales: Si se descubre que un BGA tiene un defecto de soldadura, se puede quitar usando una estación de retrabajo y reemplazarlo o reacondicionarlo para su reutilización. El proceso de inspección identifica los defectos desde el principio para que los materiales se puedan guardar de esta manera, lo que reduce el desperdicio de material.
• Control de calidad: El ensamblaje de BGA SMT se basa en conexiones físicas de calidad, por lo que el control de calidad de BGA debe incluir una inspección detallada de estas conexiones. Las inspecciones también pueden identificar defectos y patrones comunes. Estos son importantes, ya que los defectos repetidos pueden indicar problemas con el proceso de fabricación y ensamblaje o incluso con el diseño del producto PCB.
• Reducción de costes: Los procesos de inspección exhaustivos minimizan la cantidad de defectos que pasan a la siguiente etapa de producción. Los defectos que pasan la inspección pueden detectarse más adelante en el proceso de producción, lo que hace que la repetición del trabajo sea más costosa. Cuanto más tarde se detecte el defecto, más caro será para su empresa. Es por eso que la prevención y la resolución tempranas son cruciales.

Debido a la importancia de la inspección, los equipos de inspección deben utilizar herramientas y técnicas minuciosas y eficaces en el proceso. De esa forma, estos equipos pueden detectar todos los problemas e identificar sus ubicaciones y causas antes de que se conviertan en problemas mayores y más costosos.

Defectos comunes de BGA

Debido a la complejidad del BGA, pueden ocurrir muchos defectos potenciales durante el proceso de soldadura de un BGA. Algunos problemas que pueden surgir incluyen los siguientes:

• Desalineación: La desalineación ocurre cuando la PCB y el BGA se desplazan durante el reflujo y se conectan en puntos incorrectos. Este es uno de los problemas más comunes que ocurren durante el ensamblaje de BGA.
• Altura de separación inconsistente: Los BGA se colocan encima de los PCB, y una soldadura incorrecta puede provocar que el BGA se configure en un ángulo torcido en la superficie del PCB. Esta altura de separación asimétrica puede comprometer la seguridad de las conexiones.
• Bolas faltantes: Si faltan bolas en el BGA cuando se conecta a la placa de circuito impreso, es posible que falten puntos de conexión esenciales en el ensamblaje.
• Almohadillas no humedecidas: En algunos casos, es posible que la soldadura en pasta refluida no humedezca la almohadilla correctamente. Esto puede deberse a un reflujo incompleto o a restos de resistencia de soldadura de pasos anteriores en el proceso de producción.
• Puentes: Los puentes ocurren cuando queda pasta de soldadura adicional entre los depósitos de pasta. Los puentes entre los puntos de conexión suelen provocar cortocircuitos.
• Reflujo parcial: En algunos casos, es posible que el reflujo no cubra completamente la placa. Esto suele ocurrir debido a un reflujo de soldadura insuficiente, errores humanos o fallas mecánicas.
• Hacer palomitas de maíz: Las palomitas de maíz ocurren cuando las bolas se fusionan durante el proceso de soldadura. Este es un problema común para BGA y, al igual que los puentes, genera cortocircuitos.
• Circuitos abiertos: Los circuitos abiertos ocurren cuando la soldadura no humedece la almohadilla de PCB y se sube a las bolas de soldadura y a la superficie del componente. Si bien una prueba eléctrica puede identificar esto como un problema en una placa, no puede identificar la causa del problema.
• Anulación: La anulación ocurre cuando el flujo se detiene antes de una conexión de soldadura. Este es un problema común en los componentes BGA plegables.

Todos estos problemas pueden ser errores fatales para el producto final, por lo que detectarlos con técnicas y tecnologías de inspección de calidad es una necesidad. Afortunadamente, las técnicas modernas de inspección han avanzado hasta el punto en que la mayoría de estos defectos se pueden identificar utilizando uno o más métodos de inspección. Sin embargo, también es fundamental evitar estos defectos siempre que sea posible antes del montaje.

