Técnicas avanzadas de inspección BGA para electrónica fiable

Técnicas de inspección de Ball Grid Array

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

Los 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 ensamblaje. En este artículo, discutiremos los desafíos de la inspección BGA, las técnicas de inspección usadas en el control de calidad BGA y formas de evitar defectos comunes de BGA antes del ensamblaje.

¿Qué es una inspección de Ball Grid Array?

Un ball grid array es un paquete de montaje superficial para circuitos integrados que se usa 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 pads con bolas de soldadura. Estas conexiones necesitan soldarse cuidadosamente debido a su ubicación debajo del paquete.

Una vez que las conexiones de soldadura están completas, sin embargo, ya no son visibles para el observador casual. Porque no son visibles, se requieren técnicas de inspección más avanzadas para asegurar su calidad. Aquí es donde la inspección BGA juega un papel vital.

La inspección BGA es un proceso donde las conexiones entre un chip y una PCB se analizan para asegurar calidad. Las inspecciones BGA examinan varios aspectos del ball grid array, incluyendo la altura de separación (standoff height) del paquete, la calidad de las conexiones y más. En las inspecciones BGA, la inspección visual sin asistencia es extremadamente limitada, por lo que se requieren otras técnicas para obtener una vista 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 más detalle más adelante en este artículo.

¿Por qué es importante la inspección?

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

• Dificultad de soldadura: Soldar componentes BGA es complicado, ya que requiere calor suficiente aplicado al array para que todas las bolas en la cuadrícula se fundan lo suficiente para hacer uniones de soldadura. Tanto la densidad de conexiones como la dificultad de soldadura significan que hay una alta probabilidad de que ocurra un defecto. Las inspecciones ayudan a los expertos a detectar estos defectos para evitar enviar piezas defectuosas.
• Pruebas eléctricas poco fiables: Las pruebas eléctricas hacen circular corriente a través de la PCB para asegurar que es 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 fiables ya que solo pueden encontrar un puñado de tipos de defectos y no pueden precisar las ubicaciones de cualquier defecto que encuentren. Inspecciones exhaustivas que combinan este método con otras técnicas pueden crear una visión más completa de errores y sus ubicaciones.
• Reutilización de material: Si se encuentra que un BGA tiene un defecto de soldadura, puede removerse usando una estación de retrabajo y reemplazarse o refurbisharse para reutilización. El proceso de inspección identifica defectos temprano para que los materiales puedan salvarse de esta manera, lo que reduce el desperdicio de material.
• Control de calidad: El ensamblaje SMT BGA depende de conexiones físicas de calidad, por lo que el control de calidad BGA debe incluir una inspección detallada de estas conexiones. Las inspecciones también pueden identificar defectos comunes y patrones. Estos son importantes, ya que defectos repetidos pueden indicar problemas con el proceso de fabricación y ensamblaje o incluso el diseño del producto PCB.
• Reducción de costes: Los procesos de inspección exhaustivos minimizan el número de defectos que pasan a la siguiente etapa de producción. Defectos que pasan la inspección pueden ser detectados más adelante en el proceso de producción, haciendo el retrabajo más costoso. Cuanto más tarde se detecte el defecto, más costoso será para su empresa. Por eso la prevención y resolución temprana es crucial.

Debido a la importancia de la inspección, los equipos de inspección deben utilizar herramientas y técnicas exhaustivas y efectivas en el proceso. De esa manera, estos equipos pueden detectar todos los problemas y precisar 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, muchos defectos potenciales pueden ocurrir durante el proceso de soldadura para un BGA. Algunos problemas que pueden surgir incluyen los siguientes:

