Las almohadillas, componentes fundamentales del montaje superficial, forman el patrón de conexión en una PCB. Este patrón consta de diversas combinaciones de almohadillas diseñadas para tipos de componentes específicos. Las almohadillas actúan como patrones parcialmente conductores para conexiones eléctricas, fijación de dispositivos o ambas.
La geometría de las almohadillas puede variar según el tipo de soldadura utilizado para el montaje de componentes electrónicos. Siempre que sea posible, las formas de las almohadillas deben definirse de manera que no interfieran con el proceso de montaje empleado. Independientemente de si los componentes se montan en una o ambas caras de la placa, o si se someten a procesos de soldadura por ola, reflujo u otros, las dimensiones de las almohadillas y los componentes deben optimizarse para garantizar una correcta formación de la unión de soldadura y el cumplimiento de las normas de inspección. Si bien los patrones de las almohadillas se definen dimensionalmente y forman parte de la geometría de la placa de circuito impreso, están sujetos a limitaciones en cuanto a la capacidad de fabricación y las tolerancias relacionadas con el chapado, el grabado, el ensamblaje u otras condiciones. El uso de máscara de soldadura y la alineación entre esta y los patrones de los conductores también influyen en la capacidad de fabricación.
1. Requisitos de la almohadilla
La norma 61188 de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) reconoce la necesidad de diferentes objetivos en cuanto a las condiciones de protrusión del filete de soldadura o de la almohadilla. Esta nueva norma internacional confirma dos enfoques fundamentales para el desarrollo de formas de almohadilla:
1) Datos precisos basados en las especificaciones de los componentes industriales, las capacidades de fabricación de PCB y la precisión de colocación de los componentes. Estas formas de pad son específicas para cada componente y se identifican mediante un número de forma de pad.
2) Ecuaciones que permiten modificar la información disponible para lograr una unión de soldadura más robusta. Esto resulta aplicable en casos especiales donde la precisión de la colocación o el equipo de montaje varía considerablemente respecto a lo previsto al determinar los detalles de la almohadilla.
La norma define las condiciones de material máximas, medias y mínimas para las almohadillas utilizadas para montar diversos pines o terminales de componentes. Salvo que se especifique lo contrario, esta norma designa los tres “objetivos deseados” como Nivel 1, Nivel 2 o Nivel 3.
Nivel 1: Máximo – Para aplicaciones de productos de baja densidad, se utiliza la condición de almohadilla “máxima” para la soldadura por ola o reflujo de componentes de chip sin terminales y componentes con aletas y terminales. La geometría configurada para estos componentes, así como para los componentes con terminales tipo “J” orientados hacia adentro, proporciona un margen de proceso más amplio para la soldadura manual y por reflujo.
Nivel 2: Medio – Los productos con una densidad de componentes moderada pueden considerar esta geometría de pad "medio". Con una geometría muy similar a la del pad estándar IPC-S-782, los pads medios configurados para todo tipo de componentes proporcionan condiciones de soldadura robustas para procesos de reflujo y deberían ofrecer condiciones adecuadas para la soldadura por ola o por flujo de componentes sin terminales y con terminales de ala.
Nivel 3: Mínimo – Los productos con alta densidad de componentes (típicamente aplicaciones portátiles) pueden optar por la geometría de almohadilla “mínima”. Sin embargo, esta geometría puede no ser adecuada para todos los productos. Antes de adoptar formas de almohadilla mínimas, se deben considerar las limitaciones del producto y realizar pruebas según las condiciones descritas en la tabla.
Las geometrías de las almohadillas especificadas en IPC-SM-782 y definidas en IEC 61188 deben adaptarse a las tolerancias de los componentes y a las variaciones del proceso. Si bien las almohadillas de la norma IPC proporcionan una interfaz robusta para la mayoría de las aplicaciones de ensamblaje, algunas empresas han manifestado la necesidad de geometrías de almohadillas mínimas para la electrónica portátil y otras aplicaciones únicas de alta densidad.
La norma internacional para pads de montaje superficial (IEC 61188) reconoce los requisitos de aplicaciones con alta densidad de componentes y proporciona información sobre la geometría de los pads para tipos de productos específicos. Esta información tiene como objetivo especificar las dimensiones, formas y tolerancias adecuadas para los pads de montaje superficial, garantizando así un área suficiente para la correcta formación del filete de soldadura y permitiendo, además, la inspección, las pruebas y la reparación de estas uniones soldadas.
2. BGA y CAP
El encapsulado BGA ha evolucionado para adaptarse a las técnicas de montaje de soldadura actuales. Los componentes BGA de plástico y cerámica presentan pasos de contacto relativamente amplios (1,50, 1,27 y 1,00 mm), mientras que los BGA a escala de chip tienen pasos de rejilla de 0,50, 0,60 y 0,80 mm. Tanto los BGA estándar como los de paso fino son menos propensos a sufrir daños que los circuitos integrados en encapsulados de marco de pines de paso fino. El estándar BGA permite la reducción selectiva de puntos de contacto para cumplir con requisitos específicos de entrada/salida (E/S). Al establecer la disposición de los puntos de contacto y las patillas para los componentes BGA, los desarrolladores de encapsulados deben considerar el diseño del chip junto con las dimensiones y la forma del bloque de chip. Otro aspecto a tener en cuenta durante la disposición técnica de las patillas es la orientación del chip (si las almohadillas del módulo de chip apuntan hacia arriba o hacia abajo). La configuración con las almohadillas hacia arriba para los módulos de chip se suele emplear cuando los proveedores utilizan la tecnología COB (chip en placa).
La construcción de los componentes y los materiales empleados en su fabricación no se definen en esta norma ni en esta guía del sector. Cada fabricante se esforzará por adaptar su estructura específica a los requisitos de la aplicación definidos por el usuario. Por ejemplo, los productos de consumo pueden funcionar en entornos relativamente benignos, mientras que las aplicaciones industriales o automotrices suelen exigir un rendimiento óptimo en condiciones de estrés más severas. Dependiendo de las propiedades físicas de los materiales seleccionados para la fabricación del BGA, se pueden emplear técnicas de flip-chip o de unión por hilo. Dado que la estructura de montaje del chip es rígida, la base de montaje del módulo del chip se centra normalmente con conductores, y las señales se enrutan desde las almohadillas del módulo del chip a una matriz de esferas de contacto.
El encapsulado de matriz de rejilla descrito en este documento se proporciona en la publicación JEDEC 95. BGA cuadrados: JEDEC MS-028 define una categoría de componentes BGA rectangulares de plástico más pequeños con una separación entre contactos de 1,27 mm. Las dimensiones generales de este componente de matriz permiten una gran flexibilidad, como la separación entre pines, la disposición de la matriz de contactos y la construcción. JEDEC MO-151 define varios BGA encapsulados en plástico. Los perfiles cuadrados abarcan dimensiones de 7,0 a 50,0 mm, con tres opciones de separación entre contactos: 1,50, 1,27 y 1,00 mm.
Los contactos esféricos pueden distribuirse en un patrón único, con filas y columnas dispuestas en números pares o impares. Si bien la disposición debe mantener la simetría en todo el contorno del encapsulado, los fabricantes de componentes pueden reducir la cantidad de puntos de contacto en áreas específicas.
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