Nicoli Pizetti Bega

1
Nicoli Pizetti Bega
Encapsulamento BGA (Ball Grid Array)
Trabalho
de
conclusão
do
Curso,
apresentado para obtenção do grau de
TECNÓLOGO no Curso de Tecnologia em
Materiais, Processos e Componentes
Eletrônicos da Faculdade de Tecnologia de
São Paulo, FATEC-SP.
Orientadora Profa. Dra. Ana Neilde Rodrigues
da Silva
SÃO PAULO
2009
2
AGRADECIMENTOS
Agradeço especial e principalmente ao meu marido que incentivou, colaborou e fez
com que tudo fosse possível;
À insistência de minha mãe, pai e avós para alcançar minha formação;
À paciência e ajuda de minha sogra e meu sogro que com muito carinho e atenção
foram vendo o trabalho ser finalizado;
À minha querida amiga de classe Mayara M. que fez com que as coisas parecessem
mais simples e fáceis.
E à querida professora Ana que apesar das dificuldades sempre me auxiliou, não só
com conhecimento, mas com palavras de incentivo.
3
A mente humana uma vez expandida
jamais volta a seu estado original.
Resumo
Albert Einstein
4
RESUMO
O BGA, encapsulamento com terminais esféricos arranjados em grade, tornou-se a
alternativa mais comum para dispositivos de interface de dados na indústria. Suas vantagens,
além da maior quantidade de terminais (maior que 208 pinos) são muitas. Como não tem
terminais expostos para serem danificados, o BGA tem os problemas de coplanaridade e de
manuseio muito reduzidos. Durante a solda, as esferas são auto-centralizadas se mais de
50% do componente estiver alinhado com os contatos na placa de circuito impresso,
reduzindo assim problemas de posicionamento durante a montagem. Outra vantagem é a
distância entre os terminais no componente (tipicamente 1.27 mm) em comparação com um
circuito integrado QFP, (encapsulamento quadrado e fino com terminais saindo dos quatro
lados e uma distância de 0.4 a 1.0 mm entre pinos). Levando em consideração a performance
térmica e elétrica o BGA pode ser melhor que o convencional QFP. O encapsulamento BGA
teve uma melhora de tempo na produção e design, e pode ser usado para circuitos simples
(few-chip) ou complexos (multi-chip) no mesmo pacote.
Os encapsulamentos BGA estão disponíveis em uma grande variedade: plástico
moldado, fita flexível, metais com alto perfil de dissipação e de alta dissipação. Os BGAs de
alta dissipação utilizam um chip metálico soldado em um substrato orgânico (OLGA).
Outras características importantes dos BGAs são as conexões, do chip para o
encapsulamento, de baixa indutância e custo benefício. Esta tecnologia também melhora o
tamanho do chip por causa da eliminação dos terminais e a dissipação do calor com a
utilização de metais. O substrato orgânico faz com que o encapsulamento fique menor, pois
o núcleo fica incluído no pacote e pode ficar em contato com um dissipador de calor.
5
ABSTRACT
The plastic ball grid array (PBGA) has become one of the most popular packaging
alternatives for high I/O devices in the industry. Its advantages over other high leadcount
(greater than ~208 leads) packages are many. Having no leads to bend, the PBGA has
greatly reduced coplanarity problems and minimized handling issues. During reflow the
solder balls are self-centering (up to 50% off the pad), thus reducing placement problems
during surface mount. Normally, because of the larger ball pitch, (typically 1.27 mm) of a
BGA over a Quad Flat Package, (an integrated circuit package with leads extending from
each of the four sides with a pitch ranging from 0.4 to 1.0 mm) the overall package and
board assembly yields can be better. From a performance perspective, the thermal and
electrical characteristics can be better than that of conventional Quad Flat Package. The
PBGA has an improved design-to-production cycle time and can also be used in few-chippackage and multi-chip modules configurations.
BGAs are available in a variety of types, ranging from plastic overmolded BGAs, to
flex tape BGAs , high thermal metal top BGAs with low profiles, and high thermal BGAs.
The high thermal BGAs, uses a Controlled Collapse Chip Connect die packaged in an
Organic Land Grid Array (OLGA) substrate. In addition to the typical advantages of BGA
packages, low-inductance connections from chip to package, as well as, die size and cost
benefits. This technology also provides die-size benefits through the elimination of the bond
pad ring and better power bussing and metal utilization. The OLGA substrate results in a
smaller package, since there is no cavity, and thermal management benefits since the
thermal solution can directly contact the die.
