Elemen yang Harus Dipertimbangkan dengan Hati-hati pada Kemampuan Proses Perakitan BGA

Rakitan BGA (ball grid array) benar-benar kompatibel dengan teknologi rakitan solder. Pitch BGA skala chip bisa 0,5mm, 0,65mm atau 0,8mm dan komponen BGA plastik atau keramik memiliki pitch yang lebih lebar seperti 1,5mm, 1,27mm dan 1mm. Paket BGA dengan pitch halus lebih mudah rusak daripada IC (integrated circuits) dengan paket pin dan komponen BGA memungkinkan pengurangan titik kontak secara selektif untuk memenuhi persyaratan spesifik pada pin I/O. Sebagai teknologi mutakhir yang diterapkan dalam perakitan SMT (surface mount technology), paket BGA dengan cepat menjadi pilihan yang signifikan untuk menyesuaikan dengan teknologi pitch halus dan ultra fine pitch, mencapai interkoneksi kepadatan tinggi dengan teknologi perakitan andal yang disediakan, yang mengarah ke semakin banyak aplikasi jenis paket ini.

Aplikasi Perangkat Inspeksi Tomografi X-Ray di Majelis BGA

Sebagian besar produsen PCB (papan sirkuit tercetak) dan produsen elektronik tidak terlalu memperhatikan kebutuhan untuk menerapkan pemeriksaan sinar-X dalam proses manufaktur mereka sampai komponen BGA diterapkan dalam perakitan elektronik. Metode inspeksi tradisional dianggap cukup seperti MVI (inspeksi visual manual) dan uji listrik termasuk MDA (analisis cacat manufaktur), ICT (uji dalam rangkaian) dan uji fungsi. Namun, semua metode inspeksi tersebut gagal menemukan masalah sambungan solder yang tersembunyi seperti rongga, penyolderan dingin, dan adhesi penyolderan timah yang buruk. Sistem pemeriksaan sinar-X adalah jenis alat pemeriksaan yang telah diverifikasi untuk dapat memeriksa sambungan solder yang tersembunyi dan membantu menetapkan dan mengendalikan proses manufaktur, menganalisis prototipe, dan proses konfirmasi. Berbeda dari MDA, ICT, dan AOI (Automated Optical Inspection), sistem pemeriksaan sinar-X mampu mengkonfirmasi korsleting, sirkuit terbuka, rongga dan pelurusan bola solder BGA, memantau kualitas proses dan menyediakan data umpan balik instan untuk SPC (kontrol proses statistik) dengan efisiensi manufaktur yang tinggi.

Perangkat pemeriksaan tomografi sinar-X dapat menghasilkan gambar tomografi melalui pengambilan gambar sambungan solder yang mampu menerapkan analisis sambungan solder otomatis dan pemindaian tomografi waktu nyata. Selain itu, mereka dapat melakukan analisis perbandingan yang akurat pada semua sambungan solder komponen di kedua sisi papan PCB dalam beberapa detik atau 2 menit, yang mengarah pada kesimpulan apakah sambungan solder memenuhi syarat atau tidak.

Proses Perakitan BGA dan Sumber Variasi

Untuk menggunakan sistem pemeriksaan sinar-X secara lebih efektif, parameter kontrol proses perakitan BGA dan batasan kontrol parameter harus diklarifikasi. Proses perakitan BGA sesuai dengan urutan berikut:

Ketika bola solder eutektik komponen BGA dirakit dalam pasta solder selama proses perakitan, posisinya biasanya diperbaiki melalui penyelarasan sendiri timah solder cair. Dengan demikian, presisi pemasangan tampaknya tidak begitu penting seperti komponen timah pitch halus dan fase kontrol terdepan dalam teknologi perakitan komponen BGA adalah pencetakan pasta solder dan penyolderan reflow. Selain itu, variasi dalam hal bentuk dan ukuran sambungan solder juga terkait dengan banyak elemen lainnya.

