Warum verursacht HASL ständig Kurzschlüsse auf Ihren Feinraster-BGA-Leiterplatten?

Warum verursacht HASL ständig Kurzschlüsse auf Ihren Feinraster-BGA-Leiterplatten?

Das Monotonie-Problem, das niemand kalkuliert hat

Mir ist noch immer die erste Platine im Gedächtnis geblieben, die mir zeigte, dass ich eine Oberflächenbeschichtung ablehne. Bei einem Kunden feinraster-BGA layout – ein Netzwerk-ASIC mit 0,5-mm-Raster, umgeben von einem Ring aus 0402-Passivbauelementen – kam von der SMT-Bestückung mit 14 % der Panels zurück, bei denen Verbindungen fehlten. Alle Fehler traten an derselben Stelle auf: Lotbrücken zwischen BGA-Pads, die 0,3 mm voneinander entfernt sein sollten. Die Röntgenaufnahmen sahen so aus, als hätte jemand Lot über den gesamten BGA-Bereich gegossen.

Die erste Reaktion des Platinenherstellers war, die Stencil-Schablone zu beschuldigen. Dann die Lotpaste. Danach den Reflow-Prozess. Wir prüften alle drei Komponenten. Sie waren in Ordnung.

Dann stellte schließlich jemand die Frage, die während der Bestellung niemand gestellt hatte: Was ist die oberflächenbeschichtung ? Die Lösung war HASL – Löten mit Heißluft. Kosten gering, schnell – und für diese Leiterplatte absolut falsch. Der Kunde hatte pro Leiterplatte 0,11 USD beim Oberflächenfinish gespart. Die Kosten für Nacharbeit und Ausschuss bei dieser Fertigungscharge beliefen sich auf knapp unter 19.000 USD.

Was HASL tatsächlich mit einer Pad-Oberfläche macht

Um zu verstehen, warum HASL bei Feinraster-Leiterplatten versagt, muss man den Prozess kennen. Eine nackte Leiterplatte wird in ein Bad aus flüssigem Lot getaucht – in vielen modernen Fertigungsstätten bleifreies SAC305 – und anschließend durch einen Satz von Heißluftmessern gezogen, die das überschüssige Lot von der Oberfläche blasen. Ziel ist eine dünne, gleichmäßige Abdeckung aller freiliegenden Kupferpads.

Das ist die Theorie. Die Physik ist deutlich weniger kooperativ.

HASL-Dicke variiert extrem stark innerhalb einer einzelnen Leiterplatte. Abhängig von der Lötflächen-Geometrie, der Plattenorientierung und genau davon, wie die Luftklingen auftreffen, kann die Loteschichtdicke zwischen 1 Mikrometer und 40 Mikrometern liegen. Einige Lötflächen werden nahezu eben. Andere weisen eine sichtbare Löt-Kuppel auf. Dies stellt in einer hochpräzisen Fertigungsstätte kein Problem dar – es ist vielmehr eine grundsätzliche Eigenschaft des Verfahrens. Jede HASL-Leiterplatte weltweit weist dieses Merkmal auf.

Auf einer groben Leiterplatte mit 1-mm-Lötflächen und großem Abstand ist ein Höhenunterschied von 20 Mikrometern zwischen benachbarten Lötflächen bedeutungslos. Die Lackschicht erfüllt ihre Funktion, die Bauteile sind groß, und alles funktioniert.

Auf einer feinraster-BGA auswirkung: Die Zahlen erzählen eine ganz andere Geschichte. Ein BGA mit 0,5-mm-Pitch weist Lötflächen von etwa 0,25 mm Größe auf. Ein BGA mit 0,4-mm-Pitch – besonders verbreitet in Konsum- und Industrieprodukten – weist Lötflächen von knapp 0,2 mm Größe auf. Rechnen wir weiter: Eine Lotkuppel von 25–40 µm Höhe auf einer 200-µm-Lötfläche bedeutet eine Höhenabweichung von 12–20 %. Bei den Hunderten von Lötflächen unter einem einzigen BGA entsteht eine Oberfläche, die eher einer kleinen Gebirgskette als einer ebenen Landefläche gleicht.

BGA-Lotsphären kümmern sich nicht um Hügel. Sie benötigen Ebene.

Zwei Ausfallmodi, eine Ursache

Die unregelmäßige HASL-Oberfläche verursacht die beiden klassischen BGA-Mängel: lötkontakt und offene Schaltkreise . Sie wirken wie Gegensätze, haben aber dieselbe Ursache: Die Kugeln landen nicht dort, wo das Design sie vorgesehen hatte.

Lötbriickenbildung tritt an den Extremen auf . Wo eine HASL-Kuppel am höchsten ist, erstreckt sich die Lötmasse seitlich über die nominelle Begrenzung der Pads hinaus. Bei einem Abstand von 0,3 mm reicht dies aus, um den Abstand zwischen benachbarten Pads erheblich zu verringern. Wenn die BGA-Kugel beim Reflow schmilzt und die lötpaste schmilzt, bilden die zusätzliche Lötmasse durch die HASL-Oberfläche und der geringere Abstand eine ideale Voraussetzung für Brücken. Die Lötmasse muss nicht stark fehlausgerichtet sein – sie muss lediglich einen Weg über eine Lücke finden, die bereits durch die Beschichtung verkleinert wurde.

Unterbrechungen in Schaltungen treten am entgegengesetzten Extrem auf. Die Lotkugeln eines BGA-Gehäuses sind beim Verlassen des Zulieferers planparallel innerhalb weniger Mikrometer. Auch die Leiterplatten-Pads müssen planparallel sein – das ist der gesamte Sinn des Begriffs »Land« im Ausdruck »Landmuster«. Wenn einige Pads bis zu 30 Mikrometer höher liegen als ihre unmittelbaren Nachbarn, berühren die abgerundeten BGA-Kontakte während der Platzierung und des Reflows zunächst die höher liegