Teknik Inspeksi BGA Lanjutan untuk Elektronik yang Handal

Teknik Inspeksi Ball Grid Array

Kemajuan teknologi yang berkelanjutan telah menggerakkan elektronik menuju produk yang kecil dan ringan. Untuk mengikuti keinginan konsumen ini, teknologi permukaan (SMT) diperkenalkan. Namun, permintaan yang meningkat untuk produk ini juga memerlukan pengembangan teknologi kepadatan tinggi yang dapat dirakit dengan cepat. Dorongan ini mengarah pada pengembangan teknologi ball grid array (BGA).

BGA dan perangkat serupa dengan cepat menjadi elemen standar dalam desain papan sirkuit cetak (PCB) modern. Namun, perangkat ini terkenal sulit diperiksa setelah perakitan. Dalam artikel ini, kita akan membahas tantangan inspeksi BGA, teknik inspeksi yang digunakan dalam kontrol kualitas BGA dan cara menghindari defek BGA umum sebelum perakitan.

 

Apa Itu Inspeksi Ball Grid Array?

Ball grid array adalah paket permukaan untuk sirkuit terpadu yang digunakan untuk memasang perangkat. Permukaan bawah BGA dilapisi dengan pin yang diatur dalam pola grid, sehingga nama teknologi ini. Alih-alih pin kabel, koneksi ini dibuat dengan pad dengan bola solder. Koneksi ini perlu di-solder dengan hati-hati karena lokasinya di bawah paket.

Namun, setelah koneksi solder selesai, mereka tidak lagi terlihat untuk pengamat biasa. Karena mereka tidak terlihat, teknik inspeksi yang lebih canggih diperlukan untuk memastikan kualitasnya. Inilah peran inspeksi BGA yang vital.

Inspeksi BGA adalah proses di mana koneksi antara chip dan PCB dianalisis untuk memastikan kualitas. Inspeksi BGA memeriksa berbagai aspek ball grid array, termasuk tinggi standoff paket, kualitas koneksi dan lebih banyak. Dalam inspeksi BGA, inspeksi visual tanpa bantuan sangat terbatas, jadi teknik lain diperlukan untuk melihat koneksi secara detail.

Metode analisis ini meliputi uji listrik, inspeksi optik assisted dan inspeksi X-ray. Komponen teknik ini akan dibahas lebih detail selanjutnya dalam artikel ini.

 

Mengapa Inspeksi Penting?

Inspeksi BGA terkenal sulit untuk satu alasan — solder joints terletak di bawah paket BGA. Karena posisi fitur ini, dapat sulit untuk mendapatkan tampilan yang baik dari BGA untuk inspeksi. Meskipun kesulitan ini, inspeksi sangat penting untuk BGA untuk beberapa alasan, termasuk:

• Kesulitan soldering: Soldering komponen BGA sulit, karena memerlukan panas yang cukup diterapkan ke array sehingga semua bola dalam grid meleleh dengan cukup untuk membuat solder joints. Kedua densitas koneksi dan kesulitan soldering berarti ada kemungkinan tinggi terjadinya defek. Inspeksi membantu para ahli menangkap defek ini sehingga mereka dapat menghindari mengirimkan bagian yang rusak.
• Uji listrik yang tidak andal: Uji listrik menjalankan arus melalui PCB untuk memastikan electrically sound. Namun, jenis uji ini hanya dapat menilai apakah arus hidup atau mati saat komponen BGA terhubung. Uji ini tidak andal karena hanya dapat menemukan beberapa jenis defek dan tidak dapat menentukan lokasi defek yang ditemukan. Inspeksi komprehensif yang menggabungkan metode ini dengan teknik lain dapat membuat gambaran lengkap yang lebih baik tentang kesalahan dan lokasinya.
• Pemakaian ulang material: Jika BGA ditemukan memiliki defek solder, dapat diangkat menggunakan stasiun rework dan diganti atau direbus ulang untuk digunakan kembali. Proses inspeksi mengidentifikasi defek sejak dini sehingga material dapat dihemat dengan cara ini, yang mengurangi limbah material.
• Kontrol kualitas: Perakitan SMT BGA bergantung pada koneksi fisik yang berkualitas, jadi kontrol kualitas BGA harus mencakup inspeksi rinci dari koneksi ini. Inspeksi juga dapat mengidentifikasi defek dan pola umum. Ini penting, karena defek berulang mungkin mengindikasikan masalah dengan proses manufaktur dan perakitan atau bahkan desain produk PCB.
• Pengurangan biaya: Proses inspeksi yang menyeluruh meminimalkan jumlah defek yang lolos ke tahap produksi berikutnya. Defek yang lolos inspeksi mungkin tertangkap lebih lanjut dalam proses produksi, membuat rework lebih mahal. Semakin lambat defek tertangkap, semakin mahal akan menjadi untuk perusahaan Anda. Itulah mengapa pencegahan dan penyelesaian sejak awal sangat penting.

