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Assemblage de prototype de PCB à pas fin de 0,25 mm pour la validation de semi-conducteurs
Pour une entreprise de semi-conducteurs comme notre client américain, le “Validation Gap” représente le moment le plus critique du cycle de R&D. Vous venez de recevoir le premier lot de silicium prototype de la fonderie. Ces puces sont incroyablement coûteuses. Elles sont rares. Et l'équipe d'ingénierie attend de vérifier si la nouvelle architecture fonctionne.
Pour ce faire, vous avez besoin d'un tableau de validation.
Le client nous a fait parvenir une demande concernant précisément ce produit. Le volume de la commande était minime, seulement 10 unités. Cependant, la densité technique était élevée. Chaque carte nécessitait plus de 300 composants, répartis sur les faces supérieure et inférieure.
Le véritable problème n'était pas la quantité. C'était l'empreinte. La conception comprenait un prototype BGA avec un pas de bille de 0,25 mm et nécessitait une utilisation intensive de composants passifs 01005 (code impérial).
Cela met le projet dans une position difficile.
- Magasins prototypes standards : Ils peuvent livrer rapidement (24-48 heures), mais leur capacité de traitement s'arrête généralement à un pas de 0,4 mm. Ils ont rarement de la pâte de type 6 ou une inspection aux rayons X.
- Prestataire de services de fabrication de premier plan Ils disposent de la technologie, mais ne sont pas intéressés par une commande de dix pièces. Même s'ils l'acceptent, leur processus de lancement de nouveaux produits (NPI) prend 3 à 4 semaines.
Le client avait besoin d'une solution d'assemblage de PCB à rotation rapide, capable de gérer l'assemblage de BGA à pas fin en 7 jours.
Voici la description technique de la manière dont nous avons résolu le problème.
Défis et contraintes clés
Lors de l'examen des fichiers Gerber, nous avons identifié trois contraintes principales qui en faisaient un cauchemar de “haute diversité et faible volume” pour les chaînes d'assemblage standard.
| Fonctionnalité | Spécification | Pourquoi c'est difficile |
|---|---|---|
| Pas BGA | 0,25 mm | L'espace entre les billes est si faible que la pâte à souder standard ne se détachera pas du pochoir. |
| Passifs | 01005 (0,4 x 0,2 mm) | La masse est de 0,04 mg. Ils sont sujets à “l'effet pierre tombale” (se redresser) si le flux d'air ou la chaleur est inégal. |
| Structure | SMT double face | La carte passe au four deux fois. Le premier côté risque une oxydation ou la chute de composants lors du second passage. |
| Matériau | Silicium prototype | Exigence de zéro défaut. Nous ne pouvons pas simplement “ retravailler ” une puce prototype endommagée. |
Solutions d'Ingénierie PCBCool
Étape 1 : Résoudre la physique du pochoir BGA de 0,25 mm
Le premier obstacle fut d'appliquer la pâte à souder sur le circuit imprimé. Pour une BGA avec un pas de 0,25 mm, la physique de l'impression de la pâte à souder commence à échouer.
Le Calcul du Ratio de Surface
Pour obtenir une bonne impression, la pâte à souder doit se détacher de l'ouverture de la grille et adhérer au plot du circuit imprimé. Ceci est régi par le rapport surfacique (AR).
La norme de l'industrie (IPC-7525) stipule que le rapport d'aspect (AR) doit être supérieur à 0,66.
Examinons les chiffres de ce projet :
- Diamètre d'ouverture : 100 µm (0.1 mm) pour un pas de 0,25 mm.
- Épaisseur de pochoir standard : 100 µm (0,1 mm ou 4 mils).
Résultat : 0,25 est bien inférieur à 0,66.
Si nous utilisions un procédé standard, la pâte à souder boucherait le pochoir. Il y aurait peu ou pas de soudure sur les pastilles du BGA, ce qui entraînerait des défauts de Non-Wet Open (NWO).
Le Changement de Matière : Pâte de Type 6
Nous n'avons pas pu modifier le pas de la BGA, nous avons donc dû changer les matériaux.
La plupart des assembleurs utilisent une pâte à souder de Type 4 (taille des particules de 20 à 38 µm). Elle est bon marché et stable. Mais pour cette fabrication, les particules de Type 4 sont trop grosses pour les trous de 100 µm.
Nous sommes passés à Pâte à souder sans plomb de type 6 alliage SAC305.
- Taille des particules : 5–15 µm.
- Bénéfice La consistance “ poudreuse ” lui permet de pénétrer dans les minuscules ouvertures et de se libérer proprement.
(Note : la pâte de type 6 est coûteuse et sensible. Elle a une durée de conservation plus courte et réagit plus rapidement à l'oxydation. Nous devons la conserver réfrigérée à 4°C et ne la sortir qu'immédiatement avant le cycle d'impression.)
