BGA assembly success requires: (1) Optimized reflow profile with 60-120s soak at 150-200°C, (2) Peak temperature 235-245°C for 20-40s for SAC alloys, (3) X-ray inspection for 100% of BGAs, (4) Void acceptance per IPC: <10% acceptable, 10-25% review, >25% reject, (5) Controlled cooling at 2-4°C/s, (6) Component moisture management (MSL baking), (7) Proper pad design (NSMD preferred for fine-pitch). Head-in-pillow and void defects are most common failures.
Introdução: O Desafio BGA
Os componentes Ball Grid Array (BGA) oferecem desempenho elétrico superior e maior densidade de I/O que encapsulamentos tradicionais, mas criam desafios únicos de montagem. Ao contrário de componentes com terminais onde pode inspecionar visualmente as juntas de solda, as conexões BGA estão escondidas sob o encapsulamento—tornando o controlo de qualidade dependente de controlo de processo adequado e inspeção por raio-X.
Segundo o guia BGA da Jarnistech, defeitos comuns incluem circuitos abertos, curtos, voids e problemas head-in-pillow que podem causar conexões intermitentes ou falha completa do dispositivo.
**A Perspetiva do Hommer**: A montagem BGA separa fabricantes capazes dos restantes. Qualquer um pode soldar um QFP, mas qualidade BGA consistente requer equipamento adequado, processos validados e inspeção rigorosa. Não confie num fornecedor que não consegue mostrar os seus resultados de raio-X.
Compreender Componentes BGA
Tipos de Encapsulamento BGA
| Tipo de Package | Pitch | Aplicação | Dificuldade de Montagem |
|---|
| PBGA (Plastic BGA) | 1.0-1.27mm | Uso geral | Moderada |
| CBGA (Ceramic BGA) | 1.0-1.27mm | Alta fiabilidade, militar | Moderada |
| µBGA (Micro BGA) | 0.5-0.8mm | Dispositivos móveis | Elevada |
| CSP (Chip Scale Package) | 0.4-0.5mm | Alta densidade | Muito elevada |
| PoP (Package on Package) | Vários | Memória empilhada | Muito elevada |
| FCBGA (Flip Chip BGA) | 0.8-1.0mm | Processadores de alto desempenho | Elevada |
Materiais das Esferas
| Material | Composição | Ponto de Fusão | Aplicações |
|---|
| SAC305 | Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5 | 217-220°C | Lead-free standard |
| SAC387 | Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7 | 217-219°C | Maior fiabilidade |
| SnPb (63/37) | Sn63/Pb37 | 183°C | Legacy, aeroespacial |
| High-Pb | Sn10/Pb90 | 275-302°C | Flip chip, alta temp |
Otimização do Perfil de Reflow
Zonas do Perfil
Um perfil de reflow adequado segundo a PCBasic tem quatro fases críticas:
| Zona | Temperatura | Duração | Propósito |
|---|
| Pré-aquecimento | TA a 150-180°C | 60-90s | Aquecimento gradual, ativação do flux |
| Soak | 150-200°C | 60-120s | Escape de gases, equilíbrio térmico |
| Reflow | 235-245°C pico | 20-40s no pico | Fusão da solda, formação da junta |
| Arrefecimento | Pico a TA | Taxa 2-4°C/s | Solidificação controlada |
Parâmetros Críticos
| Parâmetro | Objetivo | Porque Importa |
|---|
| Taxa de rampa (subida) | 1-3°C/s | Previne choque térmico, fissuração de componentes |
| Tempo de soak | 60-120s | Permite ativação do flux, desgaseificação |
| Tempo acima do liquidus (TAL) | 60-90s | Garante molhagem completa |
| Temperatura de pico | 235-245°C | Dependente do componente, verificar datasheets |
| Taxa de rampa (descida) | 2-4°C/s | Previne fissuração de juntas, estrutura de grão |
| ΔT na placa | <10°C | Previne empenamento, juntas desiguais |
Redução de Voids Através do Perfil
Segundo a análise de voids da ALLPCB:
| Ajuste do Perfil | Efeito nos Voids |
|---|
| Soak prolongado (90-120s) | Permite escape de gases antes do liquidus |
| Pré-aquecimento gradual | Reduz desgaseificação rápida |
| Atmosfera de azoto | Reduz voids relacionados com oxidação |
| Temperatura de pico mais baixa | Desgaseificação menos agressiva |
| Volume de pasta otimizado | Corresponde ao volume da esfera |
**A Perspetiva do Hommer**: A maioria dos problemas de voids remonta a questões de perfil—aquecimento demasiado agressivo que aprisiona gases, ou humidade nos componentes. Validamos cada novo perfil BGA com inspeção raio-X de pelo menos 10 amostras antes da produção.