6
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Imagem de raio X : Fios de ouro interligando chip e substrato
Figura 2 – Esboço de um PBGA simples de 15mm
Figura 3 – PBGA em corte lateral
Figura 4 – Thermal BGA em corte lateral
Figura 5 – Posicionadora de componentes SMD
Figura 6 – Defeito na PCB – Trilha de cobre exposta
Figura 7 – Micro foco de imagem em Raio X de um BGA
Figura 8 – Solda BGA Tin/Lead
Figura 9 – Solda BGA Lead Free
Figura 10 – Solda desprende do pad de cobre
Figura 11 – Pad desprende do laminado
Figura 12 – Rachaduras na junta de solda
Figura 13 – Picos de solda
Figura 14 – Lacunas na solda
Figura 15 – Ponte – Bridging
Figura 16 – Efeito lápide
Figura 17 – Circuito aberto
Figura 18 – CGA reforçado com cobre
Figura 19 – Processador com encapsulamento CGA
Figura 20 – Inspeção visual de BGA com câmera lateral
Figura 21 – Inspeção visual de BGA por Raios X
7
SUMÁRIO
1 INTRODUÇAO
1.1 OBJETIVO
1.2 APRESENTAÇÃO
08
08
2 EMBASAMENTO TEÓRICO
2.1 Materiais do encapsulamento
08
2.2 Manuseio
12
2.3 Sensibilidade à umidade
13
2.4 Máscara para BGA na PCB
14
2.5 Soldagem
15
2.5.1 Liga de Estanho-Chumbo
16
2.5.2 Ligas sem chumbo
18
2.5.2.1 Defeitos de soldagem lead free
19
2.5.3 Retrabalho
22
2.5.4 Reballing – Reposição das esferas
22
2.5.3 Column Grid Array
23
2.6 Inspeção visual
24
3 UM ERRO DE PROJETO
3.1 Projeto NVidia NF-G6150-N-A2
4 FINALIZAÇÃO
25
26
5 REFERÊNCIAS
27
__________________________________________________________________________
APÊNDICE A – Tabela dos atributos do encapsulamento PBGA
28
APÊNDICE B – Tabela das características da família PBGA
28
APÊNDICE C – Exemplo de máquinas da linha de produção de uma PCB
completa – Estencil, Insersora e forno de refusão
28
APÊNDICE D – Exemplo de datasheet de um chipset Intel
34
8
1. INTRODUÇÃO
1.1 OBJETIVO
Esse trabalho tem como objetivo analisar o encapsulamento BGA (Ball Grid Array)
quanto a sua utilização no mercado atual, sua importância na evolução dos dispositivos
microeletrônicos, os processos de produção e as vantagens e desvantagens deste tipo de
dispositivo, produzindo um material informativo e explicativo para consultas futuras.
1.2 APRESENTAÇÃO
O BGA, encapsulamento com terminais esféricos arranjados em grade, tornou-se a
alternativa mais comum para dispositivos de interface de dados na indústria. É a evolução
dos circuitos integrados na microeletrônica, devido ao tamanho reduzido e alta performance.
Cada vez mais completos estes dispositivos povoam as placas de circuito impresso mais
modernas. Apesar de algumas desvantagens e alguns problemas físicos ainda apresentados,
sua pesquisa e desenvolvimento não param. Este documento é uma introdução a esta nova
tecnologia. Produção, instalação, utilização, vantagens e desvantagens fazem parte da
pesquisa.
2 EMBASAMENTO TEÓRICO
2.1 Materiais do encapsulamento
As propriedades elétricas únicas dos semicondutores permitem o seu uso em
dispositivos para executar funções eletrônicas específicas. Os diodos e transistores, que
substituíram as ultrapassadas válvulas a vácuo, são dois exemplos familiares. As vantagens
dos dispositivos semicondutores (algumas vezes chamados de dispositivos em estado sólido)
incluem suas pequenas dimensões, baixo consumo de energia e a inexistência de um tempo
de aquecimento. Vastos números de circuitos extremamente pequenos, cada um deles,
consistindo em numerosos dispositivos eletrônicos, podem ser incorporados em um pequeno
chip de silício. A invenção dos dispositivos semicondutores, o que deu origem aos circuitos
9
miniaturizados, é responsável pelo advento e pelo crescimento extremamente rápido de uma
gama de novas indústrias nos últimos anos.
O coração do circuito integrado (abreviado como CI) é o chip, um pequeno substrato
retangular de monocristal de silício de alta pureza ou, arseneto de gálio GaAs, sobre o qual
são impressos literalmente milhões ou centenas de milhões de elementos de circuitos. A
tecnologia de GaAs coexiste com a de silício sendo bem menos utilizada, principalmente por
dificuldades no processo de fabricação, é usado principalmente em dispositivos ópticos e de
telecomunicação. Os elementos de circuitos (isto é, transistores, resistores, diodos etc.) são
criados pela adição seletiva de concentrações controladas de impurezas específicas (tais
como boro, fósforo, arsênio e antimônio) a regiões extremamente reduzidas e localizadas
próximas a superfície do substrato semicondutor, pelo emprego de técnicas fotolitográficas
complexas. Por exemplo o chip que constitui o núcleo central de um microprocessador
possui dimensões da ordem de ¼ polegadas e aproximadamente 0,015 pol. espessura.
