encapsulamento bga

5/25/2018 Encapsulamento BGA

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Nicoli Pizetti Bega

Encapsulamento BGA (Ball Grid Array)

SO PAULO

2009

Trabalho de concluso do Curso,

apresentado para obteno do grau deTECNLOGO no Curso de Tecnologia emMateriais, Processos e ComponentesEletrnicos da Faculdade de Tecnologia deSo Paulo, FATEC-SP.

Orientadora Profa. Dra. Ana Neilde Rodriguesda Silva


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AGRADECIMENTOS

Agradeo especial e principalmente ao meu marido que incentivou, colaborou e fez

com que tudo fosse possvel;

insistncia de minha me, pai e avs para alcanar minha formao;

pacincia e ajuda de minha sogra e meu sogro que com muito carinho e atenoforam vendo o trabalho ser finalizado;

minha querida amiga de classe Mayara M. que fez com que as coisas parecessemmais simples e fceis.

E querida professora Ana que apesar das dificuldades sempre me auxiliou, no scom conhecimento, mas com palavras de incentivo.


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Resumo

A mente humana uma vez expandida

jamais volta a seu estado original.

Albert Einstein


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RESUMO

O BGA, encapsulamento com terminais esfricos arranjados em grade, tornou-se a

alternativa mais comum para dispositivos de interface de dados na indstria. Suas vantagens,

alm da maior quantidade de terminais (maior que 208 pinos) so muitas. Como no tem

terminais expostos para serem danificados, o BGA tem os problemas de coplanaridade e de

manuseio muito reduzidos. Durante a solda, as esferas so 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 a

distncia entre os terminais no componente (tipicamente 1.27 mm) em comparao com um

circuito integrado QFP, (encapsulamento quadrado e fino com terminais saindo dos quatro

lados e uma distncia de 0.4 a 1.0 mm entre pinos). Levando em considerao a performancetrmica e eltrica o BGA pode ser melhor que o convencional QFP. O encapsulamento BGA

teve uma melhora de tempo na produo e design, e pode ser usado para circuitos simples

(few-chip) ou complexos (multi-chip) no mesmo pacote.

Os encapsulamentos BGA esto disponveis em uma grande variedade: plstico

moldado, fita flexvel, metais com alto perfil de dissipao e de alta dissipao. Os BGAs de

alta dissipao utilizam um chip metlico soldado em um substrato orgnico (OLGA).

Outras caractersticas importantes dos BGAs so as conexes, do chip para o

encapsulamento, de baixa indutncia e custo benefcio. Esta tecnologia tambm melhora otamanho do chip por causa da eliminao dos terminais e a dissipao do calor com a

utilizao de metais. O substrato orgnico faz com que o encapsulamento fique menor, pois

o ncleo fica includo no pacote e pode ficar em contato com um dissipador de calor.


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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. ThePBGA has an improved design-to-production cycle time and can also be used in few-chip-

package 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 bondpad 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.


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LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1 Imagem de raio X : Fios de ouro interligando chip e substratoFigura 2 Esboo 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 emRaio Xde umBGA

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 lpide

Figura 17 Circuito aberto

Figura 18 CGA reforado com cobre

Figura 19 Processador com encapsulamento CGA

Figura 20 Inspeo visual de BGA com cmera lateral

Figura 21 Inspeo visual de BGA por Raios X


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SUMRIO

1 INTRODUAO

1.1OBJETIVO 081.2APRESENTAO 08

2 EMBASAMENTO TERICO

2.1 Materiais do encapsulamento 08

2.2 Manuseio 12

2.3 Sensibilidade umidade 13

2.4Mscara para BGA na PCB 142.5Soldagem 15

2.5.1 Liga de Estanho-Chumbo 16

2.5.2Ligas sem chumbo 18

2.5.2.1 Defeitos de soldagem lead free 19

2.5.3 Retrabalho 22

2.5.4 Reballing Reposio das esferas 22

2.5.3 Column Grid Array 23

2.6Inspeo visual 24

3 UM ERRO DE PROJETO

3.1 Projeto NVidia NF-G6150-N-A2 25

4 FINALIZAO 26

5 REFERNCIAS 27

__________________________________________________________________________APNDICE A Tabela dos atributos do encapsulamento PBGA 28

