Alors que la technologie continue de progresser dans l'industrie électronique, le packaging reste l'un des facteurs clés de succès, gage d'efficacité et de fiabilité. Le Ball Grid Array (BGA) est un exemple de technologie qui a suscité un intérêt considérable ces dernières années. Cette innovation en matière de packaging a considérablement modifié l'interconnexion des composants sur les circuits imprimés, permettant ainsi une densité et des performances élevées. Ce guide présente brièvement la technologie BGA, ses avantages et ses inconvénients, les différents types de boîtiers BGA, la soudure BGA et les techniques d'inspection des Ball Grid Array. Plongeons-nous dans le vif du sujet.
Qu'est-ce que le BGA (Ball Grid Array) sur un PCB ?
Un Ball Grid Array est en fait un type de boîtier de montage en surface utilisé dans la fabrication de circuits intégrésContrairement aux autres boîtiers qui utilisent des broches s'étendant à la périphérie, le BGA utilise un quadrillage de billes de soudure sur la face inférieure. Ces billes servent de points de contact entre la puce et le circuit imprimé.
6 types de boîtiers BGA couramment utilisés
Sur le marché, il existe différents types de boîtiers BGA, utilisés pour différentes applications et exigences. Nous allons ici présenter six types de boîtiers BGA couramment utilisés :
PBGA (réseau de billes en plastique)
Dans le PBGA, le substrat est un stratifié résine/verre BT, tandis que le boîtier est en plastique. Ce type de boîtier BGA se distingue par l'absence de soudure supplémentaire pour connecter les billes de soudure au boîtier souhaité. Il constitue une solution abordable pour de nombreuses applications.
Céramique BGA (CBGA)
Le CBGA est un boîtier à grille à billes traditionnel, utilisant un substrat céramique multicouche comme matériau de base. Le couvercle métallique est ensuite soudé au substrat à l'aide d'une soudure de boîtier pour protéger la puce, les broches et les billes de soudure. La bille de soudure est fabriquée à partir d'un matériau eutectique, assurant des connexions fiables entre le substrat et les composants.
Micro BGA (uBGA)
Micro BGA (µBGA) est une technologie avancée de boîtier à matrice de billes (BGA) très compacte. Elle offre des puces beaucoup plus compactes, une gestion thermique optimisée et une densité de données accrue. Comme son nom l'indique, le µBGA est principalement utilisé dans les appareils électroniques compacts et offre les performances accrues indispensables dans les zones où la taille est limitée.
Bande BGA (TBGA)
Le TBGA (Tape Ball Grid Array) est une technique d'encapsulation BGA qui utilise un ruban flexible plutôt qu'un laminé rigide. Cette technique permet d'obtenir un boîtier léger et fin avec des interconnexions haute densité et de meilleures caractéristiques thermiques et électriques.
Réseau de billes à puce retournée (FC-BGA)
Dans le FC-BGA, le circuit intégré est retourné pour pouvoir être soudé sur le circuit imprimé. Ce type de boîtier BGA offre de meilleures performances thermiques et électriques grâce à la connexion des billes de soudure. Pastilles PCB .
Paquet sur paquet (PoP)
Dans ce type de boîtier BGA, plusieurs circuits intégrés sont empilés. Chaque circuit intégré possède son propre réseau de billes pour permettre l'intégration verticale des composants. Ce type de boîtier est largement utilisé pour les applications où l'espace est limité, comme les appareils mobiles.