É necessário fabricar linhas de interconexão sobre a superfície do chip, de modo a
permitir a passagem da corrente de um dispositivo para outro. Em circuitos de silício, as
linhas de interconexão são fabricadas principalmente utilizando o alumínio ou uma liga
alumínio-silício (99%Al, 1%Si), mais recentemente o cobre tem sido adicionado ao
alumínio para evitar os efeitos de eletromigração. Este material é depositado sobre a
superfície do chip através de técnicas de evaporação ou espirramento catódico (sputtering)
[1] para formar um filme fino. No projeto do chip as linhas de interconexão terminam em
contatos sobre o chip, que permitem que conexões elétricas sejam feitas através de fios de
ouro usando a técnica de wire bonding [1] como mostra a figura 1.
Figura1. Imagem de raio X : Fios de ouro interligando chip e substrato
Deve estar óbvio que o chip microeletrônico em funcionamento é um dispositivo
eletrônico muito sofisticado, onde as exigências em termos de qualidade de materiais e de
técnicas de processamento envolvidas na sua fabricação são bastante rígidas.
10
Uma grande quantidade de chips é fabricada sobre uma fina lamina circular de um
monocristal de silício com diâmetros que podem chegar até 8 pol. Cada chip é primeiro
testado em relação ao seu funcionamento e então é removido da lamina em uma operação
meticulosa de serragem ou de “marcação e quebra”. Em seguida, o chip é montado em
diferentes tipos de encapsulamento, neste processo os terminais do chip são soldados nos
terminais do encapsulamento. O chip encapsulado pode ser então soldado a uma placa de
circuito impresso. Algumas das funções que o encapsulamento do circuito integrado precisa
executar são:
1. Permitir o contato elétrico entre os dispositivos no chip e o circuito eletônico na PCI
- os terminais de contato do chip são pequenos e numerosos, o que dificulta a
acomodação da fiação macroscópica.
2. Dissipar o excesso de calor – enquanto estão em operação, os muitos dispositivos
eletrônicos geram quantidades significativas de calor, que devem ser dissipadas para
fora do chip.
3. Proteger as conexões elétricas sobre o chip contra sua degradação química e
contaminação.
4. Promover suporte mecânico de forma que o chip possa ser manuseado.
5. Prover uma interface elétrica adequada tal que o desempenho do chip propriamente
dito não seja prejudicado de maneira significativa pelo projeto do encapsulamento.
Dessa forma, o empacotamento do chip também impõe uma gama de exigências de
materiais. De fato, tem sido observado que o desempenho de alguns chips está limitado não
pelas características dos materiais semicondutores, nem tampouco pelo processo de
metalização, mas sim pela qualidade do encapsulamento [1]. Existe uma variedade de
projetos de encapsulamentos diferentes que são empregados pelos diversos fabricantes de
chip.
O encapsulamento PBGA (Plastic- Ball Grid Array) consiste em um núcleo soldado
ponto a ponto em um substrato orgânico feito de duas camadas: cobre e laminado epóxi BT
[2]. Os substratos de quatro camadas têm planos com pontos adicionais de terra para
melhorar desempenho térmico e elétrico. O chip e suas ligações são protegidos por um
composto polimérico moldante que facilita a dissipação de calor. As pistas no substrato
ligam os contatos do núcleo ao outro lado, onde as esferas são soldadas.
Uma das vantagens térmicas deste encapsulamento é que o chip, quando fica
exposto, pode ser colocado em contato direto a um dissipador ou quando fica coberto, no
caso do PBGA, o próprio material do encapsulamento é um dissipador de calor.
11
Outra vantagem são as camadas de cobre do substrato que também agem como
dissipadores, além da forma como o dispositivo é soldado na Placa de Circuito Impresso,
que possibilita a passagem de ar entre as esferas normalmente distantes 1.27 mm umas das
outras e por toda a volta do encapsulamento como mostra a figura 2.
Figura 2. Esboço de um PBGA simples de 15mm
As camadas de cobre são interligadas por vias no substrato orgânico formado por
epóxi-BT, uma resina reforçada com fibra de vidro. As ilhas de solda na superfície do chip e
do substrato são unidas com solda ao passarem por um forno de refusão. Em seguida uma
resina epóxi preenche todos os espaços entre o núcleo e o substrato. Quando o
encapsulamento é Plastic BGA, a resina cobre quase toda extensão do substrato e quando é
Thermal BGA o núcleo fica exposto como mostram as figuras 3 e 4. Este preenchimento
produz uma proteção mecânica e minimiza o stress térmico do componente.
