Actel offre package chip-scale e micro chip-scale in varie configurazioni: con passi di connessione su substrato da 0,4 mm a 0,8 mm, con corpi di dimensioni da 3 x 3 mm a 14 x 14 mm e con altezze totali da 0,73 mm a 1,5 mm. Actel propone questi dispositivi per supportare i propri FPGA a basso consumo IGLOO. La gamma di questi dispositivi include gli FPGA IGLOO PLUS con capacità di I/O potenziate (ed equipaggiati con dotazioni fino a 212 I/O) e gli FPGA IGLOO nano, i prodotti più miniaturizzati e con i consumi più bassi attualmente in commercio.Gli ingombri e i profili dei package sono specificati dalle note applicative JEDEC MO-195, JEDEC MO-205, e JEDEC Design Guide 4.5 "Fine-Pitch, Square Ball Grid Array Package (FBGA)". Queste note applicative offrono delle indicazioni generali che suggeriscono le metodologie per un'adeguata progettazione a livello di scheda e per un corretto processo di montaggio superficiale.
Panoramica sul Package CSP
L'altezza del package è ridotta al minimo in virtù di una tipologia di die che consente di sfruttare un substrato più sottile e dei conduttori di collegamento più bassi. I CSP vantano un'eccellente dissipazione termica grazie al die sottile: esso consente di ottenere substrati più fini e ingombri globali ridotti. Il disegno compatto ed efficiente dei CSP permette di ridurre gli effetti parassiti.
Considerazioni legate
al montaggio superficiale dei CSP
Per progettare appropriatamente la motherboard e per montare il package ottenendo prestazioni termiche, elettriche e a livello di scheda superiori è necessario analizzare alcune considerazioni. La spaziatura richiesta dipende dall'applicazione. L'organizzazione del progetto a livello pcb deve tenere conto delle tolleranze dimensionali legate al package, al pcb e all'assemblaggio della scheda.
I fattori che hanno un effetto significativo sul tipo di montaggio del CSP sulla scheda e sulla qualità dei giunti di saldatura sono numerosi. Alcuni, tra questi, sono il tasso di copertura della pasta di saldatura, il tipo di stencil, il tipo di via, lo spessore della scheda, la finitura dei ball sul package, la finitura della superficie della scheda, il tipo di solder e il profilo del riflusso.
Guide per il progetto
del Land Pad del pcb
Questa sezione individua i vincoli legati al routing a livello di package e di scheda, descrivendo la filosofia alla base dei land pad raccomandati.
Considerazioni relative alla maschera di saldatura
Per i CSP sono più raccomandati pad “non-solder mask defined” (NSMD) in quanto questo processo di incisione del rame offre un controllo più accurato rispetto al processo basato su maschere di saldatura e migliora l'affidabilità dei giunti di saldatura.
Raccomandazioni per il profilo dei pad
Il pad di saldatura sul pcb non deve eccedere in larghezza l'apertura del solder mask per il ball pad sul package. Per una forza ottimale del giunto di saldatura, Actel raccomanda un rapporto 1:1 tra i due pad.
Raccomandazioni per tracce e via
Lo stile di land pad dog-bone è quello raccomandato per passi di land da 0,8 mm a 0,5 mm con strutture a foro passante o micro via; per passi di land di 0.4 mm è consigliabile utilizzare vie in pad. Le vie in pad devono essere micro via, mentre i fori passanti necessitano di un tendaggio.
Linee guida per il montaggio della scheda
Questa sezione descrive le linee guida per il progetto dello stencil. A causa delle ridotte superfici dell'area di land sulla superficie del pcb, è necessario prestare attenzione nel formare giunti di saldatura affidabili per il CSP. Actel raccomanda di utilizzare stencil in acciaio inossidabile con spessori da 0,10 a 0,20 mm e racle metalliche. Se vengono utilizzate racle polimeriche, il durometro medio deve essere pari a 90.
Spessore e profilo dello stencil
Gli stencil devono essere tagliati al laser e elettropuliti. La pulizia aiuta a rendere lisce le pareti dello stencil, assicurando un miglior rilascio della pasta.
Un beccuccio positivo con apertura inferiore da 25 a 50 micron più larga rispetto al lato superiore permette una miglior distribuzione della pasta di saldatura. La tolleranza di apertura dello stencil deve essere attentamente controllata in quanto può ridurre in modo significativo le dimensioni dell'apertura totale. Per mantenere un profilo adeguato dello stencil, non eccedere un rapporto rispetto all'area di 0,66 o un rapporto di esposizione di 1,5.
Pasta di saldatura
Non essendo disponibile spazio a sufficienza al di sotto della parte, successivamente al riflusso, utilizzare per il montaggio dei CSP pasta "no clean," tipo 3 o tipo 4. È anche raccomandato dell'azoto di spurgo durante il riflusso in quanto i gas intrappolati nel giunto di saldatura sono la causa principale di cavità. Il tempo di permanenza allo stato fuso deve essere sufficiente assicurare che i gas abbiano tempo per separarsi dalla pasta di saldatura e uscire dal solder.
Profilo riflusso e temperatura di picco
Il profilo del riflusso e la temperatura di picco hanno una forte influenza sulla formazione di cavità. Actel suggerisce fortemente di seguire le raccomandazioni dei fornitori di paste in quanto sono specifiche per la formazione ideale del flusso.
