Inspección de voids en BGA según IPC-7095: impacto en la confiabilidad y cómo medirlos con CT X-ray
Los voids son huecos o porosidades atrapados dentro de las bolas de soldadura de un componente BGA. Además, figuran entre los defectos más discutidos del ensamble electrónico. Como las uniones quedan ocultas bajo el encapsulado, no se pueden ver a simple vista. Por eso, la inspección de voids en BGA depende por completo de los rayos X. En esta guía repasamos qué dice el estándar IPC-7095 y por qué la ubicación del void pesa más que su tamaño. Sobre todo, veremos cómo medirlos con la tomografía computarizada (CT X-ray). Esta técnica ofrece una precisión que la radiografía 2D no alcanza.
¿Qué es el estándar IPC-7095 y qué dice sobre los voids?
El IPC-7095, “Design and Assembly Process Implementation for BGAs”, es el documento de referencia para el diseño y ensamble de dispositivos Ball Grid Array (BGA) y Fine-Pitch BGA (FBGA). En concreto, cubre desde el patrón de lands y la estrategia de vías hasta la inspección, el retrabajo, el análisis de fallas y la confiabilidad. Su revisión más reciente es la IPC-7095D (2018).
Ahora bien, un punto clave que a menudo se malinterpreta es este: IPC-7095 es una guía de proceso e inspección, no un estándar de aceptación o rechazo por sí mismo. Es decir, describe cómo se forman los voids, cómo clasificarlos y cómo medirlos con equipo de rayos X. Sin embargo, delega el criterio formal de aceptación en J-STD-001 e IPC-A-610. Dicho de otro modo: IPC-7095 te enseña a entender el void. En cambio, IPC-A-610 te dice si pasa o no según la clase del producto.
Tipos de voids en uniones de soldadura BGA
No todos los voids son iguales ni tienen el mismo origen. Por eso, el primer paso de cualquier inspección seria es distinguir las familias que describen el estándar y la literatura técnica:
Macrovoids
Son los más comunes y estudiados. Se trata de huecos grandes en el cuerpo de la bola, generados sobre todo por la desgasificación del flux durante el reflow. Además, son el tipo alrededor del cual se escribió la regla general de aproximadamente 25 % de área.
Microvoids planares (planar microvoids)
Son pequeños huecos alineados en la interfaz entre la soldadura y el pad. Preocupan justamente porque se ubican donde tiende a propagarse la grieta, cerca de la capa intermetálica (IMC).
Voids de contracción (shrinkage voids)
Aparecen durante el enfriamiento por la contracción del metal, algo típico de aleaciones sin plomo tipo SAC. Por lo general presentan forma irregular o dendrítica.
Otros: pinhole, eggshell y voids de vía en pad
Finalmente, existen huecos superficiales tipo “cáscara de huevo” y los provocados por vías tapadas de forma incorrecta bajo el pad (via-in-pad). En cada caso, la geometría cambia las implicaciones para la confiabilidad.
Impacto de los voids en la confiabilidad
Aquí está el matiz más importante y menos intuitivo: la ubicación del void respecto a la trayectoria de la grieta pesa mucho más que su mera existencia o tamaño. De hecho, así lo recogen revisiones como “The Last Will and Testament of the BGA Void”. Según esos estudios, un void grande en el centro de la bola puede tener un efecto casi despreciable. En cambio, varios voids pequeños situados sobre la ruta de agrietamiento por fatiga aceleran la falla. A este fenómeno se le llama agrietamiento asistido por voids.
Por ejemplo, en pruebas de ciclado térmico, varios estudios (Smetana, Coyle y colaboradores) encontraron que el porcentaje de void en área o diámetro no correlaciona por sí solo con los ciclos a la falla. El void solo reduce la vida a fatiga cuando queda cerca de la trayectoria de la grieta. Por eso, saber dónde está el void resulta tan valioso como saber cuánto mide, y esa es la gran ventaja de la inspección de voids en BGA con CT.
El tamaño del void también cuenta
Lo que dicen los estudios. La evidencia no niega el papel del tamaño. Por ejemplo, un estudio en Microelectronics Reliability lo cuantificó. Los voids que superan el 50 % del área reducen la vida de la soldadura. En pruebas mecánicas, esa reducción va del 25 % al 50 %. Otro dato llega de Micromachines, con análisis por elementos finitos. Al superar un volumen crítico, una bola del anillo interno puede fallar antes que las del anillo externo. En resumen: tamaño y ubicación actúan combinados.
Cómo un void debilita la unión
En cuanto a los mecanismos, un void mal ubicado degrada la unión de tres formas. Primero, reduce la sección que conduce corriente, lo que eleva la resistencia eléctrica y el calentamiento local. Segundo, dificulta la disipación de calor y aumenta la resistencia térmica. Y tercero, concentra esfuerzos mecánicos que aceleran la fatiga termomecánica bajo ciclos de temperatura.
