A medida que la tecnología avanza en la industria electrónica, el encapsulado sigue siendo uno de los factores clave para el éxito, lo que determina la eficiencia y la fiabilidad. Un ejemplo de esta tecnología que ha recibido considerable atención en los últimos años es la matriz de rejilla de bolas (BGA). De hecho, esta innovación en encapsulado ha alterado significativamente la interconexión de componentes a estas placas de circuito impreso para permitir una alta densidad y un alto rendimiento. En esta guía, ofreceremos una breve descripción general de la tecnología BGA, incluyendo sus ventajas y desventajas, los diferentes tipos de encapsulados BGA, la soldadura BGA y las técnicas de inspección de la matriz de rejilla de bolas. ¡Comencemos!
¿Qué es BGA (Ball Grid Array) en una PCB?
Una matriz de rejilla de bolas es en realidad un tipo de empaquetamiento de montaje superficial utilizado en la fabricación de circuitos integradosA diferencia de otros encapsulados que utilizan cables que se extienden desde la periferia, BGA utiliza una rejilla de bolas de soldadura en la parte inferior. Estas bolas de soldadura sirven como puntos de contacto entre el chip y la placa de circuito impreso.
6 tipos de paquetes BGA de uso común
En el mercado, existen diversos tipos de encapsulados BGA para diferentes aplicaciones y requisitos. A continuación, analizaremos seis tipos de encapsulados BGA comúnmente utilizados:
PBGA (Matriz de rejilla de bolas de plástico)
En PBGA, el sustrato es un laminado de resina BT/vidrio, mientras que el material de empaque es plástico. La característica de este tipo de encapsulado BGA es que no requiere soldadura adicional para conectar las bolas de soldadura al encapsulado deseado. Es una solución asequible para diversas aplicaciones.
Cerámica BGA (CBGA)
CBGA es un tipo de encapsulado tradicional de matriz de rejilla de bolas, que utiliza un sustrato cerámico multicapa como material base. La tapa metálica se suelda al sustrato mediante soldadura de encapsulado para proteger el chip, los cables y las bolas de soldadura. La bola de soldadura está hecha de material eutéctico, lo que proporciona conexiones fiables entre el sustrato y los componentes.
Micro BGA (uBGA)
Micro BGA (µBGA) es una tecnología avanzada de encapsulado de matriz de rejilla de bolas que ocupa muy poco espacio. Ofrece chips mucho más pequeños, una gestión térmica mejorada y una mayor densidad de datos. Como su nombre indica, µBGA se utiliza principalmente en dispositivos electrónicos compactos y ofrece el rendimiento mejorado tan necesario en entornos con limitaciones de tamaño.
Cinta BGA (TBGA)
La matriz de rejilla de bolas de cinta (TBGA) es un tipo de técnica de empaquetado BGA que utiliza cinta flexible en lugar de laminado rígido. Esto permite obtener un empaquetado ligero y delgado con interconexiones de alta densidad y mejores características térmicas y eléctricas.
Matriz de rejilla de bolas con chip invertido (FC-BGA)
En FC-BGA, el circuito integrado se invierte para poder soldarlo a la placa de circuito. Este tipo de encapsulado BGA ofrece un rendimiento térmico y eléctrico mejorado, ya que sus bolas de soldadura se conectan a la Almohadillas para PCB .
Paquete sobre paquete (PoP)
En este tipo de encapsulado BGA, se apilan varios circuitos integrados. Cada circuito integrado (CI) cuenta con su propia matriz de rejilla de bolas para permitir la integración vertical de los componentes. Se utiliza ampliamente en aplicaciones con espacio limitado, como los dispositivos móviles.
