ISBN 978-631-90145-3-2 - Congreso Argentino de Sistemas Embebidos CASE 2025 - 31 de julio al 1 de agosto
Entrenamiento en soldadura de encapsulados BGA mediante diferentes procesos y tecnolog´ıas
Sergio Guberman, Diego Brengi, Gustavo Rodr´ıguez y Marcelo Acevedo Departamento de Integracio´n de Sistemas Micro y Nanoelectro´nicos Direccio´n Te´cnica de Micro y Nanotecnolog´ıas Instituto Nacional de Tecnolog´ıa Industrial Buenos Aires, Argentina Email: {sguberman, brengi, grodriguez, macevedo}@inti.gob.ar
Resumen—En este trabajo se presentan las actividades realizadas para el entrenamiento en soldadura e inspeccio´n de encapsulados Ball Grid Array (BGA). Para las pra´cticas se utilizaron diferentes encapsulados, placas y tres escenarios distintos: una l´ınea industrial, una l´ınea de prototipado de bajo volumen y una estacio´n de retrabajo espec´ıfica para estos encapsulados. Se mencionan algunos aspectos particulares, como los me´todos de posicionamiento, y finalmente se emplean ima´genes radiogra´ficas para la inspeccio´n. La experiencia con esta variedad de escenarios mejora las habilidades del personal involucrado y fortalece sus capacidades para brindar asistencia te´cnica y cursos pra´cticos sobre la tecnolog´ıa BGA.
Palabras clave—BGA, Ball, Grid, Array, PCB, circuitos impresos, montaje, ensamblaje, alineacio´n, inspeccio´n, entrenamiento, rayos x
Fabricacio´n de primeros prototipos y ciclos de desarrollo ma´s a´giles (disen˜o, fabricacio´n, armado y redisen˜o). Tiempos log´ısticos y control directo del stock. Escenarios geopol´ıticos cambiantes. En las siguientes secciones se presentan los distintos escenarios de entrenamiento, las actividades realizadas, sus resultados y las conclusiones.
II. ESCENARIOS DE ENTRENAMIENTO II-A. Chips BGA y placas de prueba
Se utilizaron varios encapsulados BGA (Ver Fig. 1). Sus caracter´ısticas principales figuran en la tabla I:
I. INTRODUCCIO´ N
Los encapsulados BGA (Ball Grid Array) constituyen una tecnolog´ıa ampliamente establecida en el sector electro´nico, reconocida por su capacidad para soportar una alta densidad de conexiones en poco espacio. Dentro de las alternativas de packages de alta densidad es el que presenta una mejor relacio´n entre costo y facilidad de uso, en comparacio´n con otros tipos de encapsulados como Pin Grid Array (PGA) o Land Grid Array (LGA). Es muy frecuente que los nuevos circuitos integrados, con funcionalidades avanzadas, solamente se consigan con este tipo de encapsulado. Sin embargo, el uso de BGA presenta ciertos desaf´ıos te´cnicos [1], tanto en el disen˜o como en relacio´n con la precisio´n del posicionamiento en el ensamblaje, el perfil de temperatura aplicado, la soldadura y posterior inspeccio´n. En Argentina, la adopcio´n de esta tecnolog´ıa es baja, y son pocas las empresas que tienen disen˜os y productos que incorporen chips BGA. En un escenario global donde la fabricacio´n y el ensamblaje de dispositivos electro´nicos se concentran en pa´ıses como China, podr´ıa parecer innecesario abordar la fabricacio´n local de placas electro´nicas con estos encapsulados. Sin embargo, existen varios motivos para hacerlo:
Aplicaciones sensibles o estrate´gicas, como sistemas militares o de seguridad nacional. Entrenamiento y capacitacio´n en tema´ticas de DFM (disen˜o para la manufacturabilidad) y DFA (disen˜o para el ensamblaje) [2].
Figura 1. Encapsulado BGA-324, BGA-256, BGA-64 y BGA-48.
Tabla I ENCAPSULADOS BGA UTILIZADOS EN LAS PRUEBAS.
Nombre BGA-324 BGA-256 BGA-64 BGA-48
Nro. bolitas 324 256 64 48
Pitch 1,0 mm 1,0 mm 1,0 mm 0,8 mm
Dia´metro bolita 0,6 mm 0,5 mm 0,6 mm 0,29 mm
Con respecto a las placas, se utilizaron placas de disen˜o propio (Ver Fig. 2), orientadas a evaluar procesos involucrados en una l´ınea de ensamblaje de montaje superficial [3]. Tambie´n se utilizaron placas de entrenamiento provistas por la empresa PACE.