Karena pentingnya inspeksi, tim inspeksi harus menggunakan alat dan teknik yang menyeluruh dan efektif dalam proses. Dengan cara itu, tim ini dapat menangkap semua masalah dan menentukan lokasi dan penyebabnya sebelum menjadi masalah yang lebih besar dan lebih mahal.

Defek BGA Umum

Karena kompleksitas BGA, banyak defek potensial dapat terjadi selama proses soldering untuk BGA. Beberapa masalah yang mungkin timbul meliputi hal-hal berikut:

• Ketidaksejajaran: Ketidaksejajaran terjadi ketika PCB dan BGA teroffset selama reflow dan terhubung di titik yang salah. Ini adalah salah satu masalah paling umum yang terjadi selama perakitan BGA.
• Tinggi standoff yang tidak konsisten: BGAs ditempatkan di atas PCB, dan soldering yang tidak tepat dapat menghasilkan BGA yang berada di sudut miring di permukaan PCB. Tinggi standoff asimetris ini dapat mengkomromisi keamanan koneksi.
• Bola hilang: Jika bola hilang dari BGA saat diterapkan ke PCB, titik koneksi penting mungkin hilang dari perakitan.
• Pad tidak basah: Dalam beberapa kasus, pasta solder yang telah direflow mungkin tidak membasahi pad dengan benar. Ini mungkin terjadi karena reflow tidak lengkap atau solder resist yang tersisa dari langkah sebelumnya dalam proses produksi.
• Bridge: Bridge terjadi ketika pasta solder berlebih tersisa di antara deposit pasta. Bridge di antara titik koneksi sering menghasilkan short circuit.
• Reflow parsial: Dalam beberapa kasus, reflow mungkin tidak menyeluruh pada papan. Ini sering terjadi karena reflow solder yang tidak cukup, kesalahan manusia atau gangguan mekanis.
• Popcorning: Popcorning terjadi ketika bola menyatu bersama selama proses soldering. Ini adalah masalah umum untuk BGA dan, seperti bridge, menghasilkan short circuit.
• Sirkuit terbuka: Sirkuit terbuka terjadi ketika solder gagal membasahi pad PCB dan memanjat ke bola solder dan ke permukaan komponen. Sementara uji listrik dapat mengidentifikasi ini sebagai masalah pada papan, tidak dapat mengidentifikasi penyebab masalahnya.
• Voiding: Voiding terjadi ketika aliran berhenti sebelum koneksi solder. Ini adalah masalah umum dalam komponen BGA yang dapat diruntuhkan.

Masalah ini semuanya dapat menjadi kesalahan fatal untuk produk akhir, jadi menangkapnya dengan teknik inspeksi dan teknologi berkualitas adalah keharusan. Untungnya, teknik inspeksi modern telah maju ke titik di mana sebagian besar defek ini dapat diidentifikasi menggunakan satu atau lebih metode inspeksi. Namun, juga penting untuk menghindari defek ini di mana saja sebelum perakitan.

Pertimbangan Desain untuk Menghindari Defek BGA

Sementara teknik inspeksi telah maju ke titik di mana mereka dapat menangkap banyak defek sebelum melanjutkan melalui proses manufaktur, selalu lebih baik untuk menghindari ketidakteraturan. Ini memerlukan perencanaan yang cermat dari tim desain. Untuk memaksimalkan pelubuhan mencapai solder joints yang berhasil pada BGA, tim desain harus mempertimbangkan hal-hal berikut dalam tata letak PCB:

