Défauts de soudure BGA : Techniques d'inspection par rayons X pour PCB et reprise

Introduction

Le progrès constant de la technologie a orienté l'électronique vers des dispositifs plus intelligents, plus rapides et plus compacts. La demande pour ces produits a stimulé le développement de technologies haute densité pouvant être assemblées rapidement et reliant de manière fiable la complexité croissante des circuits modernes. Les composants à réseau sphérique (BGA) se sont imposés comme une solution fondamentale, grâce à leur capacité à maximiser la densité des circuits et à améliorer les performances dans l'assemblage de cartes PCB.

La fabrication électronique moderne a largement adopté les composants BGA. Cette technologie est utilisée tant dans l'électronique grand public, notamment les smartphones et les appareils de jeu, que dans des secteurs haut de gamme tels que l'aérospatiale et l'électronique médicale. Les entreprises de fabrication doivent maîtriser les techniques de soudure des composants BGA, disposer de capacités opérationnelles pour les systèmes d'inspection par rayons X, et être compétentes dans les techniques avancées de reprise des composants BGA. Ces compétences techniques professionnelles ont une grande valeur pendant la phase de développement du prototype et sont tout aussi indispensables dans les processus de production de masse. Une maîtrise complète de ce système technique garantit que les produits finaux répondent aux normes de performance.

Qu'est-ce que le soudage Ball Grid Array ( BGA ) ?

Ball Grid Array : Structure et contribution à l'assemblage de circuits

Une matrice de billes (BGA) est une technologie d'emballage de circuits intégrés où des billes de soudure sont disposées selon un motif en grille sous le dispositif BGA. Lors du processus d'assemblage, ces billes fondent et forment des connexions mécaniques et électriques entre l'emballage et le circuit imprimé (PCB). Contrairement aux boîtiers traditionnels, les joints de soudure BGA sont cachés, ce qui les rend inaccessibles à une simple inspection visuelle et augmente la dépendance à l'égard de technologies d'inspection avancées telles que l'inspection par rayons X.

Comment les BGA sont-ils soudés sur un circuit imprimé ?

• Étape 1 : Concevoir la pastille de l'empreinte PCB afin qu'elle s'aligne précisément avec les billes de soudure.
• Étape 2 : Appliquer la pâte à souder sur le circuit imprimé à l'aide d'un pochoir, qui délivre la quantité appropriée de soudure sur chaque pastille.
• Étape 3 : Placer le composant BGA de manière à ce que chaque bille s'aligne avec sa pastille respective.
• Étape 4: L'ensemble du circuit imprimé est ensuite passé dans un four de refusion, chauffant le circuit afin que les billes de la grille fondent suffisamment et forment des connexions entre le BGA et le PCB.
• Étape 5: Après refroidissement, les billes de soudure du BGA se sont re-solidifiées, créant ainsi des jonctions fiables.

Structure de joint de soudure en matrice de billes

Développement et caractéristiques des dispositifs BGA

Le développement de la technologie des réseaux à billes a été motivé par la nécessité d'augmenter la densité des entrées/sorties et d'améliorer les performances des assemblages électroniques. À mesure que les circuits intégrés à l'intérieur du boîtier généraient plus de chaleur et nécessitaient des connexions plus robustes, le BGA est devenu une avancée essentielle.

Caractéristiques principales du BGA :

• Disposées en motif de grille : Les billes de soudure disposées en lignes et colonnes sur la face inférieure du boîtier permettent d'augmenter la densité de broches.
• Performance électrique améliorée : Les connexions de soudure courtes et directes minimisent la résistance et l'inductance, ce qui est crucial pour les circuits haute vitesse.
• Gestion thermique : La grande surface des pastilles et la disposition en grille permettent une dissipation plus efficace de la chaleur générée par le circuit intégré.
• Compatibilité avec les PCB haute densité : Les BGA prennent en charge un pas fin entre les billes, ce qui est avantageux pour l'assemblage de PCB haute densité.
• Amélioration de la fiabilité: La géométrie et la structure répartissent les contraintes uniformément, réduisant ainsi le risque de fatigue des soudures.