Design de PCB para BGA
Opções de Design de Pads
| Tipo | Descrição | Vantagens | Desvantagens |
|---|
| NSMD (Non-Solder Mask Defined) | Pad de cobre menor que abertura da máscara | Melhor junta de solda, preferido para fine-pitch | Requer tolerância de pad apertada |
| SMD (Solder Mask Defined) | Abertura de máscara menor que cobre | Mais fácil de fabricar | Junta mais fraca, problemas de alinhamento |
Diretrizes de Design
| Parâmetro | Recomendação |
|---|
| Tamanho do pad | 80-90% do diâmetro da esfera (NSMD) |
| Via-in-pad | Usar vias plugadas/preenchidas ou vias deslocadas |
| Solder mask | Abertura 50-75µm maior que pad |
| Roteamento de pistas | Preferencialmente em camadas internas |
| Folga de planos | Thermal relief adequado |
| Fiduciais | Fiduciais locais para fine-pitch |
Considerações de Via-in-Pad
| Abordagem | Aplicação | Impacto no Custo |
|---|
| Sem via-in-pad | Rotear em camadas internas | Baseline |
| Via-in-pad (aberta) | Baixa densidade, não recomendado | Nenhum |
| Via-in-pad (plugada) | BGA standard | +10-15% |
| Via-in-pad (preenchida/planarizada) | Fine-pitch, PoP | +20-30% |
Defeitos Comuns de BGA
Tipos e Causas de Defeitos
Segundo o guia de raio-X da Creative Electron:
| Defeito | Aparência | Causas | Prevenção |
|---|
| Voiding | Bolsas de ar na junta | Desgaseificação, humidade, perfil | Cozer componentes, otimizar perfil |
| Head-in-pillow (HIP) | Esfera e pasta não fundem | Empenamento, oxidação, perfil | Controlar empenamento, reflow com azoto |
| Bridging | Esferas conectadas | Excesso de pasta, desalinhamento | Design de stencil, precisão de colocação |
| Junta aberta | Sem conexão | Pasta insuficiente, coplanaridade | Inspecionar componentes, volume de pasta |
| Junta fria | Aparência baça, granulada | Temperatura insuficiente | Otimização de perfil |
| Solder ball | Esferas extras na placa | Excesso de pasta, problemas de reflow | Volume de pasta, limpeza de stencil |
Defeitos Head-in-Pillow
Segundo a Highleap Electronic, HIP é particularmente problemático:
| Fator | Contribuição para HIP |
|---|
| Empenamento do componente | Causa mais comum (convexo durante reflow) |
| Empenamento da placa | Efeito composto com componente |
| Oxidação | Previne molhagem quando superfícies se encontram |
| Timing do perfil | Pasta solidifica antes do contacto da esfera |
| Atmosfera de azoto | Ajuda a reduzir oxidação |
Critérios de Aceitação de Voids
Segundo normas IPC:
| Nível de Void | Classificação | Ação |
|---|
| <10% da área do pad | Aceitável | Passar |
| 10-25% | Indicador de processo | Rever, melhorar processo |
| >25% | Defeito | Rejeitar ou rework |
Inspeção por Raio-X
Porque o Raio-X é Essencial
Inspeção por raio-X é a única forma de ver juntas de solda BGA:
| Método de Inspeção | Visibilidade BGA | Defeitos Detetados |
|---|
| Visual (AOI) | Apenas periférico | Alinhamento, bridges periféricas |
| Raio-X 2D | Boa | Voids, bridging, abertos |
| 2.5D (oblíquo) | Melhor | HIP, bridging escondido |
| Raio-X CT 3D | Completa | Todos os defeitos, análise completa |
| Teste elétrico | Nenhuma | Apenas abertos, curtos |