• Footprint BGA: Desainer PCB perlu memastikan mereka memiliki pola footprint yang benar untuk perangkat BGA yang ingin digunakan. Pastikan footprint benar dan hati-hati dalam mendesain pad footprint PCB untuk menghindari short dan masalah solder selama perakitan.
• Manajemen termal: Tata letak PCB harus mempertimbangkan massa termal. Mengelompokkan BGA dengan erat dapat menyebabkan ketidakseimbangan termal antara bagian papan yang padat dan yang kurang padat. Misalnya, memberikan cukup panas untuk dengan benar solder BGA yang dikelompokkan erat dapat menghasilkan bakaran di bagian yang kurang padat. Sebaliknya, memberikan cukup panas untuk menghindari bakaran di bagian yang kurang padat dapat menghasilkan voids pada BGA.
• Penempatan via: Via atau through-hole adalah fitur umum pada PCB, tetapi penempatan via dapat mempengaruhi perilaku solder dalam proses perakitan BGA. Via yang berdekatan dengan pad BGA dapat menghasilkan solder berlebih yang berlari dari pad ke via, menyebabkan short. Untuk menghindari ini, lapiskan via yang berdekatan dengan pad BGA dengan masker solder.

Di atas pertimbangan desain ini, Anda juga harus berhati-hati untuk mengembangkan dan memverifikasi profil reflow yang tepat sebelum perakitan. Ini melibatkan penggunaan profiler untuk mengukur dan mencatat rentang suhu di junciton bola/pad BGA saat papan melewati oven reflow. Ini dapat dilakukan dengan PCB polos sisa dan bagian BGA. Data ini dapat digunakan untuk memastikan profil reflow untuk pasta dan profil termal PCB benar, serta mengidentifikasi masalah desain sebelum perakitan.

 

Teknik Inspeksi untuk Ball Grid Array

Menghindari defek adalah tujuan, tetapi inspeksi BGA selalu diperlukan untuk menganalisis koneksi antara BGA dan PCB. Karena hampir tidak mungkin untuk melihat solder joints melalui pengamatan visual langsung, analisis ini dilakukan menggunakan berbagai teknik dan alat inspeksi. Alat dan teknik ini telah berkembang selama bertahun-tahun untuk menjadi andal dan ramah pengguna. Sementara alat ini tidak dapat digunakan secara individu untuk mencakup semua aspek inspeksi, mereka dapat memberikan gambaran komprehensif dari BGA saat digabungkan.

Alat dan teknik inspeksi sering diorganisir ke dalam kategori berikut:

 

1. Uji Listrik

Uji listrik BGA adalah proses inspeksi lain yang menguji properti listrik papan. Ini berbeda dari uji mekanis, yang merupakan proses destruktif yang memberatkan BGA dengan tes kejutan dan geser untuk mengevaluasi kualitas solder joints di bawah stres.

Uji listrik menjalankan arus melalui BGA untuk menganalisis stabilitas listrik papan. Uji menentukan apakah arus hidup atau mati setelah komponen BGA terhubung. Jenis uji ini berguna untuk mengidentifikasi apakah ada masalah listrik seperti short atau open. Namun, seperti yang telah dibahas sebelumnya, uji listrik hanya dapat mengidentifikasi kehadiran defek ini — tidak dapat digunakan untuk menentukan di mana defek ada pada BGA.

Sementara uji listrik adalah langkah penting dalam proses inspeksi, sulit untuk mengambil titik tes di bawah komponen BGA. Juga sulit untuk memenuhi persyaratan penilaian dengan uji listrik saja. Sebaliknya, uji listrik sering digunakan dalam kombinasi dengan teknik tes lain untuk mengidentifikasi masalah dalam inspeksi ball grid array.

 

2. Inspeksi Optik atau Visual

Inspeksi optik, juga disebut inspeksi visual, adalah penggunaan teknologi optik untuk melihat BGA dan koneksinya. Teknik ini secara historis menggunakan mata telanjang atau mikroskop, yang memberikan hasil yang terbatas. Namun, memperkenalkan endoskop telah terbukti sangat berharga untuk teknik inspeksi ini.

Endoskop awalnya dirancang untuk aplikasi medis, tetapi kemampuan teknologi untuk secara visual memeriksa objek kecil di area yang terbatas membuatnya ideal untuk BGA. Teknologi melibatkan penggunaan kamera dengan lensa pembesar tinggi dan monitor yang terhubung untuk mendapatkan gambar close-up dari area inspeksi. Teknologi ini sering dipasangkan dengan perangkat lunak visualisasi untuk pengambilan gambar dan pengukuran yang canggih.