Pourquoi les BGAs dominent la conception moderne de cartes de circuits

Le passage aux assemblages BGA et PCB a été motivé par le besoin d'appareils capables de supporter des performances à haute vitesse, une puissance accrue et davantage de connexions sans agrandir la carte de circuit. Ce progrès technologique a conduit à ce que presque tous les processeurs, FPGA et mémoires haut débit soient emballés sous forme de circuits intégrés BGA dans les dernières générations de produits électroniques.

Techniques de soudure BGA

Aperçu des techniques de soudure BGA

La soudure des boîtiers BGA exige des exigences techniques nettement plus élevées que celles des boîtiers traditionnels avec broches. Le processus vise une cohérence totale dans le positionnement des billes de soudure. Les objectifs clés incluent un contrôle précis de la température de chauffage. La procédure nécessite en fin de compte la formation de joints de soudure propres et exempts de vide.

Les techniques de soudure comprennent :

• Procédé de refusion : Méthode standard, utilisant un four de refusion pour chauffer globalement ou localement et faire fondre les billes de soudure situées entre le boîtier et la carte PCB.
• Soudure manuelle : Utilisé principalement pour la reprise de composants BGA ou l'assemblage de prototypes — implique souvent de chauffer localement le composant BGA à l'aide d'un outil à air chaud.
• Utilisation d'une station de reprise à air chaud : Pour la reprise ou la réparation, une source d'air chaud et/ou infrarouge contrôlée chauffe la zone autour du composant BGA défectueux afin de le retirer, le remplacer ou effectuer un refusion.
• Alignement et placement : Les systèmes de pose automatisée ou les microscopes manuels alignent précisément les billes de soudure exactement au-dessus des pastilles correspondantes du circuit imprimé.

Paramètres critiques du soudage BGA

Conseils pour un soudage BGA parfait

• Inspectez toujours les dépôts de pâte à souder avant le positionnement : un point manquant signifie une liaison de soudure manquante.
• Soutenez soigneusement le circuit imprimé pendant le chauffage afin d'éviter la déformation, qui provoque une formation inégale des joints de soudure.
• Pour les prototypes et la retouche BGA, commencez avec des circuits imprimés usagés afin de perfectionner le chauffage localisé du composant BGA avant de passer à des assemblages précieux.

Techniques d'inspection des joints de soudure et technologies d'inspection

Pourquoi l'inspection est-elle essentielle

Étant donné que les joints de soudure BGA sont cachés sous le boîtier, il est pratiquement impossible d'identifier un défaut uniquement par observation visuelle. C'est pourquoi l'inspection aux rayons X, ainsi que d'autres techniques d'inspection (inspection optique, test électrique), constituent une étape indispensable du processus.

Techniques d'inspection pour les BGA

1. Inspection visuelle :

• Utilisée pour le positionnement, l'alignement et pour visualiser les billes situées en périphérie du boîtier.

2. Inspection optique (AOI) :

• L'inspection optique automatisée détecte les mauvais positionnements, les distances inappropriées et certains défauts de pontage au niveau du bord du boîtier.

3. Inspection par rayons X

• L'inspection par rayons X (AXI), manuelle et automatisée, permet d'examiner les soudures cachées sous la BGA. L'imagerie par rayons X est utilisée pour détecter les défauts des billes de soudure, les courts-circuits, les vides, les circuits ouverts et le défaut « tête dans l'oreiller ».

4. Test Électrique :

• Les tests en circuit et par sonde volante confirment la continuité de toutes les connexions entre la BGA et le PCB.

5. Autres Méthodes d'Inspection :

• Des systèmes d'inspection acoustique et infrarouge (IR) sont également utilisés pour la détection avancée de défauts (décollement, vides et accumulation de chaleur).

