Réponse directe
Évaluez le risque d'assemblage de SMT en comparant les caractéristiques au niveau du package (coplanarité, épaisseur de matrice, couvercle de moule, pas de bille et masse thermique) avec la conception de votre pochoir, votre profil de refusion et votre plan d'inspection avant de publier le BOM. La liaison hybride et le packaging avancé modifient la façon dont les composants sont placés sur la carte, la façon dont la pâte à souder se libère et la façon dont la chaleur circule pendant la refusion. Un examen DFM paquet par paquet avec votre partenaire EMS est donc le seul moyen fiable de détecter les défauts avant le premier article.
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Pourquoi l'emballage et le collage hybride modifient le profil de risque
Le passage des boîtiers classiques à liaison filaire ou à puce retournée à un boîtier avancé avec liaison hybride n'est pas seulement une préoccupation des fonderies de semi-conducteurs. Il modifie l'interface mécanique et thermique entre le package et le PCB. La liaison hybride remplace les bosses de soudure par des liaisons directes cuivre-cuivre ou diélectrique-diélectrique au niveau de la tranche. Le résultat est un boîtier avec un pas d'interconnexion plus fin, des piles de puces plus fines et un comportement de dilatation thermique différent de celui d'un BGA standard.
Pour la ligne SMT, cela signifie que trois choses changent :
1. Coplanarity tolerance tightens. A hybrid-bonded package may have a thinner substrate or no substrate at all, as in fan-out panel-level packages. If the package body is not flat, the solder paste deposit cannot compensate for the gap variation across the footprint. 2. Thermal mass becomes uneven. Die stacking concentrates heat in specific regions. During reflow, those regions heat faster or slower than the surrounding package, affecting solder paste melting and wetting. 3. Inspection targets change. You cannot rely on solder ball shape alone to judge joint quality. With hybrid bonding, the package-to-board interface may have very low standoff, making optical inspection difficult and X-ray interpretation more complex.
La conséquence pratique est que votre processus SMT doit être conçu autour du package, pas seulement de la carte. Une conception de pochoir BGA standard au pas de 0,8 mm peut fonctionner correctement pour un emballage mais échouer sur un autre avec le même pas mais une épaisseur de matrice ou un capuchon de moule différent.
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Fonctionnalités au niveau du package qui génèrent des risques SMT
Avant d'envoyer un BOM à la chaîne d'assemblage, examinez le dessin de l'emballage pour connaître les fonctionnalités suivantes. Chacun affecte directement la conception du pochoir, le profilage par refusion ou la planification de l'inspection.
Coplanarité et hauteur d'écartement
La coplanarité est l'écart du plan d'assise du colis par rapport à une référence plate. Pour les BGA, la conception du modèle de terrain IPC-7351 suppose une certaine plage de coplanarité, mais les packages avancés vont souvent au-delà de ces hypothèses. Si le dessin de l'emballage montre une spécification de coplanarité de 0,08 mm ou plus, la conception de l'ouverture de votre pochoir et le volume de pâte à souder doivent correspondre à cette tolérance.
Un boîtier à faible distance, commun aux liaisons hybrides où l'interconnexion est fine, laisse moins de place à la pâte à souder pour se propager. Si l'ouverture du pochoir est trop grande, la pâte à souder peut faire un pont entre les pastilles adjacentes. S'il est trop petit, vous obtenez un mouillage insuffisant et des joints ouverts.
Épaisseur de la matrice et capuchon du moule
La hauteur du capuchon du moule et l'épaisseur de la matrice affectent la quantité de chaleur que l'emballage absorbe pendant la refusion. Un capuchon de moule épais agit comme un dissipateur thermique, retardant la fusion de la pâte à souder du côté de l'emballage. Cela crée un gradient thermique à travers le joint, ce qui peut provoquer des affaissements ou des joints asymétriques sur des composants plus petits à proximité de l'emballage.