| Tipo | Material | Tipo de soldadura | Características principales | Aplicaciones comunes |
| PBGA | pLastic | Con plomo o sin plomo | No se necesita soldadura adicional para la conexión de la bola al paquete | Electrónica de consumo, aplicaciones de gama baja a media |
| CBGA | cerámico | Eutéctica | Tipo de larga duración, tapa protectora | Aplicaciones de alta confiabilidad, aeroespaciales y militares. |
| uBGA | plástico | No se especifica | Tamaño más pequeño, mejor disipación del calor. | Operaciones de alta frecuencia, dispositivos electrónicos compactos |
| TBGA | plástico | No se especifica | Interconexiones más delgadas, ligeras y de alta densidad | Electrónica portátil, teléfonos inteligentes, tabletas |
| FC-BGA | Varios | Directo a PCB | Rendimiento térmico y eléctrico mejorado | Procesadores de alto rendimiento, GPU, procesadores de red |
| PoP | Varios | Múltiples BGA | Integración vertical, ahorro de espacio | Dispositivos móviles, donde el espacio es un bien escaso, pilas de memoria y procesador |
Ventajas y desventajas de la tecnología BGA
Ventajas
- Mayor densidad: en comparación con los paquetes tradicionales, los BGA permiten conectar más componentes incluso en un espacio pequeño, lo que es crucial para los dispositivos electrónicos modernos.
- Rendimiento térmico mejorado: las bolas de soldadura están dispuestas en un patrón particular, lo que hace que compartan el calor de manera uniforme, reduciendo así el riesgo de sobrecalentamiento en algunas áreas.
- Inductancia reducida: en BGA, las rutas de conexión más cortas pueden minimizar la inductancia, a fin de mejorar la integridad de la señal, lo que es particularmente útil en frecuencias altas.
- Mayor confiabilidad: en comparación con el paquete con plomo, BGA proporciona una mayor confiabilidad ya que hay menos tensiones mecánicas que debe soportar durante el proceso de ciclado térmico.
Desventajas
- Desafíos de la inspección: Es más difícil inspeccionar la calidad de las uniones de soldadura del BGA, ya que se encuentran en la parte inferior del encapsulado. Algunos problemas de soldadura son difíciles de detectar a simple vista. Debemos utilizar técnicas especializadas como Inspección de rayos X.
- Complejidad de la reparación: Una de las desventajas de la técnica BGA es la complejidad de la reparación. Es un proceso lento y costoso que requiere herramientas profesionales como una estación de retrabajo BGA.
- Montaje con mucho cuidado: Durante el proceso de soldadura BGA, los operadores deben tener mucho cuidado de montar los componentes correctamente, cualquier error puede afectar el rendimiento e incluso provocar una mala conexión.
¿Cómo soldar una matriz de rejilla de bolas a las placas de circuito?
Para garantizar una alta fiabilidad y minimizar los índices de defectos, es fundamental controlar rigurosamente el proceso de soldadura BGA. A continuación, se presenta un flujo de trabajo clave y consideraciones técnicas importantes para el ensamblaje de BGA.
Preparación previa a la soldadura
En este paso, es importante controlar la humedad, especialmente en el caso de los encapsulados PBGA (Plastic Ball Grid Array), que son sensibles a la humedad. Si queda humedad atrapada en el interior, el calentamiento rápido durante el proceso de reflujo puede provocar el "efecto palomitas de maíz", dañando el chip o causando salpicaduras de soldadura.
Cuando los PBGA sensibles a la humedad permanecen abiertos durante más de 8 horas, deben someterse a un proceso de horneado. Las condiciones de horneado son 120 °C ± 5 °C durante 24 horas o 80 °C ± 5 °C durante 48 horas.
Impresión de pasta de soldadura
El proceso de impresión de la pasta de soldadura afecta significativamente la calidad de soldadura de los chips BGA. Según datos estadísticos exhaustivos, entre los diversos procesos de soldadura BGA, la impresión de la pasta de soldadura representa el 64 % de los defectos de soldadura. Los componentes representan el 6 %, mientras que la colocación de componentes y la soldadura por reflujo contribuyen cada una con un 15 %.
Un exceso de pasta de soldadura provocará puentes de soldadura. Por el contrario, una cantidad insuficiente de pasta de soldadura puede ocasionar defectos como soldaduras frías.
Recogida y colocación de BGA
La alineación precisa es fundamental, ya que las uniones BGA no se pueden inspeccionar visualmente después de su colocación. Generalmente, las máquinas modernas de colocación de componentes utilizan sistemas de visión para alinear el centro de las esferas de soldadura con el centro de las almohadillas de la placa de circuito impreso. Una vez colocado, el BGA no debe moverse ni ajustarse manualmente, ya que esto suele provocar cortocircuitos o una soldadura insuficiente.