12
Figura3. PBGA em corte lateral
Figura 4. Thermal BGA em corte lateral
2.2 Manuseio
O encapsulamento BGA, depois de produzido, é colocado em fitas ou bandejas que o
protegem contra estática, umidade, temperatura e obedecem às normas JEDEC [3], tem a
mesma dimensão para todos os chips e são facilmente guardados em estoque com segurança.
O JEDEC Solid State Technology Association (Associação para Tecnologia de Estado
Sólido JEDEC - Conselho Conjunto para Engenharia de Dispositivos de Elétrons. Em
inglês, Joint Electron Device Engineering Council) é o órgão para padronização de
engenharia de semicondutores da Aliança das indústrias eletrônicas, que representa todas as
áreas da indústria de eletrônicos dos Estados Unidos da América. Atualmente o Brasil não é
signatário da norma.
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Quando vão ser inseridos em placas de circuito impresso, as fitas são posicionadas nas
máquinas posicionadoras de componentes onde uma pinça a vácuo os transporta e posiciona.
Como mostra a figura 5:
Figura 5. Posicionadora de componentes SMD
2.3 Sensibilidade à umidade
A maioria dos encapsulamentos BGA são extremamente sensíveis a umidade depois
de expostos à temperatura de refusão. O controle da umidade no componente é crítica para a
prevenção do efeito “popcorn” (no caso do encapsulamento PBGA) pois a umidade presa no
encapsulamento faz com que ele exploda quando aquecida à temperatura de refusão,
descolando as pistas de interconexão e inutilizando o dispositivo. No caso do
encapsulamento Thermal BGA outro efeito é observado quando submetido à temperatura de
refusão: Delaminação do epóxi-BT ou fuga de solda do núcleo do componente, o que
também os inutilizam. Antes de saírem da fábrica, todos os tipos de encapsulamentos BGA
vão para o forno para retirar a umidade, depois são colocados em pacotes com material
dessecante, com um cartão indicador de umidade junto ao componente. Após inserido em
uma PCB o BGA continua a absorver umidade, se for necessário ressoldá-lo deve-se antes
seguir as normas do fabricante para atingir a umidade indicada e prevenir que o componente
seja danificado.
14
2.4 Máscara para BGA na PCB
Os encapsulamentos BGA utilizam máscaras de solda para definir o posicionamento
na PCB. O desenho na PCB é próximo ou idêntico ao do componente, proporcionando
maior resistência mecânica e térmica e aumentando o tempo de funcionamento do
dispositivo.
As placas de circuito impresso com componentes de contatos muito próximos como
BGAs e QFPs ainda agregam muitos desafios na montagem como a solda, possíveis curtos,
prevenção e detecção de falhas. Algumas falhas no processo de montagem podem ser
causadas por erro de alinhamento da máscara de solda, que ocorre durante a fabricação da
placa de circuito impresso (PCB). O erro de alinhamento da máscara de solda pode
comumente chegar a aproximadamente 0,003 polegadas a partir de um dado ponto, no
entanto, isso geralmente não cria problemas no padrão SMT. Como a indústria continua a
usar mais componentes BGA de espaçamento entre contatos de 0,8mm e inferior, a
possibilidade de defeitos associados a curto circuitos que estão relacionados com o design da
máscara de solda e seu alinhamento tornam-se mais comuns. O erro de alinhamento da
máscara de solda pode causar problemas como trilhas adjacentes expostas, aumentando
assim a possibilidade de curtos. A Figura 5 mostra um exemplo de uma trilha exposta
devido ao erro de alinhamento da máscara de solda. Note que os vestígios expostos de cobre
não são visíveis a partir da vista perpendicular (Figura 6-1A), mas são visíveis quando visto
de um ângulo (Figura 6-1B).
Figura 6. Defeito na PCB – Trilha de cobre exposta
15
Com a soldagem do componente na PCI, ocorre um curto que só pode ser
identificado com inspeção de raios X. Quando o erro é identificado nas primeiras placas
produzidas o prejuízo é reduzido, mas se milhares de placas produzidas com este defeito
chegarem às linhas de teste, o prejuízo é incalculável. Conseqüentemente, a qualidade do
revestimento da máscara de solda é um processo crítico e tem impacto sobre o processo de
montagem. O critério de aceitação do alinhamento da máscara de solda deve ser mais
rigoroso do que o padrão requerido na fabricação da PCI.
Figura 7. Micro foco de imagem em Raio X de um BGA
2.5 Soldagem
De forma simples e objetiva, entende-se por soldagem o processo de junção de peças
metálicas através do emprego de aquecimento das partes envolvidas, até a consolidação da
junta.
O estanho, de símbolo Sn, é um elemento metálico, ocupa o grupo 14 ou IVA da Tabela
Periódica e tem número atômico 50 (o que o coloca na família dos Metais Representativos).