Pour le profilage par refusion, vous devez connaître la masse thermique du boîtier par rapport à la carte. Une carte avec 1 once de cuivre des deux côtés et un noyau FR-4 de 1,6 mm se comportera différemment d'une carte avec 2 onces de cuivre et un empilement plus épais. Le profil de refusion doit être réglé de manière à ce que le boîtier atteigne la température de fusion de la soudure dans la même fenêtre que la carte et les composants environnants.
Finition de la bille ou du tampon
Les boîtiers à liaison hybride peuvent utiliser des plots de cuivre avec un conservateur de soudabilité organique (OSP) ou une finition nickel-or, plutôt que des billes de soudure traditionnelles. Ces finitions présentent des caractéristiques de mouillage différentes. OSP nécessite un flux actif et un temps suffisant au-dessus du liquidus pour former une liaison intermétallique fiable. Le nickel-or est plus tolérant mais peut souffrir d'une formation intermétallique fragile si le profil de refusion est trop agressif.
Vérifiez le dessin de l'emballage pour la finition du tampon et comparez-le avec votre finition de surface PCB. Si PCB utilise ENIG et que le package utilise OSP, la chimie du flux et le profil de refusion doivent prendre en charge les deux. Une inadéquation peut entraîner des défauts de non-mouillage ou de tête dans l'oreiller.
Niveau de sensibilité à l'humidité (MSL)
Les emballages avancés dotés de fines piles de matrices et de capuchons de moule sont souvent plus sensibles à l'humidité que les emballages conventionnels. J-STD-020 définit les valeurs MSL et les températures de classification de refusion. J-STD-033 couvre les exigences de manipulation, de cuisson et de stockage. Si l'emballage est MSL 3 ou supérieur, la durée de vie du sol est limitée et une cuisson peut être nécessaire avant l'assemblage.
Une erreur courante consiste à ignorer MSL lors de la révision BOM. Si l'emballage a été exposé à l'humidité et n'est pas cuit avant la refusion, l'humidité peut se vaporiser rapidement, provoquant des fissures ou un délaminage de l'emballage, souvent appelé effet pop-corn. Il s'agit d'un problème de fiabilité qui peut ne pas être visible avant que la carte soit sur le terrain.
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Conception du pochoir et volume de pâte à souder
La conception des pochoirs est l'endroit où le risque d'emballage devient tangible pour la première fois sur la ligne SMT. La taille, la forme et l'épaisseur de l'ouverture du pochoir déterminent la quantité de pâte à souder déposée sur chaque pastille. Pour les boîtiers avancés, la conception de l'ouverture doit tenir compte de la coplanarité, de la finition des plots et de la masse thermique du boîtier.
Rapport de surface d'ouverture
Le rapport de surface (la surface d'ouverture de l'ouverture divisée par la surface de la paroi de l'ouverture) doit être supérieur à un seuil minimum pour une bonne libération de la pâte. Pour les packages à pas fin, c'est souvent le facteur limitant. Si le pas est de 0,4 mm ou moins, l'ouverture peut être trop petite pour obtenir un bon rapport de surface avec un pochoir standard de 0,1 mm. Vous aurez peut-être besoin d'un pochoir plus fin ou d'un pochoir étagé avec différentes épaisseurs pour différentes régions de l'emballage.
Volume de collage et hauteur du joint
Le volume de pâte à braser détermine la hauteur finale du joint après refusion. Pour un boîtier avec une coplanarité étroite, la pâte doit être suffisante pour combler l'espace entre le plot du boîtier et le plot PCB, mais pas au point de provoquer un pontage ou des billes de soudure. Un bon point de départ consiste à cibler une hauteur de joint de 50 à 75 % du diamètre de la boule pour les BGAs, mais pour les emballages à liaison hybride sans boules, l'objectif est fixé par les spécifications d'espacement du dessin de l'emballage.
Exemple pratique : pas de 0,5 mm LGA avec liaison hybride
Considérons un boîtier LGA au pas de 0,5 mm avec une pile de puces à liaison hybride. Le dessin de l'emballage montre une coplanarité de 0,06 mm, un couvercle de moule de 0,4 mm et une finition de tampon de OSP. Le PCB a une épaisseur de 1,6 mm avec 1 oz de cuivre et une finition ENIG.