Consideraciones de diseño para evitar defectos de BGA

Si bien las técnicas de inspección han avanzado hasta un punto en el que pueden detectar muchos defectos antes de continuar con el proceso de fabricación, siempre es ideal evitar irregularidades. Esto requiere una cuidadosa planificación por parte del equipo de diseño. Para maximizar las posibilidades de lograr uniones soldadas con éxito en un BGA, los equipos de diseño deben considerar lo siguiente en el diseño de PCB:

• huellas BGA: Los diseñadores de PCB deben asegurarse de tener el patrón de huella correcto para el dispositivo BGA que desean usar. Asegúrese de que la huella sea correcta y tenga cuidado de diseñar la almohadilla de huella de PCB con precisión para evitar cortocircuitos y problemas de soldadura durante el ensamblaje.
• Gestión térmica: El diseño de PCB debe considerar la masa térmica. Agrupar los BGA muy juntos puede causar un desequilibrio térmico entre las partes de la placa altamente pobladas y las menos pobladas. Por ejemplo, aplicar suficiente calor para soldar correctamente los BGA agrupados puede provocar quemaduras en áreas menos pobladas. Por el contrario, aplicar suficiente calor para evitar quemar áreas menos pobladas puede generar vacíos en los BGA.
• A través de la ubicación: Las vías o los orificios pasantes son características comunes de las PCB, pero la ubicación de las vías puede afectar el comportamiento de la soldadura en el proceso de ensamblaje de BGA. Las vías adyacentes a una almohadilla BGA pueden provocar un exceso de soldadura desde la almohadilla hasta la vía, lo que provoca un cortocircuito. Para evitar esto, proteja las vías adyacentes a una almohadilla BGA con máscara de soldadura.

Además de estas consideraciones de diseño, también debe tener cuidado de desarrollar y verificar un perfil de reflujo adecuado antes del ensamblaje. Esto implica el uso de un perfilador para medir y registrar el rango de temperatura en la unión de la almohadilla/bola BGA cuando la placa pasa por el horno de reflujo. Esto se puede hacer con piezas BGA y PCB desnudas de desecho. Estos datos se pueden usar para garantizar que el perfil de reflujo de la pasta y el perfil térmico de la PCB sean correctos, además de identificar cualquier problema de diseño antes del ensamblaje.

Técnicas de inspección para matriz de rejilla de bolas

El objetivo es evitar defectos, pero la inspección de BGA siempre es necesaria para analizar las conexiones entre un BGA y una PCB. Debido a que es casi imposible ver las uniones de soldadura a través de la observación visual directa, este análisis se logra utilizando varias técnicas y herramientas de inspección. Estas herramientas y técnicas han evolucionado a lo largo de los años para ser confiables y fáciles de usar. Si bien estas herramientas no se pueden usar individualmente para cubrir todos los aspectos de la inspección, pueden proporcionar una visión integral de la BGA cuando se combinan.

Las herramientas y técnicas de inspección a menudo se organizan en las siguientes categorías:

1. Pruebas eléctricas

La prueba eléctrica de BGA es otro proceso de inspección que prueba las propiedades eléctricas de la placa. Esto es diferente de la prueba mecánica, que es un proceso destructivo que somete al BGA a pruebas de impacto y corte para evaluar la calidad de las uniones de soldadura bajo tensión.

Las pruebas eléctricas ejecutan una corriente a través de un BGA para analizar la estabilidad eléctrica de la placa. La prueba determina si la corriente está encendida o apagada después de conectar el componente BGA. Este tipo de prueba es útil para identificar si hay algún problema eléctrico como cortocircuitos o circuitos abiertos. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, las pruebas eléctricas solo pueden identificar la presencia de estos defectos; no se pueden usar para ubicar dónde se encuentra un defecto en un BGA.

Si bien las pruebas eléctricas son un paso importante en el proceso de inspección, es difícil detectar puntos de prueba debajo de los componentes BGA. También es difícil cumplir con los requisitos de evaluación solo con pruebas eléctricas. En cambio, las pruebas eléctricas a menudo se usan en combinación con otras técnicas de prueba para identificar problemas en una inspección de matriz de rejilla de bolas.