Proveniente do minério de cassiterita, este metal apresenta como principal característica,
elevada resistência anticorrosiva. Por este motivo é muito empregado em processos de
eletrodeposição em chapas de aço onde atua consideravelmente bem contra oxidação e
umidade. As ligas de estanho mais comuns são o bronze (estanho e cobre), a solda (estanho
e chumbo) e antimônio (metal patente). Também é usado em liga com o titânio na indústria
aeroespacial.
16
O estanho é um metal abundante e de custo acessível. Suas características tornam-no
bastante importante no emprego para a engenharia, seja para galvanização de outros metais
como o aço (tornando-os resistentes à corrosão), seja na confecção das ligas de solda.
A solda é uma liga particularmente interessante na elétrica e eletrônica, usada para
união e retrabalho de metais. Na eletrônica, a solda é usada para unir componentes
eletrônicos à placas de circuito impresso ou à fios. As soldas são comumente classificadas
como macias ou duras, dependendo dos seus pontos de fusão e resistência mecânica. As
soldas macias, antigamente usadas em eletrônica, são ligas de estanho e chumbo, algumas
vezes com adição de bismuto; as soldas duras são ligas de prata, cobre e zinco (solda
prateada) ou cobre e zinco.
2.5.1 Liga de Estanho-Chumbo
As soldas são produzidas na forma de lingotes, anodos, pastas, barras e vergas
extrudadas, fitas laminadas e fios, estes últimos com ou sem injeção de um núcleo de fluxo,
e trefilados nas formas e diâmetros especificados pelo cliente. Estes produtos são finalmente
acondicionados em carretéis e caixas para atender às mais diversas utilizações. Se os
terminais na PCI forem projetados de maneira adequada, permitirão que a união entre eles e
a solda propriamente dita se faça, apresentando resistência mecânica final muito superior à
da solda isoladamente, sem que ocorra a fusão dos metais a serem soldados. Também a
transmissão de calor e de corrente elétrica se faz com bom desempenho através da junta
soldada, o que permite sua utilização em trocadores de calor, componentes elétricos e
circuitos eletrônicos. Nas ligas de solda mais amplamente utilizadas, as ligas estanhochumbo, o estanho representa o elemento que dá fluidez à liga (facilidade de preencher o
vazio das juntas a serem soldadas), e a molhabilidade (capacidade de entrar em contato com
os metais-base e formar com eles ligas metálicas). O chumbo serve como elemento de
diluição para redução de custo, face ao seu menor valor comercial, mas também pode
contribuir tecnicamente em alguns aspectos, como o de reduzir a temperatura de fusão para
uma grande "família" de ligas, além de melhorar as propriedades mecânicas das juntas
soldadas.
As ligas estanho-chumbo formam um eutético simples com a composição
aproximada de 63% de estanho e 37% de chumbo, o que significa que uma liga com essa
composição se comporta como uma substância pura, com um ponto definido de fusão, no
caso 183º C. Esta é uma temperatura inferior mesmo que a temperatura de fusão dos metais
17
que compõem esta liga (estanho puro 232º C e chumbo puro 320º C), o que justifica sua
ampla utilização na soldagem de componentes eletrônicos, onde o excesso de aquecimento
deve sempre ser evitado. Todas as demais ligas estanho-chumbo apresentam um intervalo de
solidificação, ou uma faixa de temperaturas dentro da qual coexistem fase líquida e fase
sólida, caracterizando se um estado pastoso.
Além do chumbo, outros metais são, às vezes, intencionalmente adicionados às
soldas de estanho, com o objetivo de modificar propriedades mecânicas e/ou alterar o
desempenho destas ligas em serviço. Pequenas adições de até 0,5% de antimônio não afetam
a soldabilidade, mas garante a ausência do alumínio, um importante contaminante pela
facilidade com que produz óxidos. Estes óxidos reduzem o brilho das juntas soldadas,
diminuem significativamente a fluidez. A prata é adicionada normalmente ao estanho puro
em teores próximos ao do eutético Sn-Ag (3,5% de prata com ponto de fusão 221ºC) com a
finalidade de obter um aumento substancial na dureza da junta de solda e na sua
estanqueidade, além de melhorar sua resistência à oxidação. O cobre é adicionado em menor
escala em ligas com composição próxima à do eutético Sn-Cu, sendo comuns ligas com 1,0
a 1,5% Cu, para minimizar o ataque das soldas às partes de cobre não revestidas. Ligas de
estanho-chumbo com elevadas adições de bismuto e cádmio são utilizadas com o intuito de
produzir soldas com o ponto de fusão ou intervalo de solidificação muito baixos.
