Qu'est-ce que l'assemblage BGA
Un ball-grid array (BGA) est un boîtier de circuit intégré avec des billes de soudure disposées en grille sur le dessous, sans broches sur les côtés. Les billes se connectent aux pads correspondants du PCB pendant la refusion. Le pas va de 1,27 mm (vieux PBGA) à 0,4 mm (µBGA modernes), pour des nombres de billes de 36 à 2 000+.
Le défi : chaque joint de soudure est sous le boîtier. Vous ne pouvez pas les voir. Vous ne pouvez pas les sonder. L'AOI est inutile. X-ray et test électrique sont les seules méthodes d'inspection post-refusion.
Chez Energetika-VDS, nous assemblons des BGA de 6 × 6 mm pas 0,5 mm jusqu'à 45 × 45 mm pas 1,0 mm sur la tête DDM Novastar LS60 avec refusion 8 zones GF-120HT. L'inspection X-ray est sourcée via partenaires : chaque carte en commandes Class 3, échantillonnage en Class 2.
Assemblage BGA pas à pas
1. Impression de pâte
Ouverture du pochoir pour les pads BGA : typiquement 1:1 au diamètre du pad, parfois -5 % pour le fine-pitch (≤0,5 mm) afin de réduire le bridging. Épaisseur du pochoir :
| Pas BGA | Épaisseur du pochoir |
|---|---|
| 1,0-1,27 mm | 125-150 µm |
| 0,65-0,8 mm | 100-125 µm |
| 0,4-0,5 mm | 75-100 µm avec électroformage |
Cible de volume de pâte : 80-110 % du nominal, mesurée par SPI si disponible. Sous 70 % = joints ouverts. Au-dessus de 130 % = bridging en fine-pitch.
2. Placement
La LS60 prend le BGA, centre par vision sur le motif de billes et place à ±30 µm à 3σ. Le BGA n'a pas besoin d'être parfait ; l'auto-alignement pendant la refusion tire le boîtier sur les pads si le placement est à moins de 50 % du diamètre du pad. Nous visons sous 25 %.
Vitesse de placement : 0,5 à 1,2 s par BGA selon le nombre de billes et la complexité de centrage.
3. Refusion
Les BGA SAC305 suivent le profil de refusion standard de notre article sur le processus SMT :
| Zone | Température | Durée |
|---|---|---|
| Préchauffage | 25 à 150 °C | 60-90 s |
| Soak | 150-200 °C | 60-120 s |
| Pic de refusion | 235-245 °C | 30-60 s au-dessus de 217 °C |
| Refroidissement | 245 à 50 °C | 60-120 s |
Time-above-liquidus (TAL) : 45-90 s est le sweet spot. Sous 45 s = joints froids au centre des gros BGA. Au-delà de 90 s = croissance intermétallique excessive et voiding accru.
4. Inspection X-ray
Après refusion, les BGA passent au X-ray 2D pour inspection visuelle de :
- Présence des billes (aucune manquante)
- Voiding par bille
- Bridging entre billes
- Head-in-pillow (la bille n'a pas mouillé le pad)
- Joints ouverts (soudure insuffisante)
Le X-ray 2D attrape 90 %+ des défauts BGA. Le X-ray 3D / CT attrape le reste (head-in-pillow sur les rangées intérieures de grands boîtiers). Nous sourçons le X-ray 2D en standard ; le 3D sur demande via laboratoires partenaires.
5. Test fonctionnel ou boundary scan
Si la conception inclut un boundary scan JTAG, chaque net entre les billes BGA et les composants adjacents est testé électriquement. Cela attrape les ouverts et courts que le X-ray ne voit pas (joints froids qui paraissent corrects géométriquement). Le FCT lui-même est sourcé via partenaires chez Energetika-VDS.
Voiding : la vraie métrique
Les vides sont des bulles de gaz de flux piégées dans une bille de soudure refondue. Un certain voiding est inévitable. La question est : combien.
| Norme / Classe | Limite de vides par bille |
|---|---|
| IPC-A-610 Class 2 | ≤25 % de surface projetée |
| IPC-A-610 Class 3 (par défaut) | ≤25 % de surface |
| Class 3 avec spécification client | Souvent ≤9-15 % de surface |
| BGA de puissance (pad thermique) | ≤30 % sur billes signal, ≤50 % sur thermique |
| Automobile / médical (sur mesure) | Souvent ≤9 % de surface |
Top 4 des causes de voiding
Vias tentés sous BGA. Vias remplis uniquement par le vernis épargne, qui laissent fuir le gaz de flux dans le joint pendant la refusion. Solution : remplir et caper (IPC-4761 Type VII) ou relocaliser les vias hors de l'ombre BGA. Attrapé dans notre check-list DFM.