Pour le pochoir, une épaisseur de 0,1 mm donne un rapport de surface d'environ 0,55 pour une ouverture carrée de 0,25 mm, ce qui est marginal. Un pochoir de 0,08 mm améliore le rapport de surface à 0,68, mais réduit le volume de pâte. Vous aurez peut-être besoin d'un pochoir étagé : 0,1 mm pour la région LGA et 0,08 mm pour le reste du tableau.
Pour la refusion, la température maximale doit être réglée à 245°C avec un temps au-dessus du liquidus de 60 à 90 secondes. Le taux de rampe doit être contrôlé pour éviter un choc thermique sur la puce à liaison hybride. Une zone de préchauffage de 150 à 180 °C pendant 60 à 90 secondes permet d'activer le flux et d'évaporer les solvants avant que l'emballage n'atteigne le point de fusion.
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Ajustements du profil de redistribution pour les packages avancés
Le profil de redistribution est le deuxième point de contrôle majeur. Les packages avancés avec liaison hybride ont des exigences thermiques différentes de celles des BGA standard. Le profil doit être défini en fonction de la masse thermique du boîtier, de l'empilement PCB et du profil recommandé de la pâte à souder.
Masse thermique et absorption de chaleur
Un emballage avec un capuchon de moule épais et une grande matrice absorbe plus de chaleur qu'un emballage mince. Pendant la refusion, le boîtier peut être en retard par rapport à la température de la carte, ce qui fait fondre la pâte à souder côté boîtier plus tard que la pâte côté carte. Cela peut créer un gradient de température à travers le joint, entraînant un mauvais mouillage ou des joints asymétriques.
Pour compenser, vous pouvez étendre la zone de trempage pour permettre au colis de rattraper la température de la carte. Une zone de trempage typique pour les emballages avancés est de 150 à 180°C pendant 90 à 120 secondes. La vitesse de montée en température du trempage au pic doit être de 1 à 2 °C par seconde pour éviter un choc thermique.
Température maximale et durée au-dessus de Liquidus
La température maximale et le temps au-dessus du liquidus doivent être compris dans la température de classification de refusion de l'emballage selon J-STD-020. Pour la plupart des emballages sans plomb, la température de classification est de 245°C ou 260°C. Le temps au-dessus du liquidus (217°C pour SAC305) doit être de 60 à 90 secondes pour une bonne formation intermétallique.
Si l'emballage a une faible température de classification de refusion (certains emballages à liaison hybride sont évalués à 240 °C), vous devez ajuster le profil pour rester en dessous de cette limite. Cela peut nécessiter une vitesse de rampe plus lente et un temps plus court au-dessus du liquidus, ce qui peut affecter le mouillage de la pâte à souder. Le compromis doit être validé sur un premier article.
Effets d'empilement de cartes
L'empilement PCB affecte la façon dont la chaleur est distribuée pendant la refusion. Une planche avec des plans de cuivre épais ou un noyau épais absorbe plus de chaleur et peut nécessiter un trempage plus long ou une température maximale plus élevée. Un panneau avec un stratifié à température de transition vitreuse (Tg) élevée peut résister à des températures plus élevées, mais la dilatation thermique peut différer de celle de l'emballage, provoquant des contraintes sur les joints.
Pour une carte avec 2 oz de cuivre sur les couches externes et un noyau de 2,0 mm, le profil de refusion devra peut-être être ajusté par rapport à une carte standard de 1,6 mm. Le cuivre supplémentaire agit comme un dissipateur thermique, retardant la fusion de la soudure. Vous devrez peut-être augmenter le temps de trempage ou la température maximale pour compenser.
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Stratégie d'inspection : rayons X, AOI et premier article
La planification de l'inspection doit être effectuée avant le premier article, pas après. Le type de colis détermine quelles méthodes d’inspection sont efficaces et quels défauts sont probables.