36
ISBN 978-631-90145-3-2 - Congreso Argentino de Sistemas Embebidos CASE 2025 - 31 de julio al 1 de agosto
Figura 2. Una de las placas utilizadas para la realizacio´n de pruebas de ensamblaje con encapsulados BGA.
II-B. Equipamiento Las pruebas de soldadura se llevaron a cabo en tres esce-
narios diferentes: 1. L´ınea de ensamblaje industrial [4]: Impresora para este´ncil modelo G5 de la firma GKG (automa´tica) con un este´ncil de acero inoxidable y pasta de estan˜o con plomo marca ALPHA modelo OM5300 62Sn/36Pb/2Ag. Pick and place modelo HW-T6-64F de la firma Beijing Huawei SMT Electronic Technology. Horno de refusio´n modelo 1000M de 10 zonas de la firma Shenzhen Shengdian Electronic Equipment. 2. L´ınea de ensamblaje para prototipado de baja escala [5]: Impresora para este´ncil modelo NeoDen FP2636 (manual) con un este´ncil a medida y la misma pasta de estan˜o que la l´ınea de ensamblaje industrial. Pick and place modelo LE40V de la firma DDM Novastar. Horno de refusio´n modelo GF-12HC-HT de 3 zonas, de la firma DDM Novastar. 3. Equipamiento especializado para retrabajo (soldadura y desoldadura) de chips BGA con tecnolog´ıa de calor por infrarrojos (Ver Fig. 3). Se trata de un equipo modelo IR 3000 de la firma PACE, el cual posee un sistema visual de prisma con ca´maras, una meca´nica muy precisa para el posicionamiento, y cuenta adema´s con un software de control para lograr un correcto perfil de soldadura.
Figura 3. Equipo PACE IR3000 para soldadura y desoldadura de chips BGA.
III. ACTIVIDADES REALIZADAS Existen numerosos factores que deben considerarse al utilizar un BGA correctamente, desde la etapa inicial de disen˜o de PCB hasta la inspeccio´n final del mismo. En esta seccio´n se hara´ foco en algunas de las particularidades que surgieron al abordar las etapas de posicionamiento, soldadura e inspeccio´n. III-A. Posicionamiento con sistema de visio´n En la l´ınea de ensamblaje para prototipado se utiliza un equipo pick and place modelo LE40V que tiene un sistema de visio´n para mejorar la precisio´n meca´nica en la ubicacio´n del componente. Para utilizar este sistema, es necesario configurar previamente un patro´n de reconocimiento para un determinado componente. El equipo levanta el componente toma´ndolo con una boquilla, lo lleva hasta la ca´mara fija, compara la imagen con el patro´n y verifica que este´ correctamente posicionado en la boquilla, y en caso afirmativo, lleva el componente a su posicio´n de destino sobre el PCB. En la Fig. 4 se observa co´mo el sistema de visio´n reconoce el patro´n, detectando la ubicacio´n de la pieza en relacio´n con la boquilla.
Figura 4. Reconocimiento de patro´n en un chip BGA. Con error de posicionamiento (Izquierda). Posicio´n correcta (Derecha).
III-B. Posicionamiento con prisma El equipo IR-3000 emplea un sistema o´ptico de superposi-
cio´n de ima´genes para posicionar con precisio´n el componente BGA sobre la placa. Este sistema funciona con un prisma ubicado entre la placa y el componente. La imagen de la placa (huella del BGA) y la imagen del componente (bolitas) se combinan en el prisma y se env´ıan a una ca´mara, obtenie´ndose en la PC la imagen superpuesta de ambos. Mediante micro´metros de alta precisio´n, el operador ajusta la posicio´n del BGA hasta que, en la imagen combinada mostrada en la pantalla de la PC, las bolitas del BGA queden alineadas con los pads de la placa (Ver Fig. 5). En el paso final, se retira el prisma y el chip baja hasta la placa. III-C. Soldadura
La soldadura de chips BGA se realiza generalmente mediante el sistema cla´sico de horno de refusio´n de varias zonas (Ver Fig. 6), configura´ndolo de manera que se respete el perfil de temperatura que requiere el BGA. En nuestras pruebas, se utilizaron dos hornos distintos, uno de 3 zonas y otro de 10 zonas. Por otro lado, el equipo IR3000 utiliza un sistema de calentamiento infrarrojo superior e inferior, monitoreo de temperatura, y un lazo de control, lo que permite definir en
37
ISBN 978-631-90145-3-2 - Congreso Argentino de Sistemas Embebidos CASE 2025 - 31 de julio al 1 de agosto
Figura 5. Vista compuesta de un chip BGA-64 y la placa, usando un prisma. Placa y chip desalineados (Izquierda). Placa y chips alineados (Derecha).
el software el perfil te´rmico espec´ıfico que se desea aplicar. El proceso de soldadura y las consideraciones de cada caso requieren de conocimientos y experiencia previa. Los detalles de este procedimiento exceden el alcance de este art´ıculo.