APNDICE B Tabela das caractersticas da famlia PBGA 28

APNDICE C Exemplo de mquinas da linha de produo de uma PCBcompleta Estencil, Insersora e forno de refuso 28

APNDICE D Exemplo de datasheet de um chipset Intel 34


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1. INTRODUO

1.1 OBJETIVO

Esse trabalho tem como objetivo analisar o encapsulamento BGA (Ball Grid Array)

quanto a sua utilizao no mercado atual, sua importncia na evoluo dos dispositivos

microeletrnicos, os processos de produo e as vantagens e desvantagens deste tipo de

dispositivo, produzindo um material informativo e explicativo para consultas futuras.

1.2 APRESENTAO

O BGA, encapsulamento com terminais esfricos arranjados em grade, tornou-se a

alternativa mais comum para dispositivos de interface de dados na indstria. a evoluo

dos circuitos integrados na microeletrnica, 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 fsicos ainda apresentados,

sua pesquisa e desenvolvimento no param. Este documento uma introduo a esta nova

tecnologia. Produo, instalao, utilizao, vantagens e desvantagens fazem parte dapesquisa.

2 EMBASAMENTO TERICO

2.1 Materiais do encapsulamento

As propriedades eltricas nicas dos semicondutores permitem o seu uso em

dispositivos para executar funes eletrnicas especficas. Os diodos e transistores, que

substituram as ultrapassadas vlvulas a vcuo, so dois exemplos familiares. As vantagens

dos dispositivos semicondutores (algumas vezes chamados de dispositivos em estado slido)

incluem suas pequenas dimenses, baixo consumo de energia e a inexistncia de um tempo

de aquecimento. Vastos nmeros de circuitos extremamente pequenos, cada um deles,

consistindo em numerosos dispositivos eletrnicos, podem ser incorporados em um pequeno

chip de silcio. A inveno dos dispositivos semicondutores, o que deu origem aos circuitos


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miniaturizados, responsvel pelo advento e pelo crescimento extremamente rpido de uma

gama de novas indstrias nos ltimos anos.

O corao do circuito integrado (abreviado como CI) o chip, um pequeno substrato

retangular de monocristal de silcio de alta pureza ou, arseneto de glio GaAs, sobre o qual

so impressos literalmente milhes ou centenas de milhes de elementos de circuitos. A

tecnologia de GaAs coexiste com a de silcio sendo bem menos utilizada, principalmente por

dificuldades no processo de fabricao, usado principalmente em dispositivos pticos e de

telecomunicao. Os elementos de circuitos (isto , transistores, resistores, diodos etc.) so

criados pela adio seletiva de concentraes controladas de impurezas especficas (tais

como boro, fsforo, arsnio e antimnio) a regies extremamente reduzidas e localizadas

prximas a superfcie do substrato semicondutor, pelo emprego de tcnicas fotolitogrficas

complexas. Por exemplo o chip que constitui o ncleo central de um microprocessadorpossui dimenses da ordem de polegadas e aproximadamente 0,015 pol. espessura.

necessrio fabricar linhas de interconexo sobre a superfcie do chip, de modo a

permitir a passagem da corrente de um dispositivo para outro. Em circuitos de silcio, as

linhas de interconexo so fabricadas principalmente utilizando o alumnio ou uma liga

alumnio-silcio (99%Al, 1%Si), mais recentemente o cobre tem sido adicionado ao

alumnio para evitar os efeitos de eletromigrao. Este material depositado sobre a

superfcie do chip atravs de tcnicas de evaporao ou espirramento catdico (sputtering)

[1

] para formar um filme fino. No projeto do chip as linhas de interconexo terminam emcontatos sobre o chip, que permitem que conexes eltricas sejam feitas atravs de fios de

ouro usando a tcnica de wire bonding [1] como mostra a figura 1.

