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Soldadura y Entrenamiento en Chips BGA: Estudio comparativo de procesos.
Gustavo Rodr´ıguez, Diego Brengi, Sergio Guberman 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: {grodriguez, brengi, sguberman, macevedo}@inti.gob.ar
Resumen—Este trabajo presenta las actividades realizadas para la soldadura e inspeccio´n de encapsulados Ball Grid Array (BGA). Para tal fin se disen˜ aron y utilizaron cupones de pruebas espec´ıficos, en combinacio´n con diferentes chips BGA. Las pruebas se llevaron a cabo en tres escenarios complementarios: una planta piloto de prototipado en el INTI, una l´ınea industrial de montaje superficial en la empresa Pixart S.R.L., y una estacio´n de retrabajo especializada en BGA. Se abordaron aspectos cr´ıticos como los me´todos de posicionamiento, la configuracio´n de perfiles te´rmicos de soldadura y la inspeccio´n mediante rayos X. Los resultados obtenidos demostraron la utilidad de los cupones en procesos de entrenamiento, permitiendo validar procedimientos, identificar limitaciones operativas y consolidar buenas pra´cticas de manufactura en entornos industriales y educativos. La experiencia sento´ adema´s bases so´lidas para futuros entrenamientos pra´cticos, la incorporacio´n de conceptos de disen˜ o para la manufactura y la transferencia de conocimientos sobre tecnolog´ıa BGA.
la realizacio´n del presente trabajo se emplearon cupones de disen˜o propio.
I-A. Cupones
Los cupones son estructuras de prueba y/o control de calidad que se ubican en el mismo panel de ensamble, generalmente en los ma´rgenes del circuito impreso que se desea fabricar. Por este motivo, suelen tener dimensiones reducidas, de modo que no afecten significativamente el a´rea u´til disponible. La Figura 1 muestra un ejemplo de la disposicio´n de estos cupones dentro de un panel de fabricacio´n.
Palabras clave—PCB, circuitos impresos, cupones, BGA, ensamblaje, SMT, inspeccio´n, caracterizacio´n, entrenamiento, montaje superficial, rayos X.
I. INTRODUCCIO´ N
La tecnolog´ıa de montaje superficial o´ SMT (“SurfaceMount Technology” en ingle´s) consiste en un me´todo de ensamblaje de placas electro´nicas, en el cual los componentes se colocan directamente sobre la superficie de la placa de circuito impreso [1]. En la actualidad, constituye una de las te´cnicas de ensamblaje ma´s difundidas dentro de la industria electro´nica, debido a que posibilita una mayor densidad de componentes y contribuye a mejorar la eficiencia en la produccio´n de placas. A medida que la industria electro´nica evoluciona, tambie´n lo hacen los diferentes tipos de encapsulados empleados en el montaje superficial. En este marco, los encapsulados Ball Grid Array (BGA) han adquirido una presencia significativa, lo que hace necesario contar con un manejo adecuado de esta tecnolog´ıa durante el proceso de ensamblado de placas electro´ nicas. Esto se logra mediante los procesos de puesta en marcha, calibracio´n y entrenamiento de las l´ıneas de ensamblaje SMT, los cuales generalmente se realizan utilizando placas de prueba, comu´nmente denominadas cupones. Estas pueden ser de disen˜o propio, comerciales o provistas por alguno de los proveedores del equipamiento involucrado en la l´ınea. Para
Figura 1. Panelizado de un circuito impreso con una distribucio´n de cupones t´ıpica.
La norma IPC-2221B [2], en sus ape´ndices A y B, definen varios cupones de prueba orientados a evaluar caracter´ısticas de fabricacio´n. Algunos ejemplos son:
Cupo´n A/B: Contiene agujeros metalizados que se utilizan para evaluar estre´s te´rmico, retrabajo y fisuras en el cilindro metalizado (v´ıa). Cupo´n C: Utilizado para testear la fuerza necesaria para despegar el cobre del sustrato. Cupo´n D: Evalu´a la resistencia de interconexio´n y continuidad. Cupo´n M: Destinado a probar la soldabilidad en componentes SMD.
Ninguno de los cupones mencionados en la norma IPC-2221B tienen como finalidad la prueba ni el entrenamiento con el
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equipamiento que integra una l´ınea de ensamblaje SMT. Por este motivo, se disen˜aron cupones espec´ıficos para el presente trabajo. En [3] se detallan los criterios adoptados para su disen˜o y la forma en que fueron implementados. Estos disen˜os tambie´n se emplean con fines de entrenamientos, actividad considerada fundamental para la ensen˜anza y el perfeccionamiento de los conceptos de Disen˜o para la Manufacturabilidad (DFM) [4] [5].