• Desalineación: La desalineación ocurre cuando la PCB y el BGA están desfasados durante el reflujo y conectan en puntos incorrectos. Este es uno de los problemas más comunes que ocurre durante el ensamblaje BGA.
• Altura de separación inconsistente: Los BGA se colocan sobre las PCB, y una soldadura inadecuada puede resultar en que el BGA se asiente en un ángulo torcido sobre la superficie de la PCB. Esta altura de separación asimétrica puede comprometer la seguridad de las conexiones.
• Bolas faltantes: Si faltan bolas del BGA cuando se adjunta a la PCB, puntos de conexión esenciales pueden faltar en el ensamblaje.
• Pads no humedecidos: En algunos casos, la pasta de soldadura refluida puede no humedecer el pad correctamente. Esto puede resultar de reflujo incompleto o residuos de resist de soldadura de pasos previos en el proceso de producción.
• Puentes (Bridges): Los puentes ocurren cuando se deja pasta de soldadura extra entre depósitos de pasta. Los puentes entre puntos de conexión a menudo resultan en cortocircuitos.
• Reflujo parcial: En algunos casos, el reflujo puede no cubrir completamente la placa. Esto a menudo ocurre debido a reflujo de soldadura insuficiente, error humano o fallos mecánicos.
• Popcorning: El popcorning ocurre cuando las bolas se fusionan durante el proceso de soldadura. Este es un problema común para BGA y, como los puentes, resulta en cortocircuitos.
• Circuitos abiertos: Los circuitos abiertos ocurren cuando la soldadura falla al humedecer el pad de la PCB y sube a las bolas de soldadura y a la superficie del componente. Mientras una prueba eléctrica puede identificar esto como un problema en una placa, no puede identificar la causa del problema.
• Voiding (Huecos): El voiding ocurre cuando el flujo se detiene antes de una conexión de soldadura. Este es un problema común en componentes BGA colapsables.

Estos problemas pueden ser errores fatales para el producto final, así que detectarlos con técnicas y tecnologías de inspección de calidad es una necesidad. Afortunadamente, las técnicas modernas de inspección han avanzado hasta un punto donde la mayoría de estos defectos pueden identificarse usando uno o más métodos de inspección. Sin embargo, también es esencial evitar estos defectos siempre que sea posible antes del ensamblaje.

Consideraciones de diseño para evitar defectos BGA

Si bien las técnicas de inspección han avanzado hasta un punto donde pueden detectar muchos defectos antes de que procedan a través del proceso de fabricación, siempre es ideal evitar irregularidades. Esto requiere planificación cuidadosa del equipo de diseño. Para maximizar las posibilidades de lograr uniones de soldadura exitosas en un BGA, los equipos de diseño deben considerar lo siguiente en el layout de PCB:

• Huellas (footprints) BGA: Los diseñadores de PCB necesitan asegurarse de que tienen el patrón de huella correcto para el dispositivo BGA que desean usar. Asegúrese de que la huella es correcta y tenga cuidado de diseñar el pad de huella PCB precisamente para evitar cortocircuitos y problemas de soldadura durante el ensamblaje.
• Gestión térmica: El layout de PCB debe considerar la masa térmica. Agrupar BGAs estrechamente puede causar un desequilibrio térmico entre partes altamente pobladas y menos pobladas de la placa. Por ejemplo, aplicar suficiente calor para soldar correctamente BGAs agrupados puede resultar en quemaduras en áreas menos pobladas. Por el contrario, aplicar calor suficiente para evitar quemar áreas menos pobladas puede resultar en vacíos en los BGAs.
• Ubicación de vías: Las vías o through-holes son características comunes de PCB, pero la ubicación de vías puede afectar el comportamiento de la soldadura en el proceso de ensamblaje BGA. Vías adyacentes a un pad BGA pueden resultar en exceso de soldadura corriendo del pad a la vía, causando un cortocircuito. Para evitar esto, tienda (tent) cualquier vía adyacente a un pad 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 involucra usar un perfilador para medir y registrar el rango de temperatura en la unión bola/pad BGA cuando la placa pasa por el horno de reflujo. Esto puede hacerse con PCBs base scrap y partes BGA. Estos datos pueden usarse para asegurar que el perfil de reflujo para la pasta y el perfil térmico de la PCB es correcto, además de identificar cualquier problema de diseño antes del ensamblaje.

Técnicas de inspección para Ball Grid Array

Evitar defectos es el objetivo, pero la inspección BGA siempre es necesaria para analizar las conexiones entre un BGA y PCB. Porque es casi imposible ver las uniones de soldadura a través de observación visual directa, este análisis se logra usando 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 pueden usarse individualmente para cubrir todos los aspectos de la inspección, pueden proporcionar una visión completa del BGA cuando se combinan.

