BGA, CGA E
HD CONNECTORS
Rework e Riparazione
In un momento in cui l’elettronica è sempre più complessa stanno diventando sempre più diffusi ed essenziali i componenti grid array come CGA e BGA. Si tratta molto spesso di componenti importanti e costosi che governano schede preziose anche in settori come l’aerospaziale dove si sono imposti nonostante una tradizione consolidata di montaggi manuali.
Sono componenti a montaggio superficiale (SMD) che necessitano di un processo di saldatura esclusivamente automatico perché al posto delle normali terminazioni “solide” (PIN) che si estendono dal case del componente verso l’esterno hanno invece delle sfere (BALL) o delle colonne (COLUMN) di lega poste sotto di sé che, durante il ciclo termico di rifusione vanno a formare il giunto di saldatura tra il componente e il circuito stampato. Nel caso delle BALL il giunto avviene per rifusione della ball stessa che si fonde nella lega d’apporto, nel caso delle COLUMN invece la colonna funge da terminale su cui avviene il legame con la lega d’apporto.
Anche nel settore dei connettori ci sono nuovi componenti nati per rispondere alle esigenze di elevata performance nei settori della sicurezza, del controllo, della difesa, delle comunicazioni. Si tratta dei connettori comunemente denominati VITA che offrono connessioni ad alta densità per schede complesse e hanno un montaggio simile a quello dei grid array. I loro terminali a saldare infatti, tutti collocati sotto al connettore, non sono costituiti da pin ma da piccole colonne di lega che in fase di rifusione scendono a formare la saldatura. Anche per questi montaggi servono speciali accorgimenti molto simili a quelli che vedremo sotto per i BGA e i CGA.
DIVERSI PER FORMA E NECESSITÀ
Per montare questi componenti servono quindi attenzioni speciali. Si possono individuare infatti tre aspetti caratteristici che li distinguono da tutti gli altri:
La rifusione e quindi la formazione dei giunti, avviene completamente sotto al corpo del componente, in un’area non visibile e sotto il peso del componente stesso. Il montaggio può avvenire di conseguenza solo in un processo di rifusione automatica perché i punti di saldatura non sono raggiungibili con nessuna attrezzatura di saldatura manuale;
I giunti non possono essere ispezionati con il normale ausilio di strumenti visivi come la macchina a controllo ottico automatico (AOI) o il microscopio ed è quindi necessario avere a disposizione una macchina a raggi X per effettuare i necessari controlli in incoming, in process e per la validazione a fine lavorazione;
In caso di problemi i giunti di saldatura non possono essere ri-lavorati singolarmente non essendo raggiungibili con un saldatore manuale. La correzione di eventuali singoli difetti passa quindi quasi sempre dalla rimozione dell’intero componente e, in questa operazione, tutte le sfere e le colonne vanno perdute, diventa quindi necessario sostituire i componenti oppure, per il BGA se lo si vuole recuperare, è necessario ricollocare le sfere con un altro procedimento speciale chiamato REBALLING.
PERCHÉ CI PIACCIONO
Per quale motivo quindi si ricorre a questi componenti tanto particolari con necessità così specifiche anche in settori dove storicamente la saldatura manuale è stata preferita?
La particolare costruzione di questi processori e connettori permette di avere un’incredibile quantità di connessioni rispetto ai componenti a pin esterno garantendo quindi performance senza paragoni in termini di potenza, capacità e funzionalità in spazi enormemente ridotti rispetto alla tecnologia a pin esterno. Alcuni BGA ad esempio arrivano vicino alle 2000 connessioni in sfere da 0.2mm distanziate tra loro meno di 1mm, i connettori VITA possono avere più di 500 posizioni ulteriormente espandibili, possiamo comprendere quindi lo straordinario potenziale di questi devices nelle applicazioni ad alta tecnologia e di conseguenza la passione con cui li trattiamo quotidianamente.
QUALE APPROCCIO NEL PROCESSO
In partenza è necessario caratterizzare perfettamente il processo di saldatura, pianificando le attività e ponendo particolare attenzione alle leghe coinvolte nella lavorazione, allo stato delle sfere o delle colonne sul componente, alla situazione delle piazzole sul PCB, e alla compatibilità della lega d’apporto scelta.
Fondamentali anche tutte le fasi del processo di montaggio a partire dalla progettazione degli stencil di serigrafia, che controllano la quantità e la forma della lega d’apporto fino ai parametri di posizionamento del componente dato che le misure ridottissime che le sfere e le colonne possono presentare non permettono margini di errore.
Il profilo di rifusione andrebbe testato con un pezzo “spare” per la produzione di serie mentre, nella prototipazione, è indispensabile disporre di una grande esperienza e di protocolli consolidati per i vari formati che permettano di ridurre le variabili ed arrivare ad un profilo soddisfacente senza possibilità di prove.
L’IMPORTANZA DELL’ ISPEZIONE X-RAY
Sia durante le fasi di montaggio che dopo la saldatura è indispensabile infine attuare tutti i controlli necessari con la macchina X-ray.
In ingresso i componenti vanno ispezionati prima dei processi di montaggio per escludere difetti “fisici” di qualsiasi genere, oltre ai normali controlli visivi infatti l’ispezione x-ray ci permette di indagare più a fondo su eventuali difetti delle sfere o all’ interno del componente.
Durante le fasi di montaggio, ai controlli ordinari va affiancata la verifica degli allineamenti tra PCB, pasta e componente sia in fase di set up che in process se la produzione è di serie. l’allineamento e il corretto posizionamento sulla pasta sono infatti fattori determinanti per un buon risultato di saldatura.
Una volta avvenuta la rifusione è necessaria un’accurata ispezione per validare l’esito del processo di saldatura. L’analisi di un giunto di questo tipo deve essere condotta da parte di un operatore qualificato che abbia avuto un training specifico per la comprensione delle immagini radiografiche.
Non è sufficiente infatti constatare l’assenza di cortocircuiti o misurare la quantità di voids nella saldatura, un esame competente mira ad investigare le forme di questi particolari giunti circolari e la distribuzione dei metalli per comprendere se il processo ha dato origine a legami solidi e affidabili nel tempo e nella performance elettrica.
Le evidenze e gli esiti di queste analisi sono poi fornite al cliente sotto forma di relazione in modo che possano essere conservate come attestazione di conformità e come storico della lavorazione eseguita.
L’IMPORTANZA DEI CONTROLLI VISIVI
l’esperienza maturata in anni di assemblaggio con componenti BGa e CGA ci ha insegnati che oltre all’x-ray anche l’ispezione visiva effettuata con strumenti adatti può essere un grande alleato del controllo di processo.
Per questo ci siamo dotati di un video microscopio ottimizzato per l’ispezione laterale dei componenti grid array.
lo strumento è dotato di speciali lenti orientate in modo che sia possibile effettuare l’ispezione visiva delle sfere ed intercettare così alcuni difetti non immediatamente apprezzabili con un’ ispezione x-ray 2D di linea come ad esempio l’head in pillow o altri difformità nello spettro di connessione con il PCB.