Flusso processo di assemblaggio
Un tipico flusso di processo per l'assemblaggio di package a montaggio superficiale su circuito stampato è lo stesso processo che può essere utilizzato per il montaggio dei CSP; Actel raccomanda però di includere un'ispezione di post-stampaggio e di post-riflusso, specialmente nella fase di sviluppo del processo. Il volume di pasta depositata deve essere misurato con tecniche 2D o 3D. Per considerare ottimale il rilascio, il volume di pasta deve essere intorno all'80-90% rispetto al volume di apertura dello stencil. Successivamente al riflusso i package montati devono essere ispezionati ai raggi X per verificare l'assenza di cavità, di grumi di solder o di altri difetti. Può essere richiesto un sezionamento trasversale per determinare le dimensioni, il profilo e l'altezza di elevazione del giunto.
Linee guida per il rework
Poiché i giunti di saldatura dei CSP non sono totalmente esposti, qualsiasi possibilità rilavorazione è limitata. Per i difetti al di sotto del package è necessario rimuovere l'intero package. Rilavorare i CSP può essere problematico a causa delle dimensioni ridotte. Nella maggior parte delle applicazioni i CSP sono montati su pcb piccoli, densi e sottili: ciò introduce ulteriori problematiche a causa delle difficoltà di trattamento e di riscaldamento. Poiché il reflow delle parti adiacenti non è consigliabile, durante la rilavorazione la prossimità di altri componenti può complicare ulteriormente il processo.
Il processo di rework implica i seguenti passi:
• rimozione del componente;
• risistemazione del sito;
• applicazione pasta di saldatura;
• posizionamento e collegamento del componente.
Rimozione del componente
Il primo step per la rimozione del componente è assicurarsi che il pcb sia asciutto. Actel raccomanda di infornare il pcb per 24 ore a 125 °C per prevenire danni legati all'umidità presente sulla scheda o nei package. Il secondo step è il riflusso dei giunti di saldatura che collegano il componente alla scheda pcb. Idealmente, il profilo di riflusso per la rimozione delle parti deve essere uguale a quello utilizzato per il loro collegamento. Il tempo di permanenza nello stato liquido può però essere limitato al completamento del riflusso. Nel processo di rimozione, Actel raccomanda di scaldare la scheda dal lato inferiore utilizzando un riscaldatore convettivo e soffiando gas o aria caldi sul lato superiore del componente. Utilizzare un beccuccio per dirigere il calore nell'area del componente e minimizzare l'impatto sui componenti adiacenti. Evitare un flusso d'aria eccessivo in quanto questo può provocare l'avvitamento del CSP. Actel raccomanda una quantità d'aria tra 15 e 20 litri al minuto. Una volta che i giunti hanno subito il riflusso, è possibile ricorrere - durante la transizione tra riflusso e raffreddamento - un sollevatore automatico a vuoto. A causa delle ridotte dimensioni dei giunti, la pressione di aspirazione deve essere tenuta al di sotto dei 15 pollici di mercurio. Questo permette di prevenire il sollevamento dei pad qualora i giunti non abbiano subito il riflusso.
Risistemazione del sito
Una volta rimossi i componenti, e mentre la scheda è ancora calda, è necessario ripulire adeguatamente il sito. È meglio utilizzare una combinazione tra strumenti conduttivi a lama e calze di dissaldatura. L'ampiezza della lama deve essere pari all'ampiezza del footprint e la temperatura del forno deve essere sufficientemente bassa da non causare danni al circuito stampato. Una volta che il solder residuo è stato rimosso, le piazzole devono essere pulite con del solvente. Il solvente dipende dal tipo di pasta utilizzata nell'assemblaggio originario: è necessario pertanto seguire le raccomandazioni del fornitore.
Stampaggio pasta di saldatura
A causa delle ridotte dimensioni e dei passi minimi dei CSP, la deposizione della pasta di saldatura richiede una particolare attenzione. È possibile ottenere una deposizione precisa e uniforme utilizzando uno stencil miniaturizzato specifico per il componente. Allineare l'apertura dello stencil i pad sotto un ingranditore da 50X-100X. Abbassare lo stencil sul pcb e depositare la pasta con una piccola lama di racla. In alternativa è possibile utilizzare un mini stencil per stampare la pasta nel sito del package. Utilizzare uno stencil da 125 μ con le stesse dimensioni di apertura e con lo stesso profilo del sito del package. La ridotta elevazione dei CSP non permette di lasciare troppo spazio per la pulitura, quindi non utilizzare flussi no-clean.
Posizionamento e collegamento componente
Dai CSP ci si aspettano capacità di auto allineamento superiori grazie alla loro massa ridotta. Il posizionamento di questo tipo di package è simile a quello dei package BGA. Poiché le piazzole sono al di sotto del package, utilizzare un sistema ottico splitbeam per allineare il componente sulla motherboard. Questo formerà un'immagine della piazzola e aiuterà l'allineamento. Eseguire l'allineamento utilizzando un ingrandimento da 50X-100X. La macchina di placement deve avere la capacità di regolare finemente gli assi X, Y e di rotazione. Per collegare il nuovo componente utilizzare il profilo di riflusso sviluppato durante il collegamento originario o la rimozione. Poiché i parametri del profilo di riflusso sono stati tutti ottimizzati, è possibile sfruttare lo stesso profilo evitando feedback dalla termocoppia e riducendo la dipendenza dall'abilità degli operatori.