Figura1. Imagem de raio X : Fios de ouro interligando chip e substrato

Deve estar bvio que o chip microeletrnico em funcionamento um dispositivo

eletrnico muito sofisticado, onde as exigncias em termos de qualidade de materiais e de

tcnicas de processamento envolvidas na sua fabricao so bastante rgidas.


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Uma grande quantidade de chips fabricada sobre uma fina lamina circular de um

monocristal de silcio com dimetros que podem chegar at 8 pol. Cada chip primeiro

testado em relao ao seu funcionamento e ento removido da lamina em uma operao

meticulosa de serragem ou de marcao e quebra. Em seguida, o chip montado em

diferentes tipos de encapsulamento, neste processo os terminais do chip so soldados nos

terminais do encapsulamento. O chip encapsulado pode ser ento soldado a uma placa de

circuito impresso. Algumas das funes que o encapsulamento do circuito integrado precisa

executar so:

1. Permitir o contato eltrico entre os dispositivos no chip e o circuito eletnico na PCI- os terminais de contato do chip so pequenos e numerosos, o que dificulta a

acomodao da fiao macroscpica.

2.

Dissipar o excesso de calor enquanto esto em operao, os muitos dispositivoseletrnicos geram quantidades significativas de calor, que devem ser dissipadas para

fora do chip.

3. Proteger as conexes eltricas sobre o chip contra sua degradao qumica econtaminao.

4. Promover suporte mecnico de forma que o chip possa ser manuseado.5. Prover uma interface eltrica adequada tal que o desempenho do chip propriamente

dito no seja prejudicado de maneira significativa pelo projeto do encapsulamento.

Dessa forma, o empacotamento do chip tambm impe uma gama de exigncias demateriais. De fato, tem sido observado que o desempenho de alguns chips est limitado no

pelas caractersticas dos materiais semicondutores, nem tampouco pelo processo de

metalizao, mas sim pela qualidade do encapsulamento [1]. Existe uma variedade de

projetos de encapsulamentos diferentes que so empregados pelos diversos fabricantes de

chip.

O encapsulamento PBGA (Plastic- Ball Grid Array) consiste em um ncleo soldado

ponto a ponto em um substrato orgnico feito de duas camadas: cobre e laminado epxi BT

[2]. Os substratos de quatro camadas tm planos com pontos adicionais de terra paramelhorar desempenho trmico e eltrico. O chip e suas ligaes so protegidos por um

composto polimrico moldante que facilita a dissipao de calor. As pistas no substrato

ligam os contatos do ncleo ao outro lado, onde as esferas so soldadas.

Uma das vantagens trmicas deste encapsulamento que o chip, quando fica

exposto, pode ser colocado em contato direto a um dissipador ou quando fica coberto, no

caso do PBGA, o prprio material do encapsulamento um dissipador de calor.


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Outra vantagem so as camadas de cobre do substrato que tambm agem como

dissipadores, alm da forma como o dispositivo 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. Esboo de um PBGA simples de 15mm

As camadas de cobre so interligadas por vias no substrato orgnico formado porepxi-BT, uma resina reforada com fibra de vidro. As ilhas de solda na superfcie do chip e

do substrato so unidas com solda ao passarem por um forno de refuso. Em seguida uma

resina epxi preenche todos os espaos entre o ncleo e o substrato. Quando o

encapsulamento Plastic BGA, a resina cobre quase toda extenso do substrato e quando

Thermal BGA o ncleo fica exposto como mostram as figuras 3 e 4. Este preenchimento

produz uma proteo mecnica e minimiza o stress trmico do componente.


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Figura3. PBGA em corte lateral

Figura 4. Thermal BGA em corte lateral

2.2 Manuseio

O encapsulamento BGA, depois de produzido, colocado em fitas ou bandejas que o

protegem contra esttica, umidade, temperatura e obedecem s normas JEDEC [3], tem a

mesma dimenso para todos os chips e so facilmente guardados em estoque com segurana.