I-B. Chips de encapsulados BGA
Los encapsulados BGA (Ball Grid Array) constituyen una tecnolog´ıa ampliamente consolidada en el sector electro´nico, reconocida por su capacidad para alojar una alta densidad de conexiones en un espacio reducido (Ver Fig 2). Dentro de la familia de este tipo de encapsulados (Grid Array), ofrecen una mejor relacio´n entre costo y facilidad de uso en comparacio´n con alternativas como Pin Grid Array (PGA) o Land Grid Array (LGA). En la actualidad, es comu´n que
II. DISEN˜ O DE CUPONES Y PANEL DE PRUEBA
Los circuitos electro´nicos suelen tener una gran variedad de componentes electro´nicos. Por ese motivo, para llevar a cabo el presente trabajo se disen˜o´ una placa que integra diferentes encapsulados, incluyendo chips BGA. Basa´ndose en los disen˜os de cupones presentados en trabajos previos [3], se desarrollaron dos cupones adicionales (MIX01 y MIX-02) con el objetivo de incluir distintos tipos de encapsulados. Como resultado, se obtuvo una placa de pruebas conformada por la combinacio´n (ver Fig. 3) de tres cupones diferentes:
Cupo´n MIX-01: Contiene encapsulados del tipo 0402, SOD80C/MiniMELF, SOT23, SOIC-14, BGA-48, BGA 256 y BGA-324. Cupo´n MIX-02: Contiene encapsulados del tipo 0805, 0603, 0402 y 0201. Cupo´n DO-214AC-SO8: Contiene encapsulados DO214AC y encapsulado SO8.
Figura 2. Chips BGA con diferentes encapsulados BGA-324, BGA-256, BGA-64 y BGA-48. Estos son los que fueron utilizados para desarrollar el presente trabajo.
los nuevos circuitos integrados con funcionalidades avanzadas este´n disponibles u´nicamente en este formato. Esta tendencia ha impulsado la estandarizacio´n del uso de encapsulados BGA en la industria local. Sin embargo, su adopcio´n plantea diversos desaf´ıos te´cnicos [6], tanto en el disen˜o como en la precisio´n del posicionamiento durante el ensamblaje, la definicio´n de perfiles te´rmicos de soldadura y las posteriores tareas de inspeccio´n. 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 promover la produccio´n local de placas electro´nicas con estos encapsulados. No obstante, existen varias razones 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) [4]. 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.
Figura 3. Placa de prueba conformada por la combinacio´n de tres cupones diferentes.
El taman˜o y la forma de los cupones disen˜ados tuvieron como objetivo facilitar su ubicacio´n en los bordes de un panelizado o su combinacio´n entre s´ı para obtener un panel de prueba. Cada cupo´n posee un taman˜o de 10x3 cm, fue disen˜ado en KiCad [7] [8] y pensado para fabricarse en una sola capa (simple faz).
III. ESCENARIOS DEL PROCESO
Utilizando el mismo panel, se realizaron pruebas en dos l´ıneas de ensamblaje SMT y en una estacio´n de retrabajo especializada en chips con encapsulados BGA. En ambas l´ıneas de ensamblaje se empleo´ el mismo este´ncil de acero inoxidable y la misma pasta de estan˜o con plomo, marca ALPHA modelo OM-5300 (62Sn/36Pb/2Ag). A continuacio´n, se presentan los diferentes escenarios empleados y sus respectivos casos de aplicacio´n.
III-A. Planta Piloto de armado en INTI
En el a´rea de Micro y Nanotecnolog´ıas del INTI funciona una planta piloto para el prototipado de circuitos impresos [9],
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que cuenta con equipamiento para el armado, la inspeccio´n y el retrabajo en baja escala. Esta l´ınea esta´ orientada a la produccio´n de los primeros prototipos de un producto o sistema electro´nico, as´ı como a actividades de capacitacio´n. Los equipos involucrados (ver Fig. 4) en esta l´ınea son:
Impresora para este´ncil modelo NeoDen FP2636 (manual). 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.
III-C. Estacio´n de Retrabajo PACE IR-3000
Dentro del laboratorio de electro´nica en el a´rea de Micro y Nanotecnolog´ıas del INTI, junto a la planta piloto para el prototipado de circuitos impresos, se encuentra una estacio´n de retrabajo especializada en chips de tecnolog´ıa BGA. El equipo utilizado (ver Fig. 6) corresponde al modelo IR-3000 de la firma PACE, el cual emplea tecnolog´ıa de calor por infrarrojos para realizar procesos soldadura y desoldadura de estos chips. Este cuenta con un sistema visual compuesto de un prisma y una meca´nica de alta precisio´n para el posicionamiento del componente.