Inspection aux rayons X pour les emballages à pas fin et à faible distance
Les rayons X sont essentiels pour les emballages comportant des joints cachés, tels que les BGAs, LGAs et les emballages à faible distance de sécurité. Pour les emballages à liaison hybride, les rayons X peuvent révéler des vides, des pontages et un mouillage insuffisant. Cependant, l’interprétation est plus complexe car la géométrie du joint est différente de celle d’une bille de soudure classique.
Pour les emballages à pas fin, le système à rayons X doit avoir une résolution suffisante pour distinguer les joints individuels. Un boîtier au pas de 0,4 mm nécessite un système avec une résolution d'au moins 10 microns. L’angle des rayons X devra peut-être être ajusté pour voir clairement le profil de l’articulation.
AOI Limites des packages avancés
L'inspection optique automatisée (AOI) est efficace pour vérifier le placement des composants, la polarité et le dépôt de pâte à souder avant la refusion. Après la refusion, AOI peut vérifier les composants manquants, les désactivations et les défauts de soudure grossiers. Cependant, pour les packages avec une faible distance de sécurité ou des joints cachés, AOI ne peut pas vérifier la qualité du joint de soudure.
Pour ces packages, vous avez besoin d'une combinaison de AOI pour la vérification du placement et de rayons X pour l'inspection conjointe. Le programme AOI doit être configuré avec la position et l'orientation attendues du colis, et le programme de radiographie doit être configuré avec la géométrie des articulations attendue.
Plan d'inspection du premier article
Avant la production complète, construisez un premier article et inspectez les joints critiques. Pour les packages avancés, cela doit inclure la coupe transversale de joints représentatifs pour vérifier le mouillage de la soudure, la formation intermétallique et la hauteur du joint. Les coupes transversales sont destructrices, elles doivent donc être effectuées sur une planche sacrificielle ou sur un échantillon du premier article analysé.
Le plan d'inspection du premier article doit préciser :
- Quels joints couper (généralement les coins et le centre de l'emballage)
- Quelles articulations radiographier (toutes les articulations sous l'emballage)
- Quels joints inspecter avec AOI (tous les joints visibles)
- Les critères d'acceptation pour chaque méthode d'inspection
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BOM et exigences relatives aux fichiers centroïdes
Les fichiers BOM et centroïde sont les principaux outils de communication entre l'équipe de conception et le fournisseur EMS. Pour les packages avancés, ces fichiers nécessitent des champs supplémentaires pour éviter les défauts d'assemblage.
Champs BOM obligatoires
Le BOM doit inclure, pour chaque composant :
- Numéro de pièce du fabricant et révision de la fiche technique
- Type de package (BGA, LGA, QFN, etc.)
- Dimensions de l'emballage, y compris l'épaisseur et la hauteur du capuchon du moule
- Indice MSL et durée de vie du sol
- Température de classification de refusion
- Finition pad ou bille
- Données thermiques (si disponibles)
Champs de fichier centroïde obligatoires
Le fichier centroïde doit inclure, en plus des champs standard X, Y, rotation et calque :
- Épaisseur du colis
- Hauteur du colis (y compris le capuchon du moule)
- Indicateur de masse thermique (par exemple, taille de la matrice ou poids du colis)
- Référence d'orientation (emplacement de la broche 1)
Ces champs permettent au fournisseur EMS de configurer correctement le pochoir, le profil de redistribution et les programmes d'inspection. Sans eux, le fournisseur EMS doit faire des hypothèses, ce qui peut conduire à des défauts.
Erreurs courantes dans les données BOM et Centroid
L'erreur la plus courante consiste à fournir un BOM avec uniquement le numéro de pièce du fabricant et le type d'emballage, sans le dessin de l'emballage ni les données thermiques. Le fournisseur EMS peut ne pas avoir le package dessiné dans un fichier, en particulier pour les packages nouveaux ou personnalisés.