O JEDEC Solid State Technology Association (Associao para Tecnologia de EstadoSlido JEDEC - Conselho Conjunto para Engenharia de Dispositivos de Eltrons. Em

ingls, Joint Electron Device Engineering Council) o rgo para padronizao de

engenharia de semicondutores da Aliana das indstrias eletrnicas, que representa todas as

reas da indstria de eletrnicos dos Estados Unidos da Amrica. Atualmente o Brasil no

signatrio da norma.


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Quando vo ser inseridos em placas de circuito impresso, as fitas so posicionadas nas

mquinas posicionadoras de componentes onde uma pina a vcuo os transporta e posiciona.

Como mostra a figura 5:

Figura 5. Posicionadora de componentes SMD

2.3 Sensibilidade umidade

A maioria dos encapsulamentos BGA so extremamente sensveis a umidade depois

de expostos temperatura de refuso. O controle da umidade no componente crtica para apreveno do efeito popcorn (no caso do encapsulamento PBGA) pois a umidade presa no

encapsulamento faz com que ele exploda quando aquecida temperatura de refuso,

descolando as pistas de interconexo e inutilizando o dispositivo. No caso do

encapsulamento Thermal BGA outro efeito observado quando submetido temperatura de

refuso: Delaminao do epxi-BT ou fuga de solda do ncleo do componente, o que

tambm os inutilizam. Antes de sarem da fbrica, todos os tipos de encapsulamentos BGA

vo para o forno para retirar a umidade, depois so colocados em pacotes com material

dessecante, com um carto indicador de umidade junto ao componente. Aps inserido emuma PCB o BGA continua a absorver umidade, se for necessrio ressold-lo deve-se antes

seguir as normas do fabricante para atingir a umidade indicada e prevenir que o componente

seja danificado.


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2.4 Mscara para BGA na PCB

Os encapsulamentos BGA utilizam mscaras de solda para definir o posicionamento

na PCB. O desenho na PCB prximo ou idntico ao do componente, proporcionando

maior resistncia mecnica e trmica e aumentando o tempo de funcionamento do

dispositivo.

As placas de circuito impresso com componentes de contatos muito prximos como

BGAs e QFPs ainda agregam muitos desafios na montagem como a solda, possveis curtos,

preveno e deteco de falhas. Algumas falhas no processo de montagem podem ser

causadas por erro de alinhamento da mscara de solda, que ocorre durante a fabricao da

placa de circuito impresso (PCB). O erro de alinhamento da mscara de solda pode

comumente chegar a aproximadamente 0,003 polegadas a partir de um dado ponto, noentanto, isso geralmente no cria problemas no padro SMT. Como a indstria continua a

usar mais componentes BGA de espaamento entre contatos de 0,8mm e inferior, a

possibilidade de defeitos associados a curto circuitos que esto relacionados com o design da

mscara de solda e seu alinhamento tornam-se mais comuns. O erro de alinhamento da

mscara 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 mscara de solda. Note que os vestgios expostos de cobre

no so visveis a partir da vista perpendicular (Figura 6-1A), mas so visveis quando vistode um ngulo (Figura 6-1B).

Figura 6. Defeito na PCB Trilha de cobre exposta


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Com a soldagem do componente na PCI, ocorre um curto que s pode ser

identificado com inspeo de raios X. Quando o erro identificado nas primeiras placas

produzidas o prejuzo reduzido, mas se milhares de placas produzidas com este defeito

chegarem s linhas de teste, o prejuzo incalculvel. Conseqentemente, a qualidade do

revestimento da mscara de solda um processo crtico e tem impacto sobre o processo de

montagem. O critrio de aceitao do alinhamento da mscara de solda deve ser mais

rigoroso do que o padro requerido na fabricao da PCI.

Figura 7. Micro foco de imagem emRaio Xde umBGA

2.5 Soldagem

De forma simples e objetiva, entende-se por soldagem o processo de juno de peas

metlicas atravs do emprego de aquecimento das partes envolvidas, at a consolidao da

junta.

O estanho, de smbolo Sn, um elemento metlico, ocupa o grupo 14 ou IVA da Tabela

Peridica e tem nmero atmico 50 (o que o coloca na famlia dos Metais Representativos).