Figura 7. Radiograf´ıa del chip BGA de 324 bolitas, soldado en la placa de pruebas.
Figura 6. Una de las placas de pruebas con los encapsulados BGA ya soldados.
III-D. Inspeccio´n con rayos x Una de las mayores dificultades en el uso de encapsulados
BGA es la imposibilidad de inspeccionar fa´cilmente todos los puntos de soldadura para verificar contacto ele´ctrico, ausencia de cortocircuito, calidad de la soldadura, entre otros aspectos. Es por este motivo que se utilizan equipos de rayos X para controlar el proceso e investigar fallas. Para la inspeccio´n se utilizo´ un radio´grafo modelo X5600 de la firma Seamark [6]. Este equipo trabaja fuera de la l´ınea de ensamblaje, tiene un voltaje de operacio´n de tubo entre 40 y 90 kV, y una corriente de tubo entre 10 y 200 µA. Algunas de las ima´genes obtenidas se pueden ver en las figuras 7 y 8.
III-E. Realce y superposicio´n de ima´genes Una vez obtenidas las ima´genes de rayos X, se plantearon
dos modalidades para su tratamiento: Realce : Utilizando un programa de edicio´n de ima´genes
se alteran para´metros como brillo, contraste y curva de colores para mejorar la visualizacio´n en general, o para resaltar detalles espec´ıficos de intere´s. En la Fig. 9 se muestra un caso donde se quitaron dos bolitas al BGA antes de soldarlo. Alterando la curva de colores se logra limpiar la imagen para que solo queden visibles las bolitas del BGA (estan˜o), quedando ma´s evidentes las soldaduras faltantes. Superposicio´n : En esta te´cnica se superpone una ima´gen fotogra´fica de la placa vac´ıa con la imagen radiogra´fica. Para lograrlo en forma precisa es necesario aplicar
Figura 8. Radiograf´ıa del chip BGA de 256 bolitas, soldado en la placa de pruebas.
transformaciones como escalado, rotacio´n o perspectiva a una de las ima´genes. Esta te´cnica necesita de puntos de referencia en ambas ima´genes, para lo cual se colocaron v´ıas (agujeros metalizados) en los alrededores del BGA, debido a que las mismas se visualizan tanto en la foto como en la radiograf´ıa. En la Fig. 10 se observa una imagen obtenida con esta te´cnica (usando la Fig. 7 de base), donde se pueden ver los pads, alineados con las bolitas, adema´s de detalles como la serigraf´ıa. Las “sombras” que se observan alrededor de los pads se deben a la pequen˜a desalineacio´n entre bolitas soldadas y los pads. Estas ima´genes pueden servir para un ana´lisis ma´s detallado cuando la radiograf´ıa sola no es concluyente. En todos los casos, se utilizo´ el software GIMP [7] para la edicio´n de ima´genes.
IV. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Durante la experiencia de entrenamiento en soldadura e inspeccio´n de chips BGA se utilizaron diversos encapsulados, placas de prueba, equipos y me´todos para el posicionamiento
38
ISBN 978-631-90145-3-2 - Congreso Argentino de Sistemas Embebidos CASE 2025 - 31 de julio al 1 de agosto
Figura 9. Radiograf´ıa de chip BGA de 256 bolitas con dos bolitas faltantes. Imagen sin procesar (izquierda). Imagen postprocesada para realzar la falla (derecha).
Figura 10. Placa vac´ıa (Izquierda). Radiograf´ıa de chip BGA-324superpuesta con una foto de la placa vac´ıa, usando cuatro v´ıas de referencia (Derecha).
y la soldadura. En los tres escenarios analizados con sus diferentes tecnolog´ıas, el proceso de soldadura de componentes BGA arrojo´ resultados aceptables. En todos los casos se utilizaron ima´genes de rayos X para observar los resultados. Esta revisio´n es fundamental para validar los distintos procesos de soldadura, detectar fallos y encontrar sus posibles soluciones.
Con el objetivo de efectuar una comparativa entre ambas l´ıneas de ensamblaje, se trabajo´ con pasta con plomo, cuya menor temperatura de refusio´n frente a la pasta sin plomo facilito´ la configuracio´n del perfil te´rmico en los hornos. El ana´lisis comparativo entre dichas l´ıneas revela una diferencia significativa en las competencias requeridas por el personal operativo.