| Type | Source | Type de soudure | Fonctionnalités clés | Applications courantes |
| PBGA | plastic | Avec ou sans plomb | Aucune soudure supplémentaire n'est nécessaire pour la connexion bille-boîtier | Électronique grand public, applications bas et milieu de gamme |
| CBGA | céramique | Eutectique | Type de longue durée, couvercle de protection | Applications de haute fiabilité, aérospatiale, militaire |
| uBGA | Plastique | Non spécifié | Taille plus petite, meilleure dissipation de la chaleur | Opérations à haute fréquence, appareils électroniques compacts |
| TBGA | Plastique | Non spécifié | Interconnexions plus fines, plus légères et à haute densité | Électronique portable, smartphones, tablettes |
| FC-BGA | Variables | Directement sur PCB | Performances thermiques et électriques améliorées | Processeurs hautes performances, GPU, processeurs réseau |
| PoP | Variables | Plusieurs BGA | Intégration verticale, gain de place | Appareils mobiles, où l'espace est primordial, piles mémoire + processeur |
Avantages et inconvénients de la technologie BGA
Avantages
- Densité plus élevée : par rapport aux boîtiers traditionnels, les BGA permettent de connecter davantage de composants même dans un petit espace, ce qui est crucial pour les appareils électroniques modernes.
- Performances thermiques améliorées : les billes de soudure sont disposées selon un motif particulier, ce qui leur permet de partager uniformément la chaleur, réduisant ainsi le risque de surchauffe dans certaines zones
- Inductance réduite : dans le BGA, les chemins de connexion plus courts peuvent minimiser l'inductance, afin d'améliorer l'intégrité du signal, ce qui est particulièrement utile aux hautes fréquences.
- Meilleure fiabilité : Comparé au boîtier au plomb, le BGA offre une plus grande fiabilité car il doit supporter moins de contraintes mécaniques pendant le processus de cyclage thermique.
Désavantages
- Défis d'inspection : Il est plus difficile d'inspecter la qualité des soudures des BGA, car elles sont situées sous le boîtier. Certains problèmes de soudure sont difficiles à détecter à l'œil nu. Nous devons utiliser des techniques spécialisées, comme Inspection aux rayons X.
- Complexité de la réparation : L'un des inconvénients de la technique BGA est sa complexité. Il s'agit d'un processus long et coûteux qui nécessite des outils professionnels tels qu'une station de retouche BGA.
- Assemblage très prudent : pendant le processus de soudure BGA, les opérateurs doivent être très prudents pour monter correctement les composants, toute erreur peut affecter les performances et même conduire à une mauvaise connexion.
Comment souder une grille à billes sur des circuits imprimés ?
Pour garantir une fiabilité élevée et minimiser les taux de défauts, il est essentiel de contrôler rigoureusement le processus de brasage des BGA. Voici un flux de travail clair et détaillé ainsi que les principales considérations techniques relatives à l'assemblage des BGA.
Préparation avant soudure
À cette étape, il est crucial de maîtriser l'humidité, notamment pour les puces PBGA (Plastic Ball Grid Array), très sensibles à l'humidité ambiante. Si de l'humidité est emprisonnée, le chauffage rapide lors du refusion peut provoquer un « effet popcorn », endommageant la puce ou entraînant des projections de soudure.
Lorsque des PBGA sensibles à l'humidité restent ouverts pendant plus de 8 heures, ils doivent être étuvés. La cuisson s'effectue à 120 °C ± 5 °C pendant 24 heures ou à 80 °C ± 5 °C pendant 48 heures.
Impression de pâte à souder
Le procédé d'impression de la pâte à braser influence considérablement la qualité du brasage des BGA (Ball Grid Array). Selon de nombreuses données statistiques, parmi les différents procédés de brasage BGA, l'impression de la pâte à braser est responsable de 64 % des défauts de brasage. Les composants eux-mêmes représentent 6 %, tandis que le placement des composants et le brasage par refusion contribuent chacun à hauteur de 15 %.
Un excès de pâte à braser peut entraîner des ponts de soudure. À l'inverse, une quantité insuffisante peut provoquer des défauts tels que des soudures froides.
BGA Pick and Place
Un alignement précis est essentiel, car les joints BGA ne peuvent être inspectés visuellement après leur placement. Généralement, les machines de placement modernes utilisent des systèmes de vision pour aligner le centre des billes de soudure avec le centre des pastilles du circuit imprimé. Une fois en place, le BGA ne doit pas être déplacé ni ajusté manuellement, car cela provoque fréquemment des pontages ou une quantité insuffisante de soudure.
soudage par refusion
Une fois les BGA entièrement positionnés sur la carte, celle-ci est envoyée au four de refusion. Sous l'effet d'une chaleur contrôlée, la pâte à braser fond, refroidit et crée une liaison métallurgique. Le profil de refusion doit être rigoureusement contrôlé afin d'éviter les défauts tels que les vides, un mouillage insuffisant ou des contraintes thermiques excessives sur les composants.