Une autre erreur consiste à fournir un fichier centroïde avec une mauvaise orientation ou à ne pas indiquer la hauteur du paquet. Cela peut amener la machine de prélèvement et de placement à placer le composant à la mauvaise hauteur, entraînant des erreurs de placement ou des dommages au composant.
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DFM Examen et quand impliquer le partenaire EMS
L'examen de la conception pour la fabricabilité (DFM) doit avoir lieu avant la fabrication du pochoir et avant la construction du premier article. L'examen DFM doit inclure le dessin de l'emballage, le modèle de terrain PCB, la conception du pochoir et le profil de refusion.
Éléments à vérifier dans l'examen DFM
- Les dimensions du modèle de terrain correspondent au dessin de l'emballage (IPC-7351 fournit des conseils)
- La conception de l'ouverture du pochoir correspond à la coplanarité et à la finition du tampon de l'emballage.
- Le profil de refusion se situe dans la température de classification de l'emballage.
- Les exigences MSL et de cuisson sont respectées
- Le plan d'inspection est adapté au type de colis
Quand impliquer le partenaire EMS
Impliquez le partenaire EMS dès le début, idéalement pendant la révision de DFM, et non après la publication de BOM. Le partenaire EMS peut fournir des commentaires sur la conception du pochoir, le profilage par refusion et l'inspection en fonction de son expérience avec des packages similaires. Ils peuvent également signaler les problèmes potentiels avant qu’ils ne se transforment en défauts.
Par exemple, si le colis présente une distance de sécurité très faible, le partenaire EMS peut recommander un pochoir plus fin ou une pâte à souder différente. Si l'emballage est MSL 3, ils peuvent recommander une cuisson avant l'assemblage. Ces recommandations sont plus faciles à mettre en œuvre avant la fabrication du pochoir qu’après.
Règle empirique pratique
Si le pas du boîtier est de 0,5 mm ou moins, ou si le boîtier utilise une technologie de liaison hybride ou de sortance, traitez-le comme un boîtier à haut risque. Cela signifie une revue complète de DFM, un premier article avec coupe transversale et un profil de redistribution documenté. Ne présumez pas qu’un processus standard fonctionnera.
Pour les boîtiers avec un pas supérieur à 0,8 mm et les billes de soudure conventionnelles, le risque est moindre, mais vous devez tout de même consulter le dessin du boîtier pour vérifier la coplanarité et le MSL. Un processus standard peut être acceptable, mais l'examen doit être documenté.
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Erreurs courantes et comment les éviter
Traiter tous les paquets de la même manière
L'erreur la plus courante consiste à supposer que tous les BGA ou LGA ont les mêmes exigences en matière de joints de soudure. L'épaisseur de l'emballage, le capuchon du moule, le placement de la matrice et la finition du tampon affectent tous le processus SMT. Un emballage doté d'un couvercle de moule épais et d'une grande filière peut nécessiter un profil de refusion différent d'un emballage mince doté d'une petite filière.
Ignorer les exigences MSL et Baking
Les notations MSL ne sont pas facultatives. Si l'emballage est MSL 3 et a été exposé à l'humidité, il doit être cuit avant la refusion. Ignorer cela peut provoquer une fissuration du boîtier, ce qui constitue un problème de fiabilité qui peut ne pas être visible avant que la carte ne soit sur le terrain.
Sauter le premier article
Le premier article est le seul moyen de vérifier que la conception du pochoir, le profil de refusion et le plan d'inspection fonctionnent pour le package spécifique. Sauter le premier article pour gagner du temps ou réduire les coûts peut entraîner des défauts coûteux à retravailler ou à mettre au rebut.
Ne fournit pas de données complètes BOM et Centroid
Le fournisseur EMS ne peut pas configurer correctement le processus sans données complètes. Les fichiers BOM et centroïde doivent inclure l'épaisseur du colis, le MSL, les données thermiques et l'orientation. Les données manquantes conduisent à des hypothèses qui conduisent à des défauts.