Criterios de aceptación: IPC-7095, IPC-A-610 y clase del producto
La regla que más se cita proviene de IPC-A-610. Para Clase 2, se admite hasta un 25 % de void en el área proyectada de una bola individual, con criterios acumulativos del orden del 30 %. En cambio, las aplicaciones de Clase 3 (alta confiabilidad: aeroespacial, automotriz de seguridad, médico) son más estrictas y suelen requerir 100 % de inspección por rayos X en cada BGA.
| Aspecto | Clase 2 (electrónica dedicada) | Clase 3 (alta confiabilidad) |
|---|---|---|
| Void individual (área proyectada) | aprox. 25 % | Más estricto (típicamente < 15 % por acuerdo) |
| Cobertura de inspección | Muestreo a nivel de lote | Con frecuencia 100 % de los BGA |
| Enfoque | Detectar defectos evidentes | Detectar uniones marginales que un muestreo omitiría |
Nota importante. Los umbrales exactos dependen de la revisión vigente del estándar y de los acuerdos entre cliente y fabricante. Por lo tanto, trata estos valores como referencia de trabajo y verifica siempre contra tu especificación y la revisión aplicable de IPC-A-610 / J-STD-001 antes de fijar criterios de liberación.
Cómo medirlos: rayos X 2D vs. CT X-ray para la inspección de voids en BGA
Todo equipo de rayos X funciona igual en el fondo. El haz atraviesa el ensamble; los materiales densos (soldadura) absorben más radiación y se ven oscuros, mientras que los voids se ven claros. Sin embargo, la diferencia real está en cuánta información tridimensional se puede reconstruir.
Rayos X 2D (transmisión)
Ofrece una vista superior o angulada, rápida y económica, ideal para detectar cortos, aperturas y voids grandes. No obstante, tiene una limitación importante: no aporta información en el eje Z. El porcentaje de void se calcula sobre el área proyectada. Por eso, el 2D no distingue dónde queda el hueco: en el centro de la bola o pegado a la interfaz con el PCB. Y ese es justo el dato más relevante para la confiabilidad. Además, en placas de doble cara sufre “sombreado” de los componentes del lado opuesto.
2.5D y vistas oblicuas
Al inclinar la muestra o el detector se separan bolas adyacentes y mejora la lectura de voids y puentes. Aún así, sigue siendo una proyección, no una reconstrucción volumétrica.
CT X-ray / 3D (tomografía computarizada)
La CT rota la muestra (típicamente 360 grados) y reconstruye un volumen. Gracias a ello, permite medir ubicación, tamaño y volumen reales de cada void y diferenciar un hueco en el centro de la bola de otro en la interfaz con el PCB o el BGA. En otras palabras, aporta exactamente la información que IPC-7095 asocia con el riesgo. El reporte de la NASA NEPP lo respalda. Documenta cómo la CT resuelve características 3D que el 2D no logra distinguir en ensambles BGA/CGA.
CT vs. laminografía. Ambas dan información en profundidad. Por un lado, la CT hace una rotación completa para reconstruir el volumen, con máxima precisión, ideal para análisis de falla y NPI. Por otro lado, la laminografía toma “capas” sin rotación completa: resulta más rápida y se adapta mejor a paneles planos en producción en línea. En definitiva, la elección depende de si priorizas velocidad o detalle volumétrico.
Flujo de medición de voids con CT X-ray, paso a paso
A grandes rasgos, la inspección de voids en BGA con tomografía sigue esta secuencia:
- Adquisición: primero se ajustan kV y magnificación según el espesor y la densidad del ensamble, para lograr contraste suficiente entre soldadura y void.
- Reconstrucción: después, el software del equipo convierte las proyecciones en un volumen 3D.
- Segmentación: luego se separan las bolas de soldadura y los voids mediante umbral, de modo que los huecos quedan aislados como vacíos internos.
- Cálculo del void ratio: a continuación se obtiene el porcentaje por área o por volumen para cada bola.
- Análisis y visualización: además, se genera un mapa de color por volumen de void, un histograma de frecuencia y la determinación pasa/no-pasa (OK/NG) según el umbral configurado.
- Reporte: por último, lo ideal es entregar imágenes reales y mapas de porcentaje de void, no solo un “pass/fail” de texto, para poder depurar el perfil de reflow.
Equipos para la inspección de voids en BGA
En Espectrometría e Instrumentación distribuimos la línea de inspección por rayos X de Shimadzu, pensada precisamente para este análisis:
- Xslicer SMX-6010: sistema microfoco que mide el diámetro de bump y el void ratio del BGA de forma automática. Usa un algoritmo propio de imagen y da una determinación pasa/no-pasa por relación de área. La serie incluye también el SMX-1010/1020 y CT inclinada para alta magnificación.