Inspection après soudure
Les joints BGA étant dissimulés sous le boîtier, un contrôle visuel classique ne suffit pas. Il est généralement nécessaire de recourir à un contrôle par rayons X, un contrôle visuel, des tests électriques ou d'autres méthodes destructives pour vérifier l'intégrité des joints de soudure. Nous aborderons ce point dans la section suivante.
Les 8 principaux défauts des BGA que vous devriez connaître
Voici les défauts de soudure courants rencontrés lors du processus d'assemblage des matrices de billes (BGA) :
Joints de soudure à froid : Elles présentent généralement un aspect mat et rugueux, avec une surface irrégulière. Des particules de soudure non fondues sont visibles au microscope.
Souder Combler: Deux ou plusieurs billes de soudure voisines sont connectées électriquement par inadvertance.
Mouillage insuffisant : La pâte à braser ne parvient pas à mouiller correctement la pastille et à former une liaison d'alliage. Par conséquent, les billes de soudure BGA n'établissent pas une connexion électrique adéquate avec les pastilles.
Billes de soudure manquantes : Après refusion, une ou plusieurs billes de soudure peuvent être totalement absentes, entraînant des connexions ouvertes.
Microfissures: Cela peut se produire au niveau de l'interface de soudure ou entre la puce BGA et la bille de soudure.
Désalignement: Les billes de soudure ne sont pas correctement alignées avec les pastilles du circuit imprimé, ce qui provoque un décalage. Cela peut dégrader l'intégrité mécanique des joints de soudure.
Vider : Les bulles emprisonnées dans les billes de soudure peuvent provoquer la formation de vides internes.
Défauts de type « tête dans l’oreiller » (HiP): Les billes et la pâte à braser n'ont pas fusionné complètement ou seulement partiellement, ce qui donne des joints de soudure en forme de coussin. Ce défaut est difficile à inspecter et les joints de soudure sont susceptibles de se rompre lors d'une utilisation ultérieure.
Techniques d'inspection des réseaux de billes
Les matrices de billes (BGA) comportent généralement des centaines de billes de soudure, et leurs joints de soudure peuvent présenter simultanément plusieurs types de défauts. Nous allons présenter ci-dessous cinq techniques de test, généralement classées en tests non destructifs et tests destructifs.
Contrôle Non Destructif
Inspection visuelle
La première étape consiste généralement à inspecter à l'œil nu, à la loupe ou au microscope la rangée externe des joints de soudure BGA. Cependant, l'inspection visuelle est une tâche fastidieuse qui ne permet pas d'obtenir des évaluations quantitatives précises. Par conséquent, cette méthode est généralement inadaptée aux produits de haute qualité et à haute fiabilité, ainsi qu'aux inspections à grande échelle.
Inspection aux rayons X
La méthode de référence pour l'inspection non destructive des puces BGA (Ball Grid Array) est l'inspection par rayons X. Cette méthode utilise les différences de densité pour visualiser la structure interne des billes de soudure.
L'inspection par rayons X 2D doit utiliser une méthode d'inspection en 5 points, en se concentrant sur les quatre faces et les cinq points centraux du composant. Il convient également d'effectuer une inspection rapide des autres zones. Commencez par examiner la vue d'ensemble du composant BGA, en recherchant des défauts tels que des billes manquantes, des billes mal alignées ou des ponts de soudure. Procédez ensuite à une inspection localisée, en vérifiant la présence de vides dans les billes de soudure ou d'autres anomalies.