Parâmetros de Análise Raio-X
| Parâmetro | Medição | Aceitação |
|---|
| Percentagem de void | % da área do pad | <25%, idealmente <10% |
| Circularidade da esfera | Desvio do redondo | Indica curtos/abertos |
| Uniformidade do tamanho | Variação no array | Indica problemas de volume de pasta |
| Precisão de posição | Offset do centro do pad | Indica precisão de colocação |
Inspeção Amostral vs 100%
| Abordagem | Quando Usar |
|---|
| 100% raio-X | Alta fiabilidade, médico, aeroespacial |
| Amostragem estatística | Alto volume, processo estável |
| Apenas primeiro artigo | Protótipo, baixo volume |
| Validação de processo | Introdução de novo produto |
**A Perspetiva do Hommer**: Fazemos raio-X a 100% dos BGAs em produtos médicos e automóveis. Para produtos comerciais, fazemos amostragem estatística mas aumentamos para 100% se virmos qualquer desvio de processo. Raio-X não é caro comparado com falhas no campo.
Sensibilidade à Humidade e Manuseamento
MSL (Moisture Sensitivity Level)
| MSL | Vida de Exposição | Ação Necessária |
|---|
| 1 | Ilimitada | Manuseamento standard |
| 2 | 1 ano | Manuseamento standard |
| 2a | 4 semanas | Controlar humidade |
| 3 | 168 horas (7 dias) | Cozer se excedido |
| 4 | 72 horas | Cozer se excedido |
| 5 | 48 horas | Cozer se excedido |
| 5a | 24 horas | Cozer se excedido |
| 6 | Cozer antes de usar | Sempre cozer |
Parâmetros de Cozedura
| Tipo de Componente | Temperatura | Tempo |
|---|
| BGA standard | 125°C | 4-6 horas |
| Sensível a humidade | 125°C | 8-24 horas |
| Limitado por temperatura | 40°C | Até 7 dias |
Requisitos de Armazenamento
| Armazenamento | Temperatura | Humidade | Vida Útil |
|---|
| Armário seco | Temp ambiente | <10% RH | Prolongada |
| Embalagem seca | Temp ambiente | <10% RH (selada) | Por etiqueta |
| Selado a vácuo | Temp ambiente | N/A | Por etiqueta |
Rework de BGA
Quando o Rework é Necessário
| Condição | Decisão de Rework |
|---|
| Defeito detetado por raio-X | Rework se possível |
| Falha funcional | Análise de causa raiz depois rework |
| Componente errado | Rework obrigatório |
| Componente danificado | Rework com componente novo |
Processo de Rework
Segundo a Renova Technology:
| Passo | Processo | Pontos Chave |
|---|
| 1. Desenvolvimento de perfil | Desenvolver perfis de remoção e fixação | Corresponder a perfis originais |
| 2. Preparação da placa | Limpar, cozer se necessário | Remover humidade |
| 3. Remoção do componente | Aquecimento controlado, aspiração a vácuo | Prevenir levantamento de pads |
| 4. Preparação do local | Remover solda antiga, limpar | Inspecionar danos |
| 5. Aplicar pasta/flux | Stencil ou dispensar | Volume correto |
| 6. Colocação do componente | Alinhar usando sistema de visão | Verificar coplanaridade |
| 7. Reflow | Seguindo perfil desenvolvido | Monitorizar temperaturas |
| 8. Inspeção | Verificação por raio-X | Mesmos critérios que novo |
Limitações de Rework
| Fator | Limitação |
|---|
| Número de reworks | Máximo 2-3 vezes |
| Dano de pads | Pode não sobreviver à remoção |
| Empenamento da placa | Pode aumentar com cada ciclo |
