Hvorfor giver HASL stadigvæk kortslutninger på dine fine-pitch BGA-kort?

Hvorfor giver HASL stadigvæk kortslutninger på dine fine-pitch BGA-kort?

Monotoniproblemet, som ingen havde taget højde for i prisen

Jeg husker stadig den første plade, der lærte mig at mislike en overfladebelægning. En kundes fin-pitch BGA layout – en netværks-ASIC med 0,5 mm pitch omgivet af en ring af 0402-passivkomponenter – kom tilbage fra SMT-monteringsprocessen med 14 % af panelerne uden korrekt forbindelse. Fejlene opstod alle på samme sted: solderbroer mellem BGA-pads, der skulle have været 0,3 mm fra hinanden. Røntgenbillederne lignede, som om nogen havde hældt solder over hele BGA-området.

Pladeproducentens første instinkt var at skyde skylden på stencilen. Derefter på solderpastaen. Og så på reflow-processen. Vi undersøgte dem alle. De var i orden.

Så spurgte en person endelig det spørgsmål, som ingen havde stillet under bestillingen: hvad er den overfladebelægning ? Løsningen var HASL – hårdluft-lodning i fremrykning. Lav omkostning, hurtig og absolut forkert for dette kredsløb. Kunden havde sparet 0,11 USD pr. kredsløb på overfladebehandlingen. Omkostningerne til reparation og udskiftning for denne produktionsomgang udgjorde knap 19.000 USD.

Hvad HASL faktisk gør ved en kontaktflades overflade

For at forstå, hvorfor HASL ikke fungerer på kredsløb med fin pitch, skal du forstå processen. Et rå kredsløb nedsænkes i et bad af smeltet lod – blyfrit SAC305 i mange moderne fabrikker – og trækkes derefter igennem et sæt hårdluftknive, der blæser det overskydende lod væk fra overfladen. Målet er en tynd, jævn belægning over hver synlig kobberkontaktflade.

Det er konceptet. Fysikken er langt mindre samarbejdsvillig.

HASL-tykkelse varierer ekstremt på ét enkelt kredsløbskort. Afhængigt af kontaktfladens geometri, kortets orientering og præcis hvordan luftblæserne rammer, kan tinlaget variere fra 1 mikrometer til 40 mikrometer. Nogle kontaktflader ender næsten helt jævne. Andre ender med en synlig tinbue. Dette er ikke et problem i en detaljeret fremstillingsfacilitet – det er en grundlæggende egenskab ved processen. Alle HASL-kredsløbskort verden over har dette.

På et groft kredsløbskort med 1 mm kontaktflader og bred afstand mellem dem er en højdeforskel på 20 mikrometer mellem nabokontaktflader uden betydning. Lakkens isolerende funktion virker, komponenterne er store, og alt fungerer.

På en fin-pitch BGA påvirkning, tallene fortæller en forskellig historie. En BGA med pitch på 0,5 mm har pads på omkring 0,25 mm i størrelse. En BGA med pitch på 0,4 mm – meget almindelig i forbruger- og industriprodukter – har pads tæt på 0,2 mm. Nu læg matematikken sammen: en solderdome på 25–40 mikrometer på en pad på 200 mikrometer udgør en variation i pad-højden på 12–20 %. På de hundredvis af pads under én enkelt BGA får man en overflade, der minder om en lille bjergkæde frem for et jævnt landingsområde.

BGA-solderkugler er ikke tiltrukket af bakker. De kræver jævnhed.

To fejlmåder, én rodårsag

Den uregelmæssige HASL-overflade fremkalder de to traditionelle BGA-fejl: solderforbindelse og åbne kredsløb . De ser ud til at være modsætninger, men har samme oprindelse – kuglerne lander ikke længere dér, hvor designet antog, at de ville gøre det.

Solderbrodannelse sker ved ekstremerne . Hvor en HASL-dome er højest, udvider loddaget sig sidelæns ud over padens nominelle grænse. Ved et mellemrum på 0,3 mm er det tilstrækkeligt til at mindske afstanden mellem omkringliggende pads betydeligt. Når BGA-kuglen smelter og soldepasta smelter, er kombinationen af ekstra lod fra HASL-afslutningen og den reducerede afstand en recept for brodannelse. Loddet behøver ikke at være kraftigt misjusteret – det skal blot finde en vej over en sprække, der allerede er indsnævret af belægningen.

Åbne kredsløb opstår ved den modsatte ekstrem. En BGA-pakkes lodkugler er koplanære inden for et par mikrometer, når de forlader leverandøren af planlægning. Kortets pads skal også være koplanære – det er hele pointen med »land« i »land pattern«. Når nogle pads ligger 30 mikrometer højere end deres nabopads, rører BGA-kuglerne først de højere pads under placering og omsmeltning. De lavere pads kan resultere i en svag forbindelse, en delvis forbindelse eller slet ingen forbindelse. Dette er fejl, der passerer en hurtig visuel kontrol og senere opdages som periodiske fejl ved funktionsprøvning – eller værre: måneder senere i brug.