En la l´ınea de ensamblaje industrial, equipada con una impresora de este´nciles automatizada y un horno de refusio´n de diez zonas, el factor clave para el e´xito reside en la capacidad del operario para la configuracio´n y optimizacio´n de los procesos. La destreza se manifiesta en la parametrizacio´n precisa del equipo, como la velocidad de impresio´n, la presio´n del squeegee y la separacio´n del este´ncil, y en el disen˜o de perfiles te´rmicos complejos y estables que garanticen la repetibilidad en miles de unidades.
En contraposicio´n, la l´ınea de prototipado, que utiliza una impresora de este´nciles manual y un horno de tres zonas, demanda un conjunto de habilidades marcadamente distintas. Aqu´ı, la pericia manual y agudeza visual del operario se convierten en el eje central del proceso. El e´xito del ensamblaje de componentes BGA depende directamente de la precisio´n
en la alineacio´n del este´ncil sobre los pads del PCB y de la deposicio´n uniforme de la pasta de soldar. Adicionalmente, la gestio´n del horno de tres zonas exige un profundo conocimiento pra´ctico para definir un perfil te´rmico robusto, compensando de esta manera las limitaciones operativas del equipo.
La diversidad de escenarios abordados permitio´ consolidar conocimientos y perfeccionar las habilidades de todo el personal involucrado, adema´s de facilitar el estudio ma´s profundo de la tema´tica. En conjunto, la experiencia permitio´ validar procesos, identificar limitaciones operativas y sentar bases so´lidas para futuros entrenamientos pra´cticos con tecnolog´ıa BGA en entornos locales.
V. TRABAJO FUTURO Como actividad futura se plantea generar distintos tipos de falla, considerando, por ejemplo, las mencionadas en las normas IPC-A-610 [8] e IPC-7095 [9], para su posterior tratamiento y ana´lisis. Tambie´n se buscara´ perfeccionar las te´cnicas de uso de los equipos de inspeccio´n por rayos X y el tratamiento posterior de las ima´genes. Asimismo, se planifica realizar un curso pra´ctico sobre el manejo de chips BGA y fomentar la vinculacio´n con empresas que puedan beneficiarse de la incorporacio´n de esta tecnolog´ıa.
VI. AGRADECIMIENTOS Agradecemos el apoyo y la confianza brindados por la empresa Pixart S.R.L., en especial a Gabriel Ortiz y Juan Pablo Menditto. Tambie´n destacamos la buena predisposicio´n y colaboracio´n de Alejandro y Marcos Mayer, de la empresa Mayer S.A. Por u´ltimo, agradecemos a Mike y Mar´ıa, de PACE Worldwide, por la donacio´n de los kits con componentes BGA que fueron utilizados en las pruebas realizadas.
REFERENCIAS
[1] Brengi D., Tropea S., Parra V. y Huy C. , “Soldadura, inspeccio´n y verificacio´n, en laboratorio, de un prototipo con chip BGA”, II Congreso de Microelectro´nica Aplicada (uEA 2011), ISBN: 978-950-34-0749-3, pp. 95–100, 2011. Link
[2] Happy Holden, Clyde F. Coombs; “Planning for Design, Fabrication and Assembly”, Printed Circuits Handbook, Sixth Edition, McGrawHill, Chapter 19.1.,2008
[3] Brengi, D., S. Guberman, G. Rodr´ıguez, and M. Acevedo, “Disen˜o de placas para entrenamiento y puesta a punto de una l´ınea de ensamble de circuitos impresos con tecnolog´ıa de montaje superficial”, Congreso Argentino de Sistemas Embebidos 2024, ISBN: 978-631-90145-2-5, pp. 102–105, 2024. Link
[4] Pixart S.R.L, “Pixart Argentina”. Link. [5] Brengi, D., S. Guberman, G. Rodr´ıguez, M. Acevedo, and A. Lozano,
“Nueva planta piloto para prototipado e investigacio´n de circuitos impresos”, Congreso Argentino de Sistemas Embebidos 2024, ISBN: 978-631-90145-2-5, pp. 63–66, 2024. Link [6] X5600 X-ray Inspection System, “Seamark SMT Solutions”. Link. [7] The GIMP Team, “GNU Image Manipulation Program (GIMP)”. Link. [8] IPC, Association Connecting Electronics Industries, “IPC-A-610, Acceptability of Electronic Assemblies”, versio´n J, marzo de 2024. Link. [9] IPC, Association Connecting Electronics Industries, “IPC-7095C, Design and Assembly Process Implementation for BGAs”, versio´n C, enero de 2013. Link.
39
Ver+/-