Proveniente do minrio de cassiterita, este metal apresenta como principal caracterstica,elevada resistncia anticorrosiva. Por este motivo muito empregado em processos de

eletrodeposio em chapas de ao onde atua consideravelmente bem contra oxidao e

umidade. As ligas de estanho mais comuns so o bronze (estanho e cobre), a solda (estanho

e chumbo) e antimnio(metal patente). Tambm usado em liga com o titnio na indstria

aeroespacial.


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O estanho um metal abundante e de custo acessvel. Suas caractersticas tornam-no

bastante importante no emprego para a engenharia, seja para galvanizao de outros metais

como o ao (tornando-os resistentes corroso), seja na confeco das ligas de solda.

A solda uma liga particularmente interessante na eltrica e eletrnica, usada para

unio e retrabalho de metais. Na eletrnica, a solda usada para unir componentes

eletrnicos placas de circuito impresso ou fios. As soldas so comumente classificadas

como macias ou duras, dependendo dos seus pontos de fuso e resistncia mecnica. As

soldas macias, antigamente usadas em eletrnica, so ligas de estanho e chumbo, algumas

vezes com adio de bismuto; as soldas duras so ligas de prata, cobre e zinco (solda

prateada) ou cobre e zinco.

2.5.1 Liga de Estanho-Chumbo

As soldas so produzidas na forma de lingotes, anodos, pastas, barras e vergas

extrudadas, fitas laminadas e fios, estes ltimos com ou sem injeo de um ncleo de fluxo,

e trefilados nas formas e dimetros especificados pelo cliente. Estes produtos so finalmente

acondicionados em carretis e caixas para atender s mais diversas utilizaes. Se os

terminais na PCI forem projetados de maneira adequada, permitiro que a unio entre eles e

a solda propriamente dita se faa, apresentando resistncia mecnica final muito superior

da solda isoladamente, sem que ocorra a fuso dos metais a serem soldados. Tambm atransmisso de calor e de corrente eltrica se faz com bom desempenho atravs da junta

soldada, o que permite sua utilizao em trocadores de calor, componentes eltricos e

circuitos eletrnicos. Nas ligas de solda mais amplamente utilizadas, as ligas estanho-

chumbo, o estanho representa o elemento que d fluidez 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 metlicas). O chumbo serve como elemento de

diluio para reduo de custo, face ao seu menor valor comercial, mas tambm pode

contribuir tecnicamente em alguns aspectos, como o de reduzir a temperatura de fuso parauma grande "famlia" de ligas, alm de melhorar as propriedades mecnicas das juntas

soldadas.

As ligas estanho-chumbo formam um euttico simples com a composio

aproximada de 63% de estanho e 37% de chumbo, o que significa que uma liga com essa

composio se comporta como uma substncia pura, com um ponto definido de fuso, no

caso 183 C. Esta uma temperatura inferior mesmo que a temperatura de fuso dos metais


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que compem esta liga (estanho puro 232 C e chumbo puro 320 C), o que justifica sua

ampla utilizao na soldagem de componentes eletrnicos, onde o excesso de aquecimento

deve sempre ser evitado. Todas as demais ligas estanho-chumbo apresentam um intervalo de

solidificao, ou uma faixa de temperaturas dentro da qual coexistem fase lquida e fase

slida, caracterizando se um estado pastoso.

Alm do chumbo, outros metais so, s vezes, intencionalmente adicionados s

soldas de estanho, com o objetivo de modificar propriedades mecnicas e/ou alterar o

desempenho destas ligas em servio. Pequenas adies de at 0,5% de antimnio no afetam

a soldabilidade, mas garante a ausncia do alumnio, um importante contaminante pela

facilidade com que produz xidos. Estes xidos reduzem o brilho das juntas soldadas,

diminuem significativamente a fluidez. A prata adicionada normalmente ao estanho puro

em teores prximos ao do euttico Sn-Ag (3,5% de prata com ponto de fuso 221C) com afinalidade de obter um aumento substancial na dureza da junta de solda e na sua

estanqueidade, alm de melhorar sua resistncia oxidao. O cobre adicionado em menor

escala em ligas com composio prxima do euttico Sn-Cu, sendo comuns ligas com 1,0

a 1,5% Cu, para minimizar o ataque das soldas s partes de cobre no revestidas. Ligas de

estanho-chumbo com elevadas adies de bismuto e cdmio so utilizadas com o intuito de

produzir soldas com o ponto de fuso ou intervalo de solidificao muito baixos.