La Mise à niveau du Gabarit
Nous avons également modifié la méthode de fabrication des pochoirs. Un pochoir découpé au laser standard présente des parois rugueuses (micro-bavures) qui retiennent la pâte.
Nous avons utilisé une matrice en acier inoxydable SUS301 avec un polissage électrolytique. Le processus de polissage électrolytique lisse les parois des ouvertures, réduisant ainsi la friction due à la tension superficielle et permettant à la pâte de s'écouler librement.
Stade 2 : Le risque de "tombstoning" du composant 01005
Le deuxième risque majeur concernait les condensateurs 01005. Ces composants pèsent 0,04 mg. La tension superficielle de la soudure fondue est suffisamment forte pour les soulever verticalement, un défaut appelé “ effet tombe ”.”
Pourquoi cela se produit-il
Le "tombstoning" est un problème de synchronisation. Si la soudure sur la pastille de gauche fond 0,5 seconde avant celle sur la pastille de droite, la force de mouillage soulève le composant.
Cela se produit généralement en raison d'une mauvaise conception du circuit imprimé : si une pastille est connectée à une piste fine et l'autre à un large plan de masse en cuivre, le plan de masse agit comme un dissipateur thermique, retardant la fusion.
DFM Intervention
Avant de découper le pochoir, nos ingénieurs DFM (Design for Manufacturability) ont examiné les fichiers Gerber. Nous avons identifié 3 zones où les définitions des pastilles pour les 01005 présentaient des risques.
- Problème : Soulagement thermique asymétrique.
- Action : Nous avons signalé cela au client. Nous avons recommandé de modifier les ouvertures du masque pour assurer une “ symétrie bilatérale absolue ”.
- Règle générale : Pour les 01005, l'ouverture de la masque de soudure doit être Non-Masque de Soudure Défini (NSMD) ou rigoureusement contrôlée pour assurer une exposition égale du cuivre.
Placement précis
La pose de ces composants sur la carte nécessite une extrême délicatesse.
- Contrôle de la force : Nous réglons la force de la buse de Pick-and-Place à 1 Newton. Une force standard (3-4N) pourrait fissurer le corps céramique d'un 01005.
- Système de Vision : Les vérifications standard par vide ne fonctionnent pas bien ici — la pièce est trop petite pour bloquer le flux d'air de manière fiable. Nous avons utilisé l'alignement laser pour vérifier que la pièce était sur la buse avant le placement.
Étape 3 : L'atmosphère de refusion “ juste ce qu'il faut ”
La soudure à l'air convient pour les grosses résistances. Pour les BGA de 0,25 mm et les 01005, c'est une garantie d'échec. L'oxygène provoque une oxydation rapide des minuscules billes de poudre de soudure de la pâte de type 6.
Nous avons utilisé un Azote (N2) Refusion processus. Mais on ne peut pas simplement injecter de l'azote pur.
Le compromis des ppm d'oxygène
Il existe une fenêtre spécifique pour la concentration d'oxygène : 1 000 à 2 000 ppm.
- Scénario A : Trop propre (< 500 ppm O₂)
Si l'environnement est trop pur, la tension de mouillage devient trop forte. La soudure adhère instantanément au pad. Ce mouillage agressif augmente en fait le couple sur les composants 01005, provoquant davantage d'effet "tombstone".
- Scénario B : Trop sale (> 3000 ppm O2)
La poudre de pâte de type 6 s'oxyde. Cela entraîne des défauts de “Graping” (où la brasure ressemble à une grappe de raisins non fondus) et de "Head-on-Pillow" sur le BGA.
Nous réglons nos fours pour maintenir une température constante 1500 ppm O₂. Ceci nous a donné la zone “ Boucles d'or ” : un bon mouillage pour le BGA, mais une tension superficielle gérable pour les 01005.
Le profil de trempage
Nous avons également utilisé un profil “Soak” au lieu d'une rampe linéaire. Nous avons maintenu la température entre 150°C et 200°C pendant 90 secondes.
Cette pause permet au cuivre du PCB, au corps du BGA et aux minuscules composants passifs d'atteindre tous la même température avant que la soudure ne fonde. L'équilibre thermique est la meilleure défense contre l'effet pierre tombale.
Étape 4 : Inspection et vérification
Pour un assemblage de carte de validation de semi-conducteurs, vous ne pouvez pas supposer qu'une jointure est bonne simplement parce qu'elle semble l'être. Les jointures critiques sont cachées sous le BGA.
Nous avons inspecté le dépôt de pâte à souder avant le placement des composants.
- Pourquoi : Si l'impression est de mauvaise qualité, le nettoyage de la carte et la réimpression coûtent $5. Si nous constatons le défaut après la refusion, la carte est mise au rebut (ce qui coûte des milliers).