Soldadura por reflujo
Una vez colocados todos los BGA en la placa, esta se introduce en el horno de reflujo. Bajo calentamiento controlado, la pasta de soldadura se funde, se enfría y crea la unión metalúrgica. El perfil de reflujo debe controlarse rigurosamente para evitar problemas como huecos, humectación insuficiente o estrés térmico excesivo en los componentes.
Inspección posterior a la soldadura
Dado que las uniones de la matriz de rejilla de bolas (BGA) quedan ocultas bajo el encapsulado, la inspección visual tradicional no es suficiente. Generalmente se requieren inspecciones por rayos X, inspecciones visuales, pruebas eléctricas u otros métodos destructivos para verificar la integridad de las uniones de soldadura. Hablaremos de esto en la siguiente sección.
Los 8 principales defectos de BGA que debes conocer
A continuación se describen los defectos de soldadura más comunes que se presentan durante el proceso de ensamblaje de la matriz de rejilla de bolas (BGA):
Uniones de soldadura en frío: Suelen tener un aspecto opaco y rugoso, con una superficie irregular. Además, se pueden observar partículas de soldadura sin fundir bajo el microscopio.
Soldadura Bridging: Dos o más bolas de soldadura vecinas están conectadas eléctricamente de forma involuntaria.
Humectación insuficiente: La pasta de soldadura no humedece adecuadamente la almohadilla ni forma una unión de aleación. En consecuencia, las bolas de soldadura BGA no establecen una conexión eléctrica adecuada con las almohadillas.
Bolas de soldadura faltantes: Tras el proceso de reflujo, es posible que falte una o más bolas de soldadura, lo que provoca conexiones abiertas.
microfisuras: Puede ocurrir en la interfaz de la junta de soldadura o entre el chip BGA y la bola de soldadura.
Desalineación: Las bolas de soldadura no están correctamente alineadas con las almohadillas de la placa de circuito impreso, lo que provoca un desplazamiento posicional. Esto puede degradar la integridad mecánica de las uniones soldadas.
Anulación: Las burbujas atrapadas dentro de las bolas de soldadura pueden provocar la formación de huecos internos.
Defectos de cabeza en almohada (HiP): Las bolas de soldadura y la pasta de soldadura no se han fusionado completamente o solo parcialmente, lo que da como resultado uniones de soldadura con forma de almohada. Este defecto es difícil de inspeccionar y las uniones de soldadura son propensas a fracturarse durante su uso posterior.
Técnicas de inspección de matrices de rejilla de bolas
Por lo general, las matrices de rejilla de bolas (BGA) poseen cientos de bolas de soldadura, y sus uniones de soldadura pueden presentar simultáneamente varios tipos de defectos. A continuación, presentaremos cinco técnicas de ensayo, que generalmente se dividen en ensayos no destructivos y ensayos destructivos.
Pruebas No Destructivas
Inspección visual
Normalmente, el primer paso consiste en inspeccionar a simple vista, con lupas o microscopios, la fila más externa de las uniones de soldadura BGA. Sin embargo, la inspección visual es una tarea laboriosa y no permite obtener evaluaciones cuantitativas precisas. Por consiguiente, este método no suele ser adecuado para productos de alta calidad y fiabilidad, ni para inspecciones a gran escala.
Inspección de rayos X
El método de referencia para la inspección no destructiva de matrices de rejilla de bolas (BGA) es la inspección por rayos X. Este método utiliza las diferencias de densidad para visualizar la estructura interna de las bolas de soldadura.
La inspección por rayos X 2D debe emplear un método de inspección de 5 puntos, centrándose en los cuatro lados y los cinco puntos centrales del dispositivo. Al mismo tiempo, realice una inspección rápida de otras áreas. Primero, inspeccione la vista general del dispositivo BGA, buscando defectos como bolas faltantes, bolas desalineadas o puentes de soldadura. Luego, realice una inspección localizada, buscando huecos u otras anomalías en las bolas de soldadura.