O processo de solda consiste em aquecer os componentes a serem soldados e a placa
onde serão soldados. As superfícies são previamente limpas de óxidos ou impurezas. Ao ser
aquecido, o núcleo de resina da solda (fluxo) funde-se primeiro, cobrindo as superfícies a
serem soldadas. A resina limpa as superfícies quimicamente, auxilia na pega da solda e na
distribuição do calor aplicado. A liga de solda então funde-se, cobrindo as superfícies, e
solidificando-se ao resfriar-se. Uma solda de má qualidade, temperatura insuficiente ou a
presença de contaminantes resulta, após a solidificação, numa solda opaca, comumente
chamada de solda fria. Esta tem baixa aderência e má condutividade, comparada à solda
resultante do procedimento correto de soldagem.
Nos componentes BGA, durante a solda, as esferas são auto-centralizadas se mais de
50% do componente estiver alinhado, reduzindo assim problemas de posicionamento
durante a montagem da placa de circuito impresso. No caso de uma falha na solda detectada
nos testes finais, dentro da própria fábrica há um setor de retrabalho onde é refeita a solda ou
a troca do componente danificado. As placas de circuito impresso que passam por esta etapa
não são mais vendidas como novas.
18
2.5.2 Ligas sem chumbo
A partir de julho de 2006 todas as placas produzidas ou comercializadas na Europa
não devem conter substancias nocivas ao ambiente e a saúde, devido a norma RoHS
(Restriction of Hazardous Substances) [4]. Ela determina que elementos como o chumbo,
presente na solda dos componentes, não deve ser utilizado, pois agride o ambiente e traz
riscos a saúde de quem o manuseia.
A liga mais comum lead free é uma liga à base de estanho, que substitui o chumbo
com 3,9% de prata e 0,6% de cobre. A liga é conhecida como (SAC) Sn3,9Ag0,6Cu. O
material se aplica ao processo utilizado na fabricação de cerca de 70% das placas de
computadores atualmente produzidas. Para processos que utilizam mais altas temperaturas,
existem duas outras ligas: Sn0,7Cu, uma liga de estanho com 0,7% de cobre, e SN3,5Ag,
que possui 3,5% de prata.
Estas novas ligas trazem alterações às etapas de fabricação das placas de circuito
impresso [5]:
•
Alta temperatura de fusão: a solda tradicional de estanho/chumbo funde a 180º C
enquanto que a solda sem chumbo funde a 227º C. Isto significa que os componentes
eletrônicos e conseqüentemente o encapsulamento, devem ser capazes de suportar
esta nova temperatura de soldagem de modo a permitir que a solda sem chumbo seja
usada.
•
Ainda em estado de desenvolvimento: a solda de estanho/chumbo é usada há anos e
o processo de soldagem é muito bem conhecido. A solda sem chumbo ainda é nova e
muita pesquisa e desenvolvimento ainda estar por vir com vários diferentes
materiais. Até agora não existe um padrão industrial para a solda sem chumbo.
•
Conserto: quando um equipamento eletrônico precisa de conserto, a solda usada
também deverá ser sem chumbo. O técnico que está efetuando o conserto deve saber
exatamente qual é o tipo de solda que foi usada quando o equipamento foi fabricado.
Geralmente esta informação pode ser encontrada na placa de circuito impresso (PCI)
do equipamento, mas esta informação pode não estar disponível. Mas é seguro usar
liga 99C (99,7% de estanho, 0,3% de cobre) quando estiver reparando equipamentos
sem chumbo.
19
•
Inspeção visual: solda sem chumbo tem um aspecto muito diferente da solda
tradicional estanho/chumbo e um olho não treinado pode assumir que um ponto de
solda está defeituoso, enquanto na realidade não está.
A aparência da junta de solda usando as ligas sem chumbo é bastante diferente da
obtida com a liga de estanho chumbo, uma vez que a nova liga apresenta um aspecto
rugoso, que lembra um defeito, se considerado o padrão anterior de aceitabilidade de boa
solda que apresentava aspecto brilhante, conforme apresentado nas Figuras 7 e 8.
Figura 8. Solda BGA Tin/Lead
Figura 9. Solda BGA Lead Free
2.5.2.1 Defeitos de soldagem lead free
As novas ligas sem chumbo não apresentam boa soldabilidade, causando defeitos
micro e macroscópicos. Alguns dos defeitos a seguir ilustram a deficiência das novas ligas.
20
•
Levantamento do filete - junta entre solda e pad se solta, o pad se solta do
laminado ou a junta de solda apresenta rachaduras;
Figura 10. Solda desprende do pad de cobre
Figura 11. Pad desprende do laminado
Figura 12. Rachaduras na junta de solda
•
Picos de solda – a diferença na temperatura de fusão dos componentes da
liga, a baixa temperatura de solda utilizada na fabricação ou o excesso de
solda, causa picos;
Figura 13. Picos de solda
21
•
Lacunas encapsuladas na solda – buracos dentro das bolas de solda que
diminuem a eficiência elétrica e a resistência mecânica do dispositivo;
Figura 14. Lacunas na solda
•
Ponte – curto circuito causado pela falta de molhabilidade da liga;
Figura 15. Ponte – bridging
•
Efeito lápide – A solda não funde e não há contato entre componente e PCB;
Figura 16. Efeito lápide
•
Circuito aberto – A solda funde apenas de um dos lados do componente;
22
Figura 17. Circuito aberto
2.5.3 Retrabalho
Retrabalho ou refurbish é o processo pós produção em que componentes que
apresentaram falha são substituídos. No caso de uma PCI retrabalhada, ela não é vendida no
mesmo valor e nem com a mesma apresentação de uma nova.