Der er også et tredje, mere diskret problem. Lødningspastedrukning forudsætter en plan overflade. Stencilåbningen er designet til at afsætte en præcis mængde pasta på hver pad. På en HASL-halvkugle spreder pastaen sig uregelmæssigt, bliver tyndere øverst og samler sig langs siderne. Selv kredsløbskort, der ikke får kortslutninger, kan ende med inkonsistente lodforbindelser - Det er en fejl. - Det er en fejl.

Hvorfor nogen stadig angiver HASL på et BGA-kort

Ingen udvikler et bræt og siger: "Jeg vil gerne have nogle soldebroer, tak". HASL defineres af tre faktorer, og alle tre er lette at forstå.

Omkostning - Hvad? HASL er den mest overkommelige overfladebelagning i fremstillingen, og i mængde er deltaet pr. ENIG - Elektrisk nikkelfortynding guld - opbygger. For et bræt uden fine komponenter er det et godt tegn på at man kan spare. Problemet er, når samme prisbegrundelse bliver sat på et bræt, der indeholder en enkelt BGA. En 0,4 mm-stik er nok til at gøre HASL for hwole-pladen ugyldig, men det er ikke altid denne forbindelse, der er fastlagt i beslutningen om overtagelse.

Bekendt . HASL har faktisk været i brug i årevis. Ældre ingeniører og indkøbsgrupper har brugt det på alle kredsløbskort, de nogensinde har bygget, og det har aldrig forårsaget problemer for dem. Det, de ikke altid er opmærksomme på, er, at deres ældre designs indeholdt komponenter med 0,8 mm eller 1,0 mm pitch. Branchens almindelige pitch er faldet betydeligt de seneste 5 år, og den overfladebehandling, der fungerede på de gamle kredsløbskort, kan ikke anvendes direkte på de nye.

Fabriksstandardindstillinger . Dette er det, der frustrerer mig mest. Et uventet stort antal kredsløbskort får som standard HASL, når kunden ikke angiver en overfladebehandling, fordi det er deres billigste og hurtigste produktionslinje. Bestillingen indsendes, feltet for overfladebehandling efterlades tomt, og HASL anvendes derfor som standard. Ingen stiller spørgsmålet, om kredsløbskortet indeholder komponenter med fin pitch. Kunden opdager problemet ved den første monteringsrunde.

Hvad markedet faktisk anbefaler

Rådet her er ikke kontroversielt – alle betydningsfulde brætbo- og standarddokumenter siger det samme. For fin-pitch BGA-montering (0,5 mm pitch og lavere) ENIG er det almindelige valg. Nikellaget (typisk 3–6 mikron) aflejres ved kemisk reduktion, hvilket betyder, at det følger kumlenes geometri atom for atom i stedet for at blæses på med varm luft. Immersionsguldfilmen (0,05–0,1 mikron) beskytter nikellen og sikrer en plan, lodbar overflade. Resultatet er: kumlens planhed målt i mikron i stedet for tiere af mikron.

Osp – naturlig lodbarhedsbehandling – er den plane, billige alternativ. Den organiske film er kun 0,2–0,5 mikron tyk og ændrer slet ikke kumlens højde. Kompromiserne er reelle: OSP har en kortere holdbarhed (typisk 6–12 måneder), kræver omhyggelig håndtering, og filmen forbrændes under den første reflov, hvorved rå kobber bliver synligt.

Der er situationer, hvor HASL stadig er det rigtige valg til telefonopkald: printplader med primært gennemgående huller, design med grov pitch og produkter, hvor mange reflow-cykler og lang opbevaringstid er mere afgørende end monoton præcision i fine detaljer. Nøglen er at træffe dette valg bevidst, baseret på den faktiske komponenttype – ikke som en standardpraksis.

Omkostningsberegningerne, som ingen ønsker at udføre

Lad os stille tallene side om side, for her bliver valget virkelig truffet.

Ved en produktion på 5.000 printplader ligger beløbet et sted mellem 500 og 2.500 USD. Et betydeligt beløb, men lille i forhold til det, der følger.

En enkelt BGA-lodbro, der undgår inspektion, koster et færdigt produkt. En udvalgsfejlrate på 14 % – den, jeg startede denne korte artikel med – koster ombygningsarbejde, erstatningskomponenter, hastforsendelse og tabt fremstillingskapacitet. I den pågældende kundes tilfælde udgjorde besparelsen ved at vælge HASL cirka 550 USD på den ordre. Omkostningerne beløb sig til 19.000 USD. Forholdet forbedres ikke ved større mængder; det bliver faktisk værre, fordi fejl i brugsmiljøet opstår, efter at produktet er afsendt.

Hvis du specificerer en PCB-overflade belægning, og designet indeholder en BGA med lille pitch, så stille producenten af kredsløbskortet ét spørgsmål: Hvordan ser specifikationen for pladens coplanaritet ud med denne overfladebehandling? Hvis de ikke kan svare med et tal, eller hvis svaret indebærer «det afhænger af, hvor luftskarvene rammer», har du dit svar.

Den flade overflade er ikke en luksus på et BGA-kort. Den er hele pointen.