Mauvaise épaisseur de pochoir. Trop épais = excès de pâte = excès de flux = plus de vides. Trop fin = soudure insuffisante = head-in-pillow. Adapter le pochoir au pas (tableau ci-dessus).
Pads ou billes oxydés. Des pads stockés plus de 12 mois sans HASL ou avec un mauvais placage ENIG mouillent mal, laissant des vides à l'interface pad. Toujours utiliser des cartes fraîches d'un fabricant connu ; NCAB comme Eurocircuits exécutent des tests d'oxydation de pad.
Profil de refusion avec TAL insuffisant. Sous 45 s au-dessus du liquidus, les gaz de flux ne peuvent pas s'échapper. Au-delà de 90 s, les intermétalliques croissent dans les vides. Viser 60-75 s pour la plupart des BGA SAC305.
Retouche BGA
Station de retouche : buse air chaud ou IR adaptée aux dimensions du BGA. Cycle :
- Pré-cuisson de la carte 4-8 h à 110 °C pour évacuer l'humidité (pièces MSL Level 3)
- Chauffer le BGA à 245 °C pendant 30-60 s, lever avec buse à vide
- Mécher la soudure restante, nettoyer les pads
- Re-baller le BGA (ou utiliser une pièce neuve)
- Re-pâter les pads (mini-pochoir ou pâte dispensée)
- Placer, refusion avec profil local
- Vérifier au X-ray
Temps par retouche BGA : 30-60 minutes. Coût : 40-150 € par joint selon taille et accessibilité. Faites-le bien du premier coup.
BGA contre QFN : quand choisir quoi
| Facteur | BGA | QFN |
|---|---|---|
| Nombre de broches | 36 à 2 000+ | 8 à 100 |
| Inspection | X-ray requis | AOI + congé latéral |
| Coût de retouche | 40-150 € | 5-20 € |
| Coût de la pièce | Plus élevé | Plus faible |
| Performances thermiques | Bonnes (billes thermiques) | Excellentes (pad thermique) |
| Performances RF | Meilleures (boucles plus courtes) | Bonnes |
Pour les grands nombres de broches (>100) et le numérique haute vitesse, BGA est obligatoire. Pour les circuits intégrés de puissance, RF et analogiques 20-80 broches, QFN est moins cher et plus facile à inspecter.
Soumettez votre conception ; la revue DFM signale les points spécifiques aux BGA (vias tentés, routes d'évasion, ouverture du pochoir) avant l'outillage. Essayez d'abord l'estimateur de devis pour une fourchette de prix.
Questions fréquentes
Qu'est-ce qu'un BGA ? Ball-grid array, un boîtier de circuit intégré avec des billes de soudure disposées en grille sur le dessous. Se connecte aux pads PCB correspondants pendant la refusion. Pas de 0,4 mm à 1,27 mm ; nombre de billes de 36 à 2 000+.
BGA contre QFN : lequel est mieux ? Ni l'un ni l'autre. BGA pour les grands nombres de broches (>100), le numérique haute vitesse et la RF. QFN pour les nombres de broches plus faibles (8-100) avec d'excellentes performances thermiques via un pad central. La retouche BGA coûte 5 à 10× plus cher que la QFN ; choisissez QFN quand cela convient.
Comment inspecter un BGA ? X-ray (2D en standard, 3D / CT pour la détection du head-in-pillow sur les gros boîtiers). L'AOI ne voit pas sous le boîtier. Le boundary scan (JTAG) attrape les ouverts et courts électriques que le X-ray ne voit pas géométriquement.
Qu'est-ce que le voiding BGA ? Des bulles de gaz de flux piégées dans une bille de soudure refondue. Un certain voiding est inévitable. IPC-A-610 Class 2 autorise jusqu'à 25 % de surface projetée par bille ; Class 3 avec spécification client exige souvent sous 9-15 %. Causes : vias tentés, pads oxydés, mauvaise épaisseur de pochoir, temps insuffisant au-dessus du liquidus.