Para o retrabalho, o forno de fusão do processo de produção não é utilizado.
São utilizadas máquinas que soldam a ar quente, com controle preciso de temperatura e no
caso dos componentes BGA estas máquinas são munidas de uma pinça a vácuo que retira o
componente da PCI. Para o posicionamento do novo componente algumas máquinas
possuem câmeras com miras a laser que alinham de acordo com o desenho serigrafado na
PCI, ou utilizam Raio-X para alinhar os terminais do componente aos terminais da placa. Na
verdade a etapa crítica do processo de retrabalho não é o posicionamento do BGA e sim a
temperatura, que pode danificar o componente se ultrapassar o limite projetado. Os novos
BGAs devem estar bem secos antes do processo de ressolda para evitar efeitos como “pop
corn” ou a delaminação do componente.
2.5.4 Reballing – Reposição das esferas
Os componentes BGA, ao fim do processo de fabricação, não possuem as
esferas de solda. Máquinas programáveis com o gabarito exato dos terminais, posicionam as
esferas que serão soldadas. É possível fazer reballing artesanalmente, com gabaritos
genéricos que são ajustados de acordo com o perfil dos terminais, com máquinas de
retrabalho com controle de temperatura e fluxo em pasta para facilitar a soldagem.
23
2.5.5 Column Grid Array - Colunas arranjadas em grade
O encapsulamento BGA aceita uma segunda forma de solda que ao invés de
ter bolas de solda para unir o componente e a PCB, tem colunas de solda que podem ser
reforçadas com espirais de cobre em fita. Esta tecnologia é utilizada apenas na área militar,
aeroespacial e médica pois é 99% segura enquanto o BGA é 85% quando não utiliza solda
lead free e 60% quando utiliza.
A solda é uma liga de estanho-chumbo (Sn63-Pb37) e na forma de filete tem
uma fita de cobre enrolado por sua extensão:
Figura 18. CGA reforçado com cobre
Esta tecnologia praticamente elimina os defeitos de solda fria e aumenta a dissipação
de calor do componente. Além de ser a única que ainda pode utilizar chumbo devido a liga
melhor e mais confiável do que as sem chumbo já descobertas. Abaixo um processador com
solda CGA.
Figura 19. Processador com encapsulamento CGA
24
2.6 Inspeção visual
A Inspeção Visual é uma alternativa tecnológica a inspeção humana ou manual e
auxilia as indústrias a aumentar a produtividade e aumentar a rentabilidade pela eliminação
de produtos defeituosos com melhoria na precisão e redução do tempo de inspeção.
A inspeção por meio do Ensaio Visual é uma das mais antigas atividades nos setores
industriais, e é o primeiro ensaio não destrutivo aplicado em qualquer tipo de peça ou
componente, e está freqüentemente associado a outros ensaios de materiais.
Utilizando uma avançada tecnologia, hoje a inspeção visual é um importante recurso
na verificação de alterações dimensionais, padrão de acabamento superficial e na observação
de descontinuidades superficiais visuais em materiais e produtos em geral, tais como trincas,
corrosão, deformação, alinhamento, cavidades, porosidade, montagem de sistemas
mecânicos e muitos outros. Para a inspeção de peças ou componentes que não permitem o
acesso direto interno para sua verificação, utilizam-se fibras óticas conectadas a espelhos ou
micro câmeras de TV com alta resolução, além de sistemas de iluminação, fazendo a
imagem aparecer em oculares ou em um monitor de TV. São soluções simples e eficientes,
conhecidas como técnica de inspeção visual remota [6]. Na aviação, o ensaio visual é a
principal ferramenta para inspeção de componentes para verificação da sua condição de
operação e manutenção. Não existe nenhum processo industrial em que a inspeção visual
não esteja presente. Simplicidade de realização e baixo custo operacional são as
características deste método, mas que mesmo assim requer uma técnica apurada, obedece a
sólidos requisitos básicos que devem ser conhecidos e corretamente aplicados.