Comparaison des Systèmes d'Inspection

Technologie avancée d'inspection

L'évolution de la technologie d'inspection a permis l'apparition de systèmes de radiographie 3D en temps réel, des systèmes à rayons X haute résolution et des logiciels capables de signaler automatiquement un défaut, comme une température trop basse pendant le refusion ou une quantité de soudure insuffisante.

Conseils pour une inspection de joint de soudure de haute qualité

• Étalonnez régulièrement vos systèmes d'inspection par rayons X afin d'obtenir une clarté d'image optimale et une détection précise des ponts, des vides et des circuits ouverts.
• Utilisez l'inspection automatisée par rayons X (AXI) en production de masse. Cela accélère le processus d'assemblage tout en assurant une grande rigueur.
• Pour les prototypes, combinez l'inspection par rayons X avec une inspection optique manuelle, car l'œil humain peut parfois détecter des défauts subtils que les systèmes automatisés passent à côté.
• Associez l'inspection par rayons X à des méthodes de test électrique afin de garantir que chaque circuit contrôlé par un dispositif BGA fonctionne sous charge, et non seulement au repos.

Défauts courants des BGA et comment les éviter

Même avec un excellent design de PCB et de BGA, divers défauts peuvent survenir pendant ou après le processus de soudure. Comprendre les causes et la prévention est essentiel pour des circuits robustes.

Défauts typiques de soudure BGA

Symptômes courants

• Défauts intermittents sur la carte électronique (résultat d'ouvertures ou de soudures froides)
• Courts-circuits après le fonctionnement initial (résultat de ponts de soudure)
• Pas de signal ou résistance élevée sur les broches de sortie (provenant de vides/tête-sur-oreiller)

Comment éviter les problèmes courants liés aux BGA

• Concevoir soigneusement les motifs des plots et le pas des billes : S'assurer que le motif d'empreinte pour le composant BGA correspond exactement au boîtier.
• Contrôler la température de soudage : Éviter la surchauffe ou une température de soudage insuffisante pendant le processus de refusion.
• Vérifier la qualité de l'impression de pâte : Utiliser des machines d'inspection de pâte à souder lorsque possible et corriger immédiatement si des pastilles manquent ou sont surchargées de soudure.
• Sécher les circuits intégrés BGA sensibles à l'humidité avant le soudage : Cela évite le phénomène de « popcorning » et l'agrandissement des vides lorsque les billes de la matrice fondent.
• Utiliser toujours un four de refusion correctement profilé : Standardiser la température maximale et sa durée pour chaque procédé d'assemblage afin de minimiser les soudures froides ou brûlées.

Procédé de reprise BGA : Outils et techniques

Lorsque l'assemblage ou l'inspection révèle un joint de soudure défectueux ou un composant BGA défaillant, le processus de reprise BGA entre en jeu. Une approche méthodique est essentielle pour éviter tout dommage supplémentaire.

Outils et techniques pour la reprise de composants BGA

Station de reprise BGA :

L'outil principal est une station conçue spécifiquement pour les reprises de composants BGA.

Ces stations de reprise sont équipées de commandes de température précises, de systèmes optiques pour l'alignement et de buses à air chaud spécialisées ou de chauffages infrarouges pour chauffer localement le composant BGA.

Outil à air chaud et préchauffeur IR :

L'utilisation d'un outil à air chaud permet le retrait en toute sécurité de la pièce défectueuse sans perturber les joints de soudure adjacents.

Le préchauffeur IR réchauffe délicatement la carte électronique afin d'éviter toute déformation ou choc thermique.

Systèmes optiques et alignement :

Les stations modernes incluent des caméras ou des microscopes pour aligner précisément les billes de soudure avec les pastilles à l'aide de billes de soudure.

Outils de rebalayage :

Pour les composants BGA qui doivent être réutilisés, le « reballing » remplace les anciennes billes de soudure contaminées par de nouvelles.

Imprimante de pâte à souder ou pochoir miniature :

Pour appliquer la quantité appropriée de soudure sur le nouveau BGA.

Le processus de reprise du BGA (étape par étape)

Préparation

Inspecter et confirmer le défaut ainsi que le circuit à réparer.