Figura 4. L´ınea SMT de prototipado en INTI. De izquierda a derecha: pickand-place y horno de refusio´n.
III-B. L´ınea de armado en Pixart S.R.L La empresa Pixart S.R.L. [10], ubicada en la Plaza Industrial
de Escobar, provincia de Buenos Aires, dispone de dos l´ıneas de montaje superficial: una de alto volumen y otra de volumen medio. Para el presente trabajo se empleo´ esta u´ltima l´ınea, conformada (ver Fig. 5) por el siguiente equipamiento:
Impresora para este´ncil modelo G5 de la firma GKG (automa´tica). 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.
Figura 6. Equipo PACE IR-3000 para retrabajo de chips BGA. En el centro de la imagen se observa el sistema de prisma entre el chip bga y la placa.
IV. ACTIVIDADES REALIZADAS
Figura 5. L´ınea SMT en Pixart S.R.L. De izquierda a derecha: Impresora de este´ncil, pick-and-place y horno de refusio´n.
En esta seccio´n se describen algunos de los aspectos ma´s cr´ıticos y relevantes del entrenamiento de soldadura de chips BGA y del posterior tratamiento y ana´lisis de las ima´genes radiogra´ficas. Se hace especial e´nfasis en las etapas de posicionamiento, soldadura e inspeccio´n. Existen numerosos factores que deben considerarse para utilizar un BGA correctamente, desde la etapa inicial de disen˜o del PCB hasta la inspeccio´n final. En la presente experiencia se emplearon varios encapsulados, mostrados en la Figura 2, cuyas caracter´ısticas principales se resumen en la tabla I:
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Tabla I ENCAPSULADOS BGA UTILIZADOS EN LAS PRUEBAS.
Nombre BGA-324 BGA-256 BGA-64 BGA-48
No 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
IV-A. Posicionamiento con sistema de visio´n
En la l´ınea de ensamblaje para prototipado se utilizo´ un equipo pick-and-place modelo LE40V, provisto de un sistema de visio´n que mejora la precisio´n meca´nica en la colocacio´n de componentes. Para operar este sistema, se configuro´ previamente un patro´n de reconocimiento para cada componente. El procedimiento consistio´ en que el equipo levantara el componente con una boquilla, lo trasladara hasta la ca´mara fija, comparara la imagen con el patro´n y verificara su correcta orientacio´n. En caso afirmativo, el componente era ubicado en su posicio´n final sobre el PCB. La Figura 7 muestra un ejemplo del reconocimiento de patro´n y la verificacio´n del posicionamiento.
Figura 8. Vista compuesta de un chip BGA-64 y la placa, usando un prisma. Placa y chip desalineados (izquierda). Placa y chips alineados (derecha).
caracter´ısticas permiten definir en el software perfiles te´rmicos personalizados, adecuados a las necesidades del componente.
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. Reconocimiento de patro´n en un chip BGA. Con error de posicionamiento (izquierda). Posicio´n correcta (derecha).
Figura 9. Cupo´n MIX-01, espec´ıfico para encapsulados BGA finalizado el proceso de soldadura.
IV-B. Posicionamiento con prisma
El equipo IR-3000 emplea un sistema o´ptico basado en prisma para superponer la imagen de la huella del PCB con la de las bolitas del BGA. Esta imagen combinada se env´ıa a una ca´mara y se visualiza en la PC, lo que permite al operador, mediante micro´metros de alta precisio´n, alinear el componente hasta que los pads coincidian con las bolitas. Una vez alcanzada la alineacio´n, el prisma se retira y el chip desciende sobre la placa. La Figura 8 ilustra este proceso de alineacio´n.
IV-C. Soldadura
La soldadura de los encapsulados BGA se realizo´ principalmente mediante hornos de refusio´n multizona, ajustados de modo que siguieran el perfil te´rmico recomendado para este tipo de componentes. Para las pruebas, se utilizaron dos hornos distintos: uno de 3 zonas y otro de 10 zonas. En la Figura 9 se muestra el cupo´n espec´ıfico para BGA, con los componentes ya soldados. Por otro lado, se empleo´ el equipo IR-3000 el cual dispone de fuentes de calor por infrarrojo superior e inferior, monitoreo de temperatura, y control en lazo cerrado. Estas
Figura 10. Equipo de rayos X con el que se obtuvieron las ima´genes radiogra´ficas.