Hampir tidak mungkin untuk menghilangkan semua variasi, jadi poin kunci dalam pengendalian proses manufaktur adalah mengurangi variasi di setiap fase manufaktur. Pengaruh variasi yang berbeda pada produk perakitan akhir harus dianalisis dengan cermat dan diproses secara kuantitatif. Dengan mempertimbangkan seluruh proses mulai dari komponen BGA hingga proses perakitan PCB, elemen utama yang mempengaruhi kualitas sambungan solder adalah:
1. Volume bola solder;
2. Ukuran pad komponen BGA;
3. Ukuran bantalan PCB;
4. Volume pasta solder;
5. Deformasi komponen BGA selama proses penyolderan reflow;
6. Deformasi PCB pada area pemasangan BGA selama proses penyolderan reflow;
7. Akurasi penempatan pemasangan;
8. Reflow kurva suhu penyolderan.

Apa pun jenis perangkat inspeksi yang digunakan, harus ada dasar ketika menilai apakah sambungan solder memenuhi syarat atau tidak. IPC-A-610C mengatur definisi kriteria penerimaan sambungan solder BGA dalam butir 12.2.12. Sambungan solder BGA yang sangat baik harus halus, bulat, jelas di tepi dan tanpa rongga. Diameter, volume, skala abu-abu, dan kontras harus sama untuk semua sambungan solder dengan posisi sejajar dan tidak ada perpindahan atau puntiran.

Kemampuan Proses Perakitan BGA

Jenis komponen BGA digunakan sebagai contoh dalam pembahasan berikut. Jenis komponen BGA ini adalah komponen PBGA (plastic ball grid array) dengan 520 pin dan ukuran 2"x2", menampilkan bola solder eutektik dan memanfaatkan fluks tanpa pembersihan. Analisis kapabilitas proses 6 sigma diimplementasikan untuk membuktikan akurasi penempatan BGA, rangkaian terbuka sambungan solder, dan kemungkinan terjadinya hubung singkat. Asumsi sebelum perhitungan adalah:
a. Tidak ada variasi pada pad komponen BGA atau pad PCB;
b. Komponen BGA tidak mengalami deformasi (proses penyolderan reflow);
c. Penyimpangan rata-rata ditentukan sesuai dengan volume rata-rata sambungan solder setelah penyolderan reflow;
d. Berat komponen BGA diasumsikan seimbang dengan flotage dan tegangan permukaan;
e. Pad dan bola solder eutektik harus memiliki kemampuan penyolderan yang baik;
f. Semua distribusi adalah distribusi normal.

• Penempatan BGA

Peralatan SMT standar digunakan untuk memasang komponen BGA. Peralatan pemasangan biasa mampu mengenali gambar bola solder eutektik BGA dengan kemampuan proses penempatan yang tercakup sebagai berikut:

Berdasarkan data di atas, deviasi penempatan maksimum adalah 6,53mil ketika kapabilitas proses adalah 6sigma. Karena diameter pad adalah 28mil, penyimpangan penempatan dapat diabaikan di antara penyelarasan diri komponen yang berasal dari tegangan permukaan saat pasta solder dilelehkan. Dalam hal proses penempatan komponen BGA, ini sesuai dengan level 6sigma.

• Sambungan Solder dengan Sirkuit Terbuka

Proses perakitan cenderung melihat sambungan solder terbuka karena keruntuhan bola solder eutektik yang tidak mencukupi. Sejauh menyangkut PBGA dengan 520 pin, bola solder eutektik adalah bola dengan diameter 30 mil yang standar deviasinya adalah 500 mil ³ (dengan volume yang berpartisipasi) dan volume diatur menjadi 14.130 juta ³ . Diameter BGA dan PCB pad adalah 28mil dengan ketebalan pasta solder menjadi 6mil. Oleh karena itu, tinggi rata-rata tepi bola solder BGA adalah sekitar 24mil. Karena kemampuan 6sigma mencerminkan variasi volume bola solder yang bersangkutan,