Los inspectores utilizan los resultados de las radiografías 2D (como el tamaño, la forma y los valores de escala de grises de las uniones de soldadura) para determinar si se requiere una tomografía 3D. Los criterios de evaluación son los siguientes: las uniones de soldadura BGA tienen una forma normal (circular) y no presentan anomalías en cuanto a tamaño o escala de grises. Si bien la tomografía 3D puede proporcionar información adicional sobre las uniones de soldadura, el proceso puede resultar costoso.
Pruebas eléctricas
En las pruebas eléctricas, necesitamos utilizar equipos especializados como un multímetro y un probador de sonda volante para determinar parámetros como la resistencia y la continuidad en los componentes BGA. Esto permite detectar problemas en el rendimiento de las conexiones y comprobar si las soldaduras funcionan correctamente.
Pruebas destructivas
Prueba de tinte y palanca
Este es un método destructivo y económico que proporciona información completa sobre la interfaz de la unión de soldadura. Se aplica un tinte de alta penetración al BGA. Luego, se separa la unión de soldadura para observar la extensión y distribución de las grietas internas. Cualquier área teñida indica una grieta o separación preexistente.
Análisis de sección transversal metalográfica
Este es el método más preciso para confirmar de forma definitiva la mayoría de los defectos. La información obtenida mediante cortes transversales permite determinar si los defectos están relacionados con el proceso o con el material, y ayuda a establecer en qué etapa se debe abordar la corrección. Sin embargo, las pruebas metalográficas también presentan ciertas limitaciones. El proceso de prueba requiere mucha mano de obra y equipos relativamente costosos.
Capacidades de BGA en TestPcbas
TestPcbas se enorgullece de nuestras sofisticadas técnicas de ensamblaje e inspección de BGA. Utilizamos instalaciones avanzadas y tecnología moderna que nos permiten garantizar precisión y calidad en cada fase del ensamblaje, lo que nos permite gestionar prácticamente cualquier encapsulado BGA. Nuestra gama de servicios BGA incluye ensamblaje de BGA personalizado, técnicas de inspección avanzadas, soporte de ingeniería y prototipado rápido. Si necesita servicios integrales de ensamblaje de PCB BGA, no dude en contactarnos.
Preguntas frecuentes sobre el paquete BGA
- ¿Cuáles son las diferencias clave entre BGA y LGA paquetes?
Se diferencian en varios aspectos, como los métodos de conexión, la densidad de pines, el rendimiento térmico, etc.
Características del BGA:
Utiliza bolas de soldadura para conectarse directamente a la placa de circuito impreso.
Admite una alta densidad de pines.
La inspección y el retrabajo son relativamente difíciles.
Buena disipación del calor a través de la placa de circuito impreso.
Características de LGA:
Utiliza almohadillas planas para hacer contacto o conectar.
Permite una sustitución y actualización más sencillas.
Simplifica la inspección y el retrabajo.
Buena fiabilidad mecánica, especialmente con el diseño del enchufe.
- ¿Qué tipo de encapsulado de circuitos integrados (BGA, QFP o QFN) plantea mayores desafíos para el diseño de placas de circuito impreso y por qué?
El encapsulado BGA es más complejo, seguido del QFN y el QFP. El encapsulado BGA (Ball Grid Array) presenta los mayores desafíos en cuanto a diseño y producción. Le sigue el QFN, de menor tamaño que el QFP, lo que dificulta su enrutamiento.
- ¿Qué es el reballing en el ensamblaje BGA?
Consiste en retirar las bolas de soldadura viejas, dañadas o defectuosas de un BGA y reemplazarlas por otras nuevas. Este proceso suele requerir equipos y materiales especializados, como plantillas, bolas de soldadura y un horno de reflujo o una pistola de aire caliente.
- ¿Qué son las técnicas de distribución de datos en forma de hueso de perro y de vías en las almohadillas en el diseño de placas de circuito impreso BGA?
La técnica de ramificación en forma de hueso es una opción común y rentable. Consiste en un método de enrutamiento donde una pista corta se extiende desde una almohadilla BGA hasta una vía cercana (formando una figura similar a un hueso). La técnica de vía en almohadilla es avanzada, colocando la vía directamente sobre la almohadilla de soldadura BGA.