Inspeksi visual dengan endoskop memungkinkan teknisi untuk melihat baris luar koneksi antara BGA dan PCB — dengan pencahayaan yang baik, teknisi juga dapat melihat beberapa baris dalam. Teknik optik ini membantu mengidentifikasi dan menilai kualitas keseluruhan solder joint, termasuk bentuk, tekstur permukaan dan tampilan senggolan, yang semuanya dapat mengindikasikan defek yang berbeda.

Inspeksi optik juga dapat mengidentifikasi short, open, debu dan solder dingin dan sangat penting untuk menilai rework, karena dapat mengidentifikasi cakupan reflow yang tepat. Namun, kemampuan visual dari teknik inspeksi ini terbatas dan tidak memungkinkan analisis detail dari koneksi internal.

Catatan akhir tentang endoskop adalah bahwa mereka adalah peralatan inspeksi yang sangat serbaguna. Endoskop dapat digunakan untuk memeriksa solder joint BGA serta berbagai assembly permukaan dan through-hole yang dapat sulit dianalisis melalui metode normal.

 

3. Inspeksi X-Ray

Metode inspeksi paling canggih untuk BGA adalah inspeksi X-ray. X-ray bekerja dengan memancarkan energi X-ray dari tabung X-ray ke papan. X-ray melewati papan dalam jumlah yang berbeda, dengan lebih banyak X-ray yang terjebak di area padat seperti solder joint. X-ray kemudian dikumpulkan di detektor, yang menterjemahkannya menjadi cahaya terlihat dan menghasilkan gambar.

Dalam gambar ini, solder joint lebih gelap dari sekelilingnya, memungkinkan penonton untuk melihat pola solder. Gambar yang dihasilkan akan menunjukkan grid seragam dari lingkaran gelap identik dalam papan yang ideal, lingkaran tersebut adalah solder joint.

Hasil uji X-ray adalah gambar di mana grid bola dan pola solder mudah dilihat dan diperiksa dari sudut atas bawah. Teknologi inspeksi X-ray yang lebih canggih memiliki fungsi miring, yang dapat menganalisis bentuk solder joint dari sudut berbeda. Gambar ini sangat berguna untuk melihat variasi dalam pola dan bentuk solder, menjadikan teknologi ini baik untuk mengidentifikasi solder bridge, popcorning, solder berlebih dan defek serupa. Namun, teknologi ini tidak baik dalam mendeteksi open.

Seperti endoskop, teknologi inspeksi X-ray dapat digunakan dalam berbagai aplikasi di luar inspeksi BGA. Beberapa contoh termasuk inspeksi via dan through-hole, analisis defek permukaan dan inspeksi solder unleaded.

Hubungi Millennium Circuits

Saat digunakan bersama-sama, teknik inspeksi ball grid array yang efektif dan menyeluruh dapat sangat mengurangi jumlah defek yang lolos tahap inspeksi. Dengan mengurangi jumlah defek yang melanjutkan dalam proses produksi, bisnis dapat mengurangi kemungkinan rework dan panggilan balik yang mahal. Namun, selalu lebih baik untuk menghindari defek BGA melalui desain berkualitas. Jika Anda memiliki pertanyaan tentang BGA, teknik inspeksi dan cara menghindari defek BGA, hubungi para ahli di Millennium Circuits untuk lebih banyak detail.

Millennium Circuits Limited (MCL) adalah penyedia PCB terkemuka di bagian tengah Pennsylvania. Tujuan kami adalah untuk memberikan PCB terbaik dengan harga terbaik dan memberikan pengetahuan PCB yang Anda perlukan untuk berbeda dari pesaing Anda. Dengan lebih dari sepuluh tahun layanan yang berdedikasi, beberapa penghargaan dan lebih dari 400 pelanggan di seluruh dunia, MCL adalah perusahaan papan sirkuit cetak yang dapat Anda percayai.

Di MCL, kami sangat bangga membantu pelanggan kami mencapai pemahaman yang lebih besar tentang elektronik dan mempelajari cara memastikan kualitas maksimum dan daya saing dalam pasar. Kami senang memberikan informasi apa pun yang Anda perlukan untuk membuat keputusan yang tepat tentang komponen elektronik Anda. Hubungi MCL hari ini untuk mempelajari lebih lanjut tentang kontrol kualitas dan inspeksi BGA.