| Componentes adjacentes | Limites de exposição ao calor |
| Fiabilidade | Cada rework reduz vida útil |
Métricas de Qualidade e Controlo de Processo
Indicadores Chave de Processo
| Métrica | Objetivo | Ação se Excedido |
|---|
| First pass yield | >99% | Análise de causa raiz |
| Percentagem de voids | <10% média | Ajuste de perfil |
| Precisão de colocação | <50µm offset | Calibração de máquina |
| Taxa de bridges | <100 ppm | Revisão de stencil, pasta |
| Taxa de HIP | <50 ppm | Revisão de perfil, atmosfera |
Controlo Estatístico de Processo
| Parâmetro | Monitorização |
|---|
| Volume de pasta | Carta SPC por abertura |
| Precisão de colocação | Estudo de capabilidade de máquina |
| Temp pico de reflow | Monitorização por zona |
| % void raio-X | Análise de tendências |
Considerações de Custo
Fatores de Custo de Montagem BGA
| Fator | Impacto |
|---|
| Pitch do componente | Fine-pitch custa mais |
| Inspeção raio-X | Obrigatória, adiciona custo |
| Via-in-pad | Plugada/preenchida adiciona custo de PCB |
| Reflow com azoto | Prémio de 10-15% |
| Capacidade de rework | Investimento em equipamento |
Comparação de Custos
| Tipo de Montagem | Custo Relativo |
|---|
| SMT standard (sem BGA) | 1.0× |
| BGA com raio-X | 1.2-1.3× |
| BGA fine-pitch (<0.5mm) | 1.4-1.6× |
| Montagem PoP | 1.8-2.0× |
Conclusão: Excelência BGA Requer Excelência de Processo
O sucesso da montagem BGA depende de design adequado, perfis de reflow otimizados, gestão de humidade e inspeção raio-X rigorosa. A natureza escondida das juntas BGA significa que não pode confiar em inspeção visual—precisa de processos validados e verificação através de raio-X.
Pontos-chave:
1. Perfil de reflow é crítico—especialmente a fase de soak para redução de voids
2. Inspeção raio-X é obrigatória—inspeção visual não consegue ver juntas BGA
3. Aceitação de voids por IPC: <10% aceitável, >25% rejeitar
4. Manuseamento MSL previne defeitos relacionados com humidade
5. Design para BGA—usar pads NSMD e evitar via-in-pad aberta
As nossas linhas de montagem SMT incluem capacidade BGA dedicada com inspeção raio-X inline. Processamos BGAs fine-pitch até 0.4mm pitch com capabilidade de processo documentada.
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*Este artigo foi escrito por Hommer Zhao, fundador da PCB Portugal, com base em mais de 15 anos de experiência em fabrico e montagem de PCB.*
Referências
- [Jarnistech - BGA Assembly Comprehensive Guide](https://www.jarnistech.com/bga-assembly)
- [Creative Electron - Understanding Common BGA Defects](https://media.creativeelectron.com/understanding-common-bga-defects-a-guide-to-x-ray-inspection/)
- [ALLPCB - Decoding Solder Joint Voids](https://www.allpcb.com/blog/pcb-manufacturing/decoding-solder-joint-voids-causes-detection-and-prevention-strategies.html)
- [PCBasic - BGA Soldering Techniques](https://www.pcbasic.com/blog/bga_soldering.html)
- [Renova Technology - BGA Reworking Guide 2024](https://renovatechnology.com/what-is-bga-reworking-a-comprehensive-guide-2024/)
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Hommer Zhao