O processo de solda consiste em aquecer os componentes a serem soldados e a placa

onde sero soldados. As superfcies so previamente limpas de xidos ou impurezas. Ao seraquecido, o ncleo de resina da solda (fluxo) funde-se primeiro, cobrindo as superfcies a

serem soldadas. A resina limpa as superfcies quimicamente, auxilia na pega da solda e na

distribuio do calor aplicado. A liga de solda ento funde-se, cobrindo as superfcies, e

solidificando-se ao resfriar-se. Uma solda de m qualidade, temperatura insuficiente ou a

presena de contaminantes resulta, aps a solidificao, numa solda opaca, comumente

chamada de solda fria. Esta tem baixa aderncia e m condutividade, comparada solda

resultante do procedimento correto de soldagem.

Nos componentes BGA, durante a solda, as esferas so auto-centralizadas se mais de50% 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 prpria fbrica h um setor de retrabalho onde refeita a solda ou

a troca do componente danificado. As placas de circuito impresso que passam por esta etapa

no so mais vendidas como novas.


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2.5.2 Ligas sem chumbo

A partir de julho de 2006 todas as placas produzidas ou comercializadas na Europa

no devem conter substancias nocivas ao ambiente e a sade, devido a norma RoHS

(Restriction of Hazardous Substances) [4]. Ela determina que elementos como o chumbo,

presente na solda dos componentes, no deve ser utilizado, pois agride o ambiente e traz

riscos a sade de quem o manuseia.

A liga mais comum lead free uma liga base de estanho, que substitui o chumbo

com 3,9% de prata e 0,6% de cobre. A liga conhecida como (SAC) Sn3,9Ag0,6Cu. O

material se aplica ao processo utilizado na fabricao 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 alteraes s etapas de fabricao das placas de circuito

impresso [5]:

Alta temperatura de fuso: a solda tradicional de estanho/chumbo funde a 180 Cenquanto que a solda sem chumbo funde a 227 C. Isto significa que os componentes

eletrnicos e conseqentemente 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 usada h anos eo processo de soldagem muito bem conhecido. A solda sem chumbo ainda nova e

muita pesquisa e desenvolvimento ainda estar por vir com vrios diferentes

materiais. At agora no existe um padro industrial para a solda sem chumbo.

Conserto: quando um equipamento eletrnico precisa de conserto, a solda usadatambm dever ser sem chumbo. O tcnico que est efetuando o conserto deve saber

exatamente qual o tipo de solda que foi usada quando o equipamento foi fabricado.

Geralmente esta informao pode ser encontrada na placa de circuito impresso (PCI)

do equipamento, mas esta informao pode no estar disponvel. Mas seguro usar

liga 99C (99,7% de estanho, 0,3% de cobre) quando estiver reparando equipamentos

sem chumbo.


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Inspeo visual: solda sem chumbo tem um aspecto muito diferente da soldatradicional estanho/chumbo e um olho no treinado pode assumir que um ponto de

solda est defeituoso, enquanto na realidade no est.

A aparncia da junta de solda usando as ligas sem chumbo bastante diferente daobtida com a liga de estanho chumbo, uma vez que a nova liga apresenta um aspecto

rugoso, que lembra um defeito, se considerado o padro 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 no apresentam boa soldabilidade, causando defeitos

micro e macroscpicos. Alguns dos defeitos a seguir ilustram a deficincia das novas ligas.