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IV-D. Inspeccio´n con rayos X
Una de las principales dificultades en el uso de encapsulados BGA es la imposibilidad de inspeccionar visualmente todos los puntos de soldadura para verificar contacto ele´ctrico, ausencia de cortocircuito, calidad de la soldadura, entre otros aspectos. Por este motivo, se recurrio´ a la inspeccio´n mediante equipos de rayos X para controlar el proceso e investigar fallas. Para este trabajo se utilizo´ un radio´grafo modelo X5600 (ver Fig. 10) de la firma Seamark [11], con un rango de voltaje de operacio´n del tubo entre 40 y 90 kV. Este equipo trabaja fuera de la l´ınea de ensamblaje. Algunas de las ima´genes obtenidas se pueden ver en las Figuras 11 y 12.
colores para mejorar la visualizacio´n en general, o para resaltar detalles espec´ıficos de intere´s. En la Fig. 13 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), resultando ma´s evidentes las soldaduras faltantes. Superposicio´n : En esta te´cnica se superpone una imagen fotogra´fica de la placa vac´ıa con la imagen radiogra´fica. Para lograrlo en forma precisa es necesario aplicar transformaciones como escalado, rotacio´n o perspectiva a una de las ima´genes. Esta te´cnica necesita de puntos de referencia en ambas, 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. 14 se observa una imagen obtenida con esta te´cnica, 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 [12] para la edicio´n de ima´genes.
Figura 11. Radiograf´ıa del chip BGA-48, soldado en la placa de pruebas.
Figura 13. Radiograf´ıa de chip BGA-256 con dos bolitas faltantes. Imagen sin procesar (izquierda). Imagen postprocesada para realzar la falla (derecha).
Figura 12. Pantalla del equipo radiogra´fico, al inspeccionar un chip BGA-256 soldado en la placa de pruebas.
IV-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
Figura 14. Placa vac´ıa (izquierda). Radiograf´ıa de chip BGA-324 superpuesta con una foto de la placa vac´ıa, usando cuatro v´ıas de referencia (derecha).
V. RESULTADOS Y CONCLUSIONES A lo largo del trabajo se emplearon distintos encapsulados, placas de prueba, equipos y me´todos aplicados al
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posicionamiento y la soldadura. En los tres escenarios analizados, el proceso de soldadura de componentes BGA arrojo´ resultados aceptables. En todos los casos se recurrio´ a ima´genes de rayos X para observar y analizar los resultados. Esta revisio´n resulto´ relevante para validar los procesos de soldadura, identificar fallos y proponer posibles soluciones.
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 evidencio´ 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 radico´ en la capacidad del operario para configurar y optimizar de los procesos. La destreza se manifiesto´ 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—, as´ı como en el disen˜o de perfiles te´rmicos complejos y estables que garantizaron la repetibilidad en miles de unidades. En contraste, la l´ınea de prototipado, que empleo´ una impresora de este´nciles manual y un horno de tres zonas, demando´ un conjunto de habilidades marcadamente diferentes. En este caso, la pericia manual y agudeza visual del operario constituyeron el eje central del proceso. El e´xito del ensamblaje de componentes BGA dependio´ 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. Adema´s, la gestio´n del horno de tres zonas exigio´ 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 un estudio ma´s profundo de la tema´tica. En conjunto, el trabajo valido´ procesos, identifico´ limitaciones operativas y establecio´ bases so´lidas para futuros entrenamientos pra´cticos con tecnolog´ıa BGA en entornos locales. De este modo, se favorece la vinculacio´n con el sector industrial, que puede encontrar en esta tecnolog´ıa una oportunidad para fortalecer sus procesos
de manufactura.
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] Wikipedia, The Free Encyclopedia, “Surface-mount technology”, en.wikipedia.org/wiki/Surface-mount technology (accedido el 19 de agosto, 2025).
[2] IPC, Association Connecting Electronics Industries, “IPC-2221B, Generic Standard on Printed Board Design, APENDIX A”, versio´n 4.0, abril de 2022. Link.
[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] Happy Holden, Clyde F. Coombs; “Planning for Design, Fabrication and Assembly”, Printed Circuits Handbook, Sixth Edition, McGrawHill, Chapter 19.1.,2008.
[5] M. K. Bhatti et al., “Hands on training on surface mount technology (SMT) assembly line for development of LED based lights”, 2013 IEEE 5th Conference on Engineering Education (ICEED), Kuala Lumpur, Malaysia, 2013, pp. 37-42, doi: 10.1109/ICEED.2013.6908299. Link.
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[7] “KiCad EDA - Schematic Capture & PCB Design Software”, www.kicad.org (accedido el 6 de mayo, 2024).
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[9] 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
[10] Pixart S.R.L, “Pixart Argentina”. Link. [11] X5600 X-ray Inspection System, “Seamark SMT Solutions”. Link. [12] The GIMP Team, “GNU Image Manipulation Program (GIMP)”. Link. [13] IPC, Association Connecting Electronics Industries, “IPC-A-610, Ac-
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