2. Inspección óptica o visual

La inspección óptica, también conocida como inspección visual, es el uso de tecnología óptica para ver un BGA y sus conexiones. Históricamente, esta técnica utilizaba el ojo desnudo o los microscopios, que ofrecían resultados limitados. Sin embargo, la introducción del endoscopio ha demostrado ser particularmente valiosa para esta técnica de inspección.

El endoscopio se diseñó originalmente para aplicaciones médicas, pero la capacidad de la tecnología para inspeccionar visualmente objetos diminutos en áreas confinadas lo hace ideal para BGA. La tecnología implica el uso de una cámara con una lente de gran aumento y un monitor conectado para obtener imágenes de primer plano de un área de inspección. Esta tecnología a menudo se combina con software de visualización para captura y medición de imágenes avanzadas.

La inspección visual con un endoscopio permite a los técnicos ver la fila exterior de conexiones entre un BGA y una PCB; con buena iluminación, los técnicos también pueden ver algunas filas interiores. Esta técnica óptica ayuda a identificar y evaluar la calidad general de una junta de soldadura, incluida la forma de la junta, la textura de la superficie y la apariencia, que pueden indicar diferentes defectos.

La inspección óptica también puede identificar cortocircuitos, aberturas, residuos y soldaduras en frío, y es esencial para evaluar el retrabajo, ya que puede identificar la cobertura de reflujo adecuada. Sin embargo, la capacidad visual de esta técnica de inspección es limitada y no permite un análisis detallado de las conexiones internas.

Una nota final sobre los endoscopios es que son un equipo de inspección muy versátil. Los endoscopios se pueden utilizar para inspeccionar uniones de soldadura BGA, así como varios montajes de montaje en superficie y de orificio pasante que pueden ser difíciles de analizar con métodos normales.

3. Inspección de rayos X

El método de inspección más avanzado para BGA es la inspección por rayos X. Los rayos X funcionan emitiendo energía de rayos X desde un tubo de rayos X hacia la placa. Los rayos X pasan a través de la placa en diferentes cantidades, con más rayos X atrapados en áreas densas como las juntas de soldadura. Luego, los rayos X se recogen en un detector, que los convierte en luz visible y genera una imagen.

En esta imagen, las juntas de soldadura son más oscuras que su entorno, lo que permite al espectador ver los patrones de soldadura. La imagen resultante mostrará una cuadrícula uniforme de círculos oscuros idénticos en una placa ideal, siendo los círculos las juntas de soldadura.

La prueba de rayos X da como resultado una imagen en la que la rejilla de bolas y los patrones de soldadura se ven e inspeccionan fácilmente desde un ángulo de arriba hacia abajo. La tecnología de inspección por rayos X más avanzada cuenta con una función de inclinación, que puede analizar la forma de las juntas de soldadura desde diferentes ángulos. Estas imágenes son particularmente útiles para ver variaciones en los patrones y formas de la soldadura, lo que la convierte en una buena tecnología para identificar puentes de soldadura, estallidos, exceso de soldadura y defectos similares. Esta tecnología, sin embargo, no es buena para detectar aperturas.

Al igual que los endoscopios, la tecnología de inspección por rayos X se puede utilizar en varias aplicaciones fuera de la inspección BGA. Algunos ejemplos incluyen inspección de orificio pasante y vía, análisis de defectos de montaje superficial e inspección de soldadura sin plomo.

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Cuando se usan en combinación, las técnicas de inspección efectivas y exhaustivas de matriz de rejilla de bolas pueden reducir en gran medida la cantidad de defectos que pasan la etapa de inspección. Al reducir la cantidad de defectos que avanzan en el proceso de producción, las empresas pueden disminuir la ocurrencia de reprocesos y retiros costosos. Sin embargo, siempre es ideal evitar defectos de BGA a través de un diseño de calidad. Si tiene alguna pregunta sobre BGA, técnicas de inspección y formas de evitar defectos de BGA, comuníquese con los expertos de Millennium Circuits para obtener más detalles.

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