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Évaluations des risques connexes
Le même cadre d'évaluation des risques s'applique à d'autres tendances en matière d'emballage et de processus. Pour connaître les effets de l'emballage au niveau du panneau et du traitement thermique, voir Comment évaluer le risque d'assemblage de SMT dû au FOPLP et aux tendances du traitement thermique. Pour les secteurs à haute fiabilité, consultez Comment évaluer le risque d'assemblage SMT à partir des tendances de l'aérospatiale et de l'automatisation industrielle. Les décisions de conception au niveau de la carte sont couvertes dans Comment évaluer le risque d'assemblage de SMT à partir de la conception et de la disposition de la carte.
La conformité aux réglementations et aux matériaux est abordée dans Comment évaluer le risque d'assemblage SMT du PDG et les tendances REACH. Pour le côté fabrication de l'empilement, voir Comment évaluer le risque d'assemblage de SMT à partir de la conception PCB et des tendances de fabrication PCB.
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FAQ
Pourquoi la liaison hybride affecte-t-elle le risque d'assemblage SMT ?
La liaison hybride crée un pas plus fin et des connexions puce-boîtier plus fines que les bosses de soudure classiques. Cela change la façon dont le boîtier est placé sur la carte, la quantité de pâte à souder nécessaire et la façon dont la chaleur circule pendant la refusion. Si le motif de terrain PCB ou l'ouverture du pochoir ne correspond pas à la coplanarité et à la masse thermique de l'emballage, vous pouvez obtenir des joints ouverts, des billes de soudure ou non mouillants.
Où les ingénieurs commettent-ils des erreurs lors de l’évaluation des risques liés à l’emballage ?
L'erreur la plus courante consiste à traiter tous les packages BGA ou LGA comme s'ils avaient les mêmes exigences en matière de joints de soudure. Les ingénieurs ignorent souvent l’épaisseur de l’emballage, le capuchon du moule et l’emplacement de la matrice lors de la conception du pochoir ou du réglage de la refusion. Ils oublient également de vérifier le niveau de sensibilité à l'humidité (MSL) et les exigences de cuisson, ce qui peut provoquer des fissures dans l'emballage lors de la refusion.
Comment puis-je vérifier les risques liés à l'emballage avant l'assemblage SMT ?
Consultez le dessin de l'emballage pour connaître la coplanarité, la finition de la bille ou du tampon et la température de refusion maximale. Comparez cela avec votre modèle de terrain PCB et votre volume de pâte à souder. Exécutez une vérification DFM qui inclut l'épaisseur du colis et la masse thermique. Ensuite, avant la production complète, construisez un premier article et inspectez les coupes transversales ou radiographiez les joints critiques.
Quelles informations appartiennent à l'assembly RFQ pour SMT avec des packages avancés ?
Incluez le BOM complet avec les numéros de pièce du fabricant, le type d'emballage, le MSL et les données thermiques. Fournissez au fichier centroïde l’épaisseur et l’orientation de l’emballage. Ajoutez l'empilement PCB, la finition de surface et toutes les exigences particulières de refusion. Indiquez également si vous avez besoin d'une inspection aux rayons X, AOI ou premier article sur des joints spécifiques.
Comment puis-je savoir si la conception de mon pochoir est adéquate pour un emballage à pas fin ?
Vérifiez le rapport de la zone d’ouverture. Si le rapport est inférieur à 0,5 pour un pochoir standard de 0,1 mm, envisagez un pochoir plus fin ou un pochoir étagé. Vérifiez également que le volume de pâte est suffisant pour la hauteur d'écartement de l'emballage. Un premier article avec coupe transversale constitue la vérification définitive.
Quand dois-je impliquer le fournisseur EMS dans l'examen des risques ?
Impliquez le fournisseur EMS lors de la révision DFM, avant la fabrication du pochoir. Le fournisseur peut signaler les problèmes liés à la conception des pochoirs, au profilage de refusion et à l'inspection en fonction de son expérience avec des packages similaires. Une implication précoce réduit le risque de défauts et de retouches. L'équipe d'ingénierie d'Omini peut examiner les dessins de votre colis et les données BOM avant de vous engager dans une exécution en production.
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