Figura 20. Inspeção visual de BGA com câmera lateral
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Figura 21. Inspeção visual de BGA por Raios X
3 UM ERRO DE PROJETO
3.1 Projeto NVidia NF-G6150-N-A2
Para escolher o tipo de encapsulamento de um chip de múltiplas funções é necessário
profundo conhecimento e análise do material do substrato e do tipo de solda. No caso do
projeto do chip NVidia NF-G6150-N-A2 houve um erro na escolha do material do substrato,
na posição do componente na placa de circuito impresso e no design do sistema de
arrefecimento, que causa falhas na solda devido à alta temperatura de trabalho.
Segundo o presidente da NVIDIA Jen-Hsun Huang :
"Embora o fracasso esteja relacionado com a combinação da interação entre o chipset
e os materiais do sistema, temos uma responsabilidade com nossos clientes e vamos resolver
este problema. Reconhecendo que a GPU (Graphics Processing Unit) é um dos mais
complexos processadores no sistema, é fundamental que nós agora trabalhemos mais
estreitamente com os nossos designers de sistema para notebook para garantir que o GPU e
o sistema estão concebidos em colaboração para o melhor desempenho e robustez."
Hoje, o alto desempenho nos notebooks depende de sistemas altamente complexos
com ambientes extremamente quentes. A combinação de gestão térmica limitada e
freqüentes ciclos de liga e desliga é particularmente difícil para processadores complexos
como a GPU (Graphics Processing Unit).
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Huang acrescentou, "Esta tem sido uma experiência desafiadora para nós. Contudo,
as lições que aprendemos nos ajudarão a construir produtos muito mais robustos no futuro, e
nos tornar parceiros de um sistema mais valioso aos nossos clientes. Quanto ao presente,
tendemos a uma produção mais robusta dos materiais do núcleo/pacote e estamos
trabalhando ativamente com os nossos parceiros para desenvolver sistemas de gestão de
software que irão proporcionar uma melhor gestão térmica para o GPU (Graphics
Processing Unit)."
Este componente foi utilizado quase exclusivamente em placas-mãe de notebooks
HP/Compaq dos modelos Pavilion DV2000, DV6000, DV9000, Tablet PC TX1000,
TX2000, Presario V2000 e V3000. Este erro custou milhões de dólares em ações para a
NVidia, mas como o próprio presidente da empresa disse na nota supracitada, o projeto do
componente que foi desenvolvido depois do G6150 mudou toda sua arquitetura, materiais de
encapsulamento e o sistema de refrigeração, acabando com os problemas de solda fria.
Todas as placas-mãe dos notebooks que utilizavam este componente tiveram seu projeto
totalmente alterado para receber o novo NVidia MCP67M-A2, com uma tecnologia tão
inovadora, que substituiu não só o chipset defeituoso mas também o controlador ponte sul
NVidia NF-430-N-A3.
4 FINALIZAÇÃO
O encapsulamento BGA trouxe muitos benefícios para a indústria: miniaturização,
barateamento na montagem, menor consumo de energia, aumento da capacidade de
processamento e armazenamento etc, por estes motivos a demanda por este tipo de
componente é cada vez maior e a sobrecarga sobre eles também, o que faz necessário
estudos constantes sobre novas tecnologias no desenvolvimento do chip e na escolha dos
materiais.
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5 REFERÊNCIAS
•
Intel Packaging Databook – capítulo 14 - Intel® Quality Document Management
System (QDMS)
•
Ciência e Engenharia e materiais: uma introdução – capítulos 19, 23 – William D.
Callister, Jr.
•
Physics of Semiconductor Devices - Simon M. Sze
•
Arquivos sobre visita ás fábricas de placa-mãe PCchips e Abit por Gabriel Torres –
Clube do hardware
•
http://www.pcdandf.com - Design & Fab Tips for Improving Solder Mask
Registration
•
http://www.sixsigmaservices.com/newsandarticles.asp
-
Converting
BGA
Components to CGA - Preform Method Simplifies Small Volume BGA Ball
Attach/Reattach - BGA Reballing for Military & Aerospace Applications Poster Converting Ball Grid Array to Column Grid Array Poster - Tin Whiskers - BGA
Reballing Services Information – All Other Interesting Articles
•
Solda Estanho-Chumbo Aplicações na Eletrônica - E. A. C. Aranha Neto, UFPR
•
http://www.clubedohardware.com.br/artigos/1120 - O que é RoHS?
•
http://www.abende.org.br – Ensaio visual
•
http://phx.corporate-ir.net - NVIDIA Provides Second Quarter Fiscal 2009 Business
Update
•
http://autotronik-smt.de
1
Physics of Semiconductor Devices - Simon M. Sze
2
Intel Packaging Databook – capítulo 14 - Intel® Quality Document Management System
(QDMS)
3
Site oficial: http://www.jedec.org/
4
Site oficial: http://www.rohs.gov.uk/
5
Arquivos sobre visita ás fábricas de placa-mãe PCchips e Abit por Gabriel Torres – Clube
do hardware
6
http://www.abende.org.br – Ensaio visual