Éliminer l'humidité du circuit imprimé et du BGA par un pré-baking.

Retrait

Utiliser la station de reprise pour chauffer localement le composant BGA.

Une fois que les billes de soudure ont fondu, retirer le BGA à l'aide d'un outil sous vide.

Nettoyage du site et inspection des pastilles

Éliminer le soudure résiduelle des pastilles du circuit imprimé ; inspecter la présence d'un décollement des pastilles ou de dommages au circuit imprimé.

Placement BGA neuf

Pour le nouveau BGA, appliquez de la pâte à souder sur les pastilles et utilisez des guides d'alignement pour le positionnement.

Refusion de la soudure

Utilisez l'outil à air chaud ou les commandes de la station de reprise pour refondre les nouvelles billes de soudure et établir les connexions entre le BGA et le PCB.

Inspection finale

Effectuez une inspection par rayons X, une inspection visuelle et un test électrique selon les besoins.

Meilleures pratiques pour l'assemblage de cartes, la refusion et la qualité

• Évitez les défauts en validant chaque étape : Du dépôt de la pâte à souder et du positionnement jusqu'à la refusion et l'inspection.
• Utilisez une inspection automatisée par rayons X pour les cartes comportant un grand nombre de BGA : Sélectionner manuellement les défauts dans des billes de soudure cachées n'est pas réalisable à grande échelle.
• Surveiller la température de soudage : Établir un profil pour chaque carte à l'aide de thermocouples, en particulier pour les cartes complexes et haute densité.
• Conserver les BGA conformément aux recommandations des fabricants : Prévenir l'oxydation des billes de soudure et l'absorption d'humidité.

Questions fréquemment posées

Q : Le soudage manuel peut-il être utilisé pour les composants BGA ?

R : Le soudage manuel n'est généralement pas adapté à l'assemblage BGA en raison de la nature cachée et du pas fin des soudures. Toutefois, il joue un rôle essentiel dans les opérations de reprise à l'aide d'embouts à air chaud spéciaux et d'une inspection visuelle précise.

Q : Une inspection par rayons X est-elle toujours nécessaire pour les BGA ?

R : Oui, en production — car les soudures sont situées sous le boîtier et ne peuvent pas être entièrement évaluées par des techniques visuelles ou optiques.

Q : Quels sont les signes d'un échec du processus de soudage BGA ?

R : Signaux intermittents, absence de sortie ou défaillance du dispositif ; confirmé par une inspection aux rayons X ou par des tests électriques ayant échoué.

Q : Comment éviter les défauts courants des BGA pendant le refusion ?

R : Un profilage correct du four, une conception soigneuse du pochoir et des techniques d'inspection régulières permettent de minimiser les défauts évidents comme les défauts subtils.

Conclusion

Le développement de l'emballage à grille de billes (ball grid array) a été déterminant pour répondre à la demande incessante de dispositifs électroniques plus petits, plus puissants et plus fiables. Toutefois, les joints de soudure des composants BGA — disposés en motif de grille et situés au bas du boîtier — exigent des techniques sophistiquées d'assemblage, de retouche et d'inspection. De l'utilisation des fours de refusion et des stations de reprise BGA dernier cri jusqu'à la nécessité d'inspections par rayons X avancés, l'ensemble du processus exige une attention méticuleuse à chaque détail.

Éviter les défauts courants des BGA exige des contrôles rigoureux du processus et une volonté d'utiliser les bons outils et méthodes d'inspection. La combinaison d'une bonne conception, d'une technique de soudure experte, d'une inspection précise et d'un travail méticuleux de retouche garantit que chaque carte de circuit imprimé haute densité — ainsi que chaque circuit intégré à l'intérieur du boîtier — tient ses promesses en matière de durabilité et de performance.

Restez en tête dans le monde en constante évolution de l'assemblage de cartes PCB — maîtrisez la soudure BGA, maintenez vos technologies d'inspection à jour et investissez dans les compétences de votre équipe.