- Standard Nous avons cherché à garantir la cohérence des volumes. Tout tampon dont le volume était inférieur à 70% a été rejeté.
100% AXI (Inspection automatisée par rayons X)
C'était obligatoire. Nous avons radiographié chaque BGA.
Nous recherchions deux tueurs spécifiques :
- Tête-sur-Oreiller (TSO) Où la bille BGA repose sur la pâte à souder sans fusionner. Cela crée une connexion électrique intermittente qui rend fous les ingénieurs de validation.
- Annulation : Bulles d'air emprisonnées dans le joint. Nous avons vérifié que le volume total des vides était inférieur ou égal à 15% de la surface du joint.
Pensées finales
Le projet a progressé dans notre Fabrication clé en main pour le lancement de nouveaux produits ligne rapidement.
- Jour 1-3 : Fabrication de circuits imprimés (production rapide, garantissant la planéité Pads VIP. Approvisionnement de composants auprès de Digi-Key/Mouser.
- Jour 4 : Revue DFM et Fabrication de Pochoirs (Électropoli).
- Jour 5 : Assemblage SMT (Face supérieure).
- Jour 6 : Assemblage SMT (Côté inférieur) et Inspection par rayons X.
- Jour 7 : Tests fonctionnels finaux (FCT) et expédition.
Nous avons livré toutes les 10 planches à temps. Le rendement de première passe était de 100%.
Pour le client, cela signifiait qu'il pouvait commencer la validation du silicium immédiatement, sans se demander si une erreur d'assemblage de carte masquait un défaut de puce.
Si vous concevez des cartes de validation avec un pas de 0,3 mm ou inférieur, ne laissez pas l'assemblage au hasard. Contactez PCBCool pour une revue DFM gratuite de votre prochaine fabrication de nouveaux produits. Nous pouvons identifier les risques avant que vous ne graviez le pochoir.
Foire Aux Questions (FAQ)
La question se résume à la taille des particules par rapport à la taille de l'ouverture. Les particules de pâte de type 4 ont une taille allant de 20 à 38 µm. Pour un pas de 0,25 mm, l'ouverture du pochoir n'a souvent que 100 µm de large. Les grosses particules peuvent obstruer ces minuscules ouvertures, entraînant un transfert insuffisant de la pâte. Nous utilisons de la pâte de type 6 (5–15 µm) car les sphères plus fines se libèrent proprement de l'ouverture, garantissant ainsi que la bille BGA entre en contact avec le flux et la soudure.
Pour les BGA de 0,25 mm, nous recommandons généralement des pastilles NSMD. Elles offrent une meilleure précision d'enregistrement car le processus de gravure du cuivre est plus précis que l'application du masque de soudure. Cependant, les pastilles NSMD sont mécaniquement moins robustes. Nous suggérons d'ajouter un design en goutte d'eau à la connexion de la piste pour éviter les craquelures au niveau du col. Pour les 01005, le NSMD est également privilégié, mais il faut s'assurer que le masque entre les pastilles mesure au moins 100 µm pour éviter les ponts.
Étonnamment, non. Bien que l'azote empêche l'oxydation, un environnement trop pur (<500 ppm O2) crée des forces de mouillage trop agressives. Pour les composants 01005, ce “ mouillage instantané ” augmente le couple sur le composant, entraînant des taux plus élevés de tombstoning. Nous maintenons 1 000–2 000 ppm O2 pour équilibrer un bon mouillage pour les BGA avec une tension superficielle contrôlée pour les passifs.
Nous déconseillons vivement de retravailler les composants 01005. Les pointes de fer à souder standard sont trop larges et transfèrent la chaleur de manière trop agressive, ce qui endommage souvent les pastilles ou fissure le corps en céramique de la pièce de remplacement. De plus, le soudage manuel de ces pièces est extrêmement difficile à réaliser de manière fiable. Si une carte de prototype échoue en raison d'un mauvais composant 01005, il est souvent plus sûr de remplacer la carte ou d'utiliser un système de réparation spécialisé à air chaud plutôt qu'un fer à souder.
Il est impératif d'utiliser la technologie Microvia-in-Pad, mais la spécification critique concerne le placage. Les vias doivent être remplis et plaqués (VIPPO) afin de créer une surface parfaitement plane. La moindre indentation ou un remplissage incomplet entraînerait un écoulement de pâte à souder dans le via pendant la refusion. Cela priverait la bille BGA de soudure, causant un défaut de Non-Wet Open (NWO) très difficile à détecter sans rayons X.
Andy est un professionnel expérimenté de l'industrie des circuits imprimés (CI), fort de plusieurs décennies d'expérience dans la fabrication, l'assemblage et le support client des CI. Chez PCBCool, il dirige l'équipe de marketing et contribue à transformer l'expérience pratique des projets en contenu technique utile pour les ingénieurs, les acheteurs et les développeurs de produits.