- Serie inspeXio SMX-CT (por ejemplo, inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus): CT industrial de alta resolución con análisis de defectos por histograma. Identifica los voids en un mapa de color por volumen. Además, es compatible con software avanzado tipo VGStudio MAX.
Asimismo, las notas de aplicación de Shimadzu (N130 y N132) muestran casos reales. Miden el void ratio en BGA a partir de imágenes 2D y de cortes de CT. Por lo tanto, son un buen respaldo técnico. Te ayudan a justificar la elección de equipo de rayos X ante calidad o ingeniería.
Buenas prácticas para reducir voids en el proceso
Detectar es solo la mitad; la otra mitad es prevenir. Por fortuna, con un proceso de ensamble bien ajustado, mantener el voiding por debajo del 25 % resulta alcanzable:
- Perfil de reflow adecuado: por lo general, un perfil “ramp-soak-spike” supera al “ramp-to-spike” para BGA, porque da tiempo a que el flux desgasifique antes de la fusión.
- Extender el soak: además, tiempos de reposo de unos 60 a 90 segundos permiten que los solventes del flux escapen antes de fundir la aleación.
- Enfriamiento controlado: asimismo, reduce los voids de contracción, típicos en soldadura sin plomo.
- Diseño e impresión: por último, cuida el volumen de pasta y el diseño de stencil, y tapa bien las vías en pad para evitar aire atrapado.
¿Necesitas verificar los voids de tus BGA?
Te ayudamos a analizar tus muestras por rayos X 2D y CT, y a interpretar los resultados frente a los criterios IPC. Solicita una demostración con tu propia pieza o un análisis de tus componentes.
Solicitar demo o análisisPreguntas frecuentes sobre voids en BGA
¿Qué porcentaje de void se acepta en un BGA?
Como referencia, IPC-A-610 admite alrededor de 25 % de void por bola individual en Clase 2. En Clase 3 el criterio es más estricto (típicamente por debajo del 15 %, por acuerdo). Aún así, el umbral exacto depende de la revisión del estándar y de tu especificación.
¿Por qué la ubicación del void importa más que el tamaño?
Porque el void solo compromete la unión cuando cae sobre la trayectoria de la grieta por fatiga. Por eso, varios voids pequeños en esa ruta dañan más que uno grande en el centro de la bola.
¿Cuál es la diferencia entre rayos X 2D y CT para medir voids?
El 2D entrega una proyección rápida, pero sin información de profundidad. En cambio, la CT reconstruye el volumen y revela ubicación, tamaño y volumen reales de cada void, que es lo que define el riesgo.
¿IPC-7095 define el criterio de aceptación de voids?
No directamente. IPC-7095 es una guía de proceso e inspección: explica cómo formar, clasificar y medir los voids, pero delega el pasa/no-pasa en IPC-A-610 y J-STD-001.
Conclusión
En definitiva, la inspección de voids en BGA dejó de ser opcional. Con las uniones ocultas bajo el encapsulado, los rayos X son la única vía práctica para juzgarlas. Además, cada norma cumple un papel distinto. IPC-7095 te da el marco para entender y clasificar los voids. IPC-A-610 fija el criterio de aceptación por clase.
Por su parte, la CT X-ray aporta lo que el 2D no puede: la ubicación y el volumen reales del void. Justo eso es lo que determina el riesgo. Por lo tanto, combinar el estándar correcto con el equipo adecuado marca la diferencia. Así se pasa de un “pasa/no-pasa” superficial a un control de calidad que predice el desempeño en campo.
El equipo que resuelve la inspección de voids en BGA
Todo lo anterior se realiza con los sistemas de rayos X y CT de Shimadzu que distribuimos en México. Si necesitas medir el void ratio de tus componentes o comparar 2D frente a CT sobre tu propia pieza, nuestro equipo de ingeniería te acompaña de principio a fin.
Ver el equipo de inspección por rayos X y CT Hablar con un ingenieroFuentes y lecturas recomendadas
- IPC-7095D, Design and Assembly Process Implementation for BGAs (índice oficial): electronics.org
- NASA NEPP, 3D X-ray CT for BGA/CGA Workmanship Defect Detection: nepp.nasa.gov
- “The Last Will and Testament of the BGA Void” (SMTnet): smtnet.com
- Effects of Voids on Thermal Fatigue Reliability of BGA Solder Joints (Micromachines): NCBI PMC
- Effect of voids on the reliability of BGA/CSP solder joints (Microelectronics Reliability): ScienceDirect
- Xslicer SMX-6010, medición de void ratio en BGA (Shimadzu): shimadzu.com
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