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Levantamento do filete - junta entre solda e pad se solta, o pad se solta dolaminado 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 diferena na temperatura de fuso dos componentes daliga, a baixa temperatura de solda utilizada na fabricao ou o excesso desolda, causa picos;

Figura 13. Picos de solda


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Lacunas encapsuladas na solda buracos dentro das bolas de solda quediminuem a eficincia eltrica e a resistncia mecnica do dispositivo;

Figura 14. Lacunas na solda

Ponte curto circuito causado pela falta de molhabilidade da liga;

Figura 15. Ponte bridging

Efeito lpide A solda no funde e no h contato entre componente e PCB;

Figura 16. Efeito lpide

Circuito aberto A solda funde apenas de um dos lados do componente;


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Figura 17. Circuito aberto

2.5.3 Retrabalho

Retrabalho ou refurbish o processo ps produo em que componentes que

apresentaram falha so substitudos. No caso de uma PCI retrabalhada, ela no vendida nomesmo valor e nem com a mesma apresentao de uma nova.

Para o retrabalho, o forno de fuso do processo de produo no utilizado.

So utilizadas mquinas que soldam a ar quente, com controle preciso de temperatura e no

caso dos componentes BGA estas mquinas so munidas de uma pina a vcuo que retira o

componente da PCI. Para o posicionamento do novo componente algumas mquinas

possuem cmeras 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 crtica do processo de retrabalho no 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 delaminao do componente.

2.5.4 Reballing Reposio das esferas

Os componentes BGA, ao fim do processo de fabricao, no possuem as

esferas de solda. Mquinas programveis com o gabarito exato dos terminais, posicionam as

esferas que sero soldadas. possvel fazer reballing artesanalmente, com gabaritos

genricos que so ajustados de acordo com o perfil dos terminais, com mquinas de

retrabalho com controle de temperatura e fluxo em pasta para facilitar a soldagem.


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2.5.5 Column Grid Array - Colunas arranjadas em grade

O encapsulamento BGA aceita uma segunda forma de solda que ao invs de

ter bolas de solda para unir o componente e a PCB, tem colunas de solda que podem ser

reforadas com espirais de cobre em fita. Esta tecnologia utilizada apenas na rea militar,

aeroespacial e mdica pois 99% segura enquanto o BGA 85% quando no utiliza solda

lead free e 60% quando utiliza.

A solda uma liga de estanho-chumbo (Sn63-Pb37) e na forma de filete tem

uma fita de cobre enrolado por sua extenso:

Figura 18. CGA reforado com cobre

Esta tecnologia praticamente elimina os defeitos de solda fria e aumenta a dissipao

de calor do componente. Alm de ser a nica que ainda pode utilizar chumbo devido a liga

melhor e mais confivel do que as sem chumbo j descobertas. Abaixo um processador com

solda CGA.

Figura 19. Processador com encapsulamento CGA


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2.6 Inspeo visual

A Inspeo Visual uma alternativa tecnolgica a inspeo humana ou manual e

auxilia as indstrias a aumentar a produtividade e aumentar a rentabilidade pela eliminao

de produtos defeituosos com melhoria na preciso e reduo do tempo de inspeo.

A inspeo por meio do Ensaio Visual uma das mais antigas atividades nos setores

industriais, e o primeiro ensaio no destrutivo aplicado em qualquer tipo de pea ou

componente, e est freqentemente associado a outros ensaios de materiais.

Utilizando uma avanada tecnologia, hoje a inspeo visual um importante recurso

na verificao de alteraes dimensionais, padro de acabamento superficial e na observaode descontinuidades superficiais visuais em materiais e produtos em geral, tais como trincas,

corroso, deformao, alinhamento, cavidades, porosidade, montagem de sistemas

mecnicos e muitos outros. Para a inspeo de peas ou componentes que no permitem o

acesso direto interno para sua verificao, utilizam-se fibras ticas conectadas a espelhos ou

micro cmeras de TV com alta resoluo, alm de sistemas de iluminao, fazendo a

imagem aparecer em oculares ou em um monitor de TV. So solues simples e eficientes,

conhecidas como tcnica de inspeo visual remota [6]. Na aviao, o ensaio visual a

principal ferramenta para inspeo de componentes para verificao da sua condio deoperao e manuteno. No existe nenhum processo industrial em que a inspeo visual

no esteja presente. Simplicidade de realizao e baixo custo operacional so as

caractersticas deste mtodo, mas que mesmo assim requer uma tcnica apurada, obedece a

slidos requisitos bsicos que devem ser conhecidos e corretamente aplicados.