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

1. Pruebas eléctricas

Las pruebas eléctricas de BGA son otro proceso de inspección que prueba las propiedades eléctricas de la placa. Esto es diferente de las pruebas mecánicas, que es un proceso destructivo que somete el BGA a pruebas de choque y cizallamiento para evaluar la calidad de las uniones de soldadura bajo tensión.

Las pruebas eléctricas hacen circular 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 que el componente BGA está conectado. Este tipo de prueba es útil para identificar si hay problemas eléctricos como cortocircuitos o circuitos abiertos. Sin embargo, como se discutió anteriormente, las pruebas eléctricas solo pueden identificar la presencia de estos defectos — no pueden usarse para localizar dónde está un defecto en un BGA.

Si bien las pruebas eléctricas son un paso importante en el proceso de inspección, es difícil captar puntos de prueba bajo componentes BGA. También es difícil cumplir con los requisitos de evaluación con solo pruebas eléctricas. En su lugar, las pruebas eléctricas a menudo se usan en combinación con otras técnicas de prueba para identificar problemas en una inspección de ball grid array.

2. Inspección óptica o visual

La inspección óptica, también llamada inspección visual, es el uso de tecnología óptica para ver un BGA y sus conexiones. Esta técnica históricamente usó el ojo desnudo o microscopios, que entregaban resultados limitados. Sin embargo, la introducción del endoscopio ha demostrado ser particularmente valiosa para esta técnica de inspección.

El endoscopio fue originalmente diseñado para aplicaciones médicas, pero la capacidad de la tecnología para inspeccionar visualmente objetos diminutos en áreas confinadas lo hace ideal para BGAs. La tecnología involucra usar una cámara con lente de alta magnificación y un monitor conectado para obtener imágenes de cerca 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 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 unión de soldadura, incluyendo la forma de la unión, textura de superficie y apariencia, que pueden indicar diferentes defectos.

La inspección óptica también puede identificar cortocircuitos, circuitos abiertos, residuos y soldadura fría y es esencial para evaluar 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 conexiones internas.

Una nota final sobre endoscopios es que son un equipo de inspección altamente versátil. Los endoscopios pueden usarse para inspeccionar uniones de soldadura BGA así como varios ensamblajes de montaje superficial y through-hole que pueden ser difíciles de analizar a través de métodos normales.

3. Inspección por rayos X

El método de inspección más avanzado para BGAs es la inspección por rayos X. Los rayos X funcionan emitiendo energía de rayos X desde un tubo de rayos X sobre la placa. Los rayos X pasan a través de la placa en cantidades diferentes, con más rayos X atrapados en áreas densas como uniones de soldadura. Los rayos X son luego recolectados en un detector, que los traduce en luz visible y genera una imagen.

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

Los resultados de la prueba de rayos X resultan en una imagen donde la cuadrícula de bolas y patrones de soldadura son fácilmente vistos e inspeccionados desde un ángulo cenital. La tecnología de inspección por rayos X más avanzada presenta una función de inclinación (tilt), que puede analizar la forma de las uniones de soldadura desde diferentes ángulos. Estas imágenes son particularmente útiles para ver variaciones en patrones y formas de soldadura, haciendo de esta una buena tecnología para identificar puentes de soldadura, popcorning, exceso de soldadura y defectos similares. Esta tecnología, sin embargo, no es buena para detectar circuitos abiertos.

Al igual que los endoscopios, la tecnología de inspección por rayos X puede usarse en varias aplicaciones fuera de la inspección BGA. Algunos ejemplos incluyen inspección de vías y through-holes, análisis de defectos de montaje superficial e inspección de soldadura sin plomo.

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Cuando se usan en combinación entre sí, técnicas de inspección de ball grid array efectivas y exhaustivas pueden reducir enormemente el número 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 retrabajos costosos y retiradas. Sin embargo, siempre es ideal evitar defectos BGA a través de un diseño de calidad. Si tiene alguna pregunta sobre BGAs, técnicas de inspección y formas de evitar defectos BGA, contacte a los expertos en Millennium Circuits para más detalles.

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