Setelah penyolderan reflow, ketinggian penopang ikatan penyolderan yang ditentukan oleh volume rata-rata sambungan solder adalah 19 mil. Karena kemampuan proses diatur menjadi 6sigma, ketebalan pasta solder diukur menjadi 4 hingga 8 mil. Selain itu, bola solder BGA akan diciutkan menjadi pasta solder selama 3 mil, yang menghasilkan data yang dihitung sebagai berikut:
Ketebalan minimum pasta solder di bawah bola solder =3mil
Kolaps minimum =7mil
Minimum tergabung collapse =10mils
Penyimpangan keamanan minimum yang dihasilkan untuk menghentikan berlangsungnya sirkuit terbuka =​​2.2mils

Ketika variasi di atas dapat dikontrol ke dalam rentang tertentu, proses penyolderan reflow BGA dapat mencapai 6sigma.

Sayangnya, deformasi pada komponen BGA dan PCB biasanya menyebabkan inkonsistensi tinggi ikatan solder selama perakitan solder reflow BGA. Komponen BGA dan bantalan PCB memiliki perbedaan yang menyebabkan variasi proses. Secara keseluruhan, meskipun semua variasi dipertimbangkan, sambungan solder terbuka akan tetap terjadi. Dengan demikian, sistem pemeriksaan sinar-X dapat digunakan untuk melakukan pemeriksaan cacat pada sambungan solder terbuka.

• Jembatan Sambungan Solder (hubung singkat)

Metode yang sama dapat digunakan untuk memperkirakan pengaruh hubungan pendek sambungan solder pada kemampuan proses perakitan. Sambungan solder berbeda satu sama lain dalam hal diameter dan data terukur menunjukkan bahwa volume ikatan setiap sambungan solder berkisar antara 12800 hingga 19250mil ³ di bawah kemampuan proses 6sigma. Akibatnya, ketinggian dukungan ikatan penyolderan minimum adalah 15 mil dan kemudian diameter ikatan penyolderan maksimum dapat mencapai 38,5 mil. Untuk komponen BGA dengan pitch 50mil, sambungan sambungan solder hampir tidak akan terjadi.

Analisis Kontrol Proses Statistik

Kontrol proses perakitan BGA yang efektif menyebabkan lebih sedikit variasi yang terjadi pada koneksi solder. Namun, dalam proses perakitan praktis, variasi berikut biasanya membuat proses berfluktuasi, sehingga memerlukan pemantauan yang konsisten.
1. Tinggi dan volume pasta solder;
2. Diameter sambungan samping komponen BGA;
3. Diameter sambungan samping bantalan PCB;
4. Diameter ikatan pusat sambungan;
5. Ukuran rongga dan tingkat kejadian;
6. Bola timah.

Ketebalan pasta solder dapat dipantau dengan peralatan pemeriksaan sinar-X dan variasi proses dapat dikontrol dalam tingkat tertentu berdasarkan bentuk dan konsistensi sambungan solder.

Artikel ditulis oleh editor PCBCart Dora Yang, aslinya diterbitkan di Majalah SMT007 edisi Mei 2018.

PCBCart Menangani Perakitan BGA Secara Profesional

PCBCart telah menyediakan layanan Perakitan PCB selama bertahun-tahun, kami memiliki pengalaman yang kaya dalam proyek Perakitan BGA. Kami dapat memproses pitch BGA pada 0,4mm atau lebih besar, dan jumlah bola BGA kami antara 2 hingga 50. Jika kebutuhan populasi PCB Anda melibatkan perakitan BGA, jangan ragu untuk menghubungi kami di sini untuk solusi praktis dan hemat biaya. Atau, Anda dapat mengklik tombol di bawah ini untuk mengirimkan permintaan penawaran PCBA, kami akan menghubungi Anda kembali dengan biaya dan solusi perakitan kartu sirkuit khusus sesegera mungkin.

Sumber Daya Bermanfaat
• Pengenalan Singkat Jenis Paket BGA
• Pengenalan Teknologi Pengemasan BGA
• Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kualitas Perakitan BGA
• Layanan Produksi Satu Pintu PCBCart Mencakup Fabrikasi PCB, Pengadaan Komponen, dan Perakitan Turnkey