Figura 20. Inspeo visual de BGA com cmera lateral


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Figura 21. Inspeo 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 mltiplas funes necessrio

profundo conhecimento e anlise 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 posio do componente na placa de circuito impresso e no design do sistema de

arrefecimento, que causa falhas na solda devido alta temperatura de trabalho.

Segundo o presidente da NVIDIA Jen-Hsun Huang :

"Embora o fracasso esteja relacionado com a combinao da interao 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) um dos mais

complexos processadores no sistema, fundamental que ns agora trabalhemos mais

estreitamente com os nossos designers de sistema para notebook para garantir que o GPU eo sistema esto concebidos em colaborao para o melhor desempenho e robustez."

Hoje, o alto desempenho nos notebooks depende de sistemas altamente complexos

com ambientes extremamente quentes. A combinao de gesto trmica limitada e

freqentes ciclos de liga e desliga particularmente difcil para processadores complexos

como a GPU (Graphics Processing Unit).


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Huang acrescentou, "Esta tem sido uma experincia desafiadora para ns. Contudo,

as lies que aprendemos nos ajudaro 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 produo mais robusta dos materiais do ncleo/pacote e estamos

trabalhando ativamente com os nossos parceiros para desenvolver sistemas de gesto de

software que iro proporcionar uma melhor gesto trmica para o GPU (Graphics

Processing Unit)."

Este componente foi utilizado quase exclusivamente em placas-me de notebooks

HP/Compaq dos modelos Pavilion DV2000, DV6000, DV9000, Tablet PC TX1000,

TX2000, Presario V2000 e V3000. Este erro custou milhes de dlares em aes para a

NVidia, mas como o prprio presidente da empresa disse na nota supracitada, o projeto do

componente que foi desenvolvido depois do G6150 mudou toda sua arquitetura, materiais deencapsulamento e o sistema de refrigerao, acabando com os problemas de solda fria.

Todas as placas-me dos notebooks que utilizavam este componente tiveram seu projeto

totalmente alterado para receber o novo NVidia MCP67M-A2, com uma tecnologia to

inovadora, que substituiu no s o chipset defeituoso mas tambm o controlador ponte sul

NVidia NF-430-N-A3.

4 FINALIZAO

O encapsulamento BGA trouxe muitos benefcios para a indstria: miniaturizao,

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 cada vez maior e a sobrecarga sobre eles tambm, o que faz necessrio

estudos constantes sobre novas tecnologias no desenvolvimento do chip e na escolha dos

materiais.


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5 REFERNCIAS

Intel Packaging Databook captulo 14 - Intel Quality Document ManagementSystem (QDMS)

Cincia e Engenharia e materiais: uma introduo captulos 19, 23 William D.Callister, Jr.

Physics of Semiconductor Devices - Simon M. Sze Arquivos sobre visita s fbricas de placa-me PCchips e Abit por Gabriel Torres

Clube do hardware

http://www.pcdandf.com - Design & Fab Tips for Improving Solder MaskRegistration

http://www.sixsigmaservices.com/newsandarticles.asp - Converting BGAComponents 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 Aplicaes na Eletrnica - E. A. C. Aranha Neto, UFPR http://www.clubedohardware.com.br/artigos/1120 - O que RoHS? http://www.abende.org.br Ensaio visual http://phx.corporate-ir.net- NVIDIA Provides Second Quarter Fiscal 2009 Business

Update

http://autotronik-smt.de1Physics of Semiconductor Devices - Simon M. Sze

2Intel Packaging Databook captulo 14 - Intel Quality Document Management System

(QDMS)3Site oficial: http://www.jedec.org/

4Site oficial: http://www.rohs.gov.uk/

5Arquivos sobre visita s fbricas de placa-me PCchips e Abit por Gabriel Torres Clube

do hardware

6http://www.abende.org.br Ensaio visual

encapsulamento bga

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