Les inspecteurs utilisent les résultats des radiographies 2D (taille, forme et niveaux de gris des joints de soudure) pour déterminer si une tomographie 3D est nécessaire. Les critères d'évaluation sont les suivants : les joints de soudure BGA doivent être de forme circulaire et ne présenter aucune anomalie de taille ou de niveau de gris. Bien que la tomographie 3D puisse fournir des informations complémentaires sur les joints de soudure, ce procédé peut s'avérer coûteux.
Test électrique
Lors des tests électriques, il est nécessaire d'utiliser des équipements spécialisés, tels qu'un multimètre et un testeur à sondes mobiles, pour déterminer des paramètres comme la résistance et la continuité des composants BGA. Ces tests permettent de détecter les problèmes de connexion et de vérifier le bon fonctionnement des joints de soudure.
Essais destructifs
Test de teinture et de levier
Il s'agit d'une méthode destructive économique qui fournit des informations complètes sur l'interface de la soudure. Un colorant à haute pénétration est appliqué sur le BGA. La soudure est ensuite séparée afin d'observer l'étendue et la répartition des fissures internes. Toute zone colorée indique une fissure ou un décollement préexistant.
Analyse métallographique en coupe transversale
Il s'agit de la méthode la plus précise permettant de confirmer avec certitude la plupart des défauts. Les informations obtenues par l'analyse des coupes transversales indiquent si les défauts sont liés au procédé ou au matériau. Elles permettent ensuite de déterminer à quelle étape la correction doit être effectuée. Toutefois, les essais métallographiques présentent également certaines limites. Le processus d'essai est laborieux et nécessite un équipement relativement coûteux.
Capacités BGA chez TestPcbas
TestPcbas est fier de ses techniques sophistiquées d'assemblage et d'inspection de circuits imprimés BGA. Grâce à nos installations et technologies de pointe, nous garantissons précision et qualité à chaque étape de l'assemblage, ce qui nous permet de traiter la quasi-totalité des boîtiers BGA. Notre gamme de services BGA comprend l'assemblage sur mesure, des techniques d'inspection de pointe, l'assistance technique et le prototypage rapide. Si vous avez besoin d'un service complet d'assemblage de circuits imprimés BGA, n'hésitez pas à nous contacter.
FAQ sur les emballages BGA
- Quelles sont les principales différences entre BGA et LGA paquets?
Elles diffèrent sur plusieurs points, notamment les méthodes de connexion, la densité des broches, les performances thermiques, etc.
Caractéristiques des BGA :
Utilise des billes de soudure pour se connecter directement au circuit imprimé.
Supporte une densité de broches élevée
L'inspection et la reprise sont relativement difficiles
Bonne dissipation de la chaleur à travers le circuit imprimé
Caractéristiques des LGA :
Utilise des pastilles plates pour le contact ou la prise
Permet un remplacement et une mise à niveau plus faciles
Simplifie l'inspection et la retouche
Bonne fiabilité mécanique, notamment grâce à la conception de la douille
- Quel type de boîtier de circuit intégré (BGA, QFP ou QFN) pose les plus grands défis en matière de conception de circuits imprimés, et pourquoi ?
Le boîtier BGA est le plus complexe à réaliser, suivi du QFN et du QFP. Le boîtier BGA (Ball Grid Array) présente les plus grands défis en termes de conception et de production. Vient ensuite le QFN, plus petit que le QFP, ce qui rend son routage plus difficile.
- Qu'est-ce que le rebillage dans l'assemblage BGA ?
Cela consiste à retirer les billes de soudure anciennes, endommagées ou défectueuses d'un BGA et à les remplacer par des neuves. Ce procédé nécessite généralement un équipement et des matériaux spécifiques, notamment des pochoirs, des billes de soudure et un four de refusion ou un pistolet à air chaud.
- Que sont les techniques de fan-out en os de chien et de via-in-pad dans la conception de circuits imprimés BGA ?
La technique de routage en forme d'os de chien est une option courante et économique. Il s'agit d'une méthode de routage où une piste courte s'étend d'une pastille BGA à un via voisin (formant ainsi une forme d'« os de chien »). La technique « via dans la pastille » est une technique avancée qui consiste à placer le via directement sur la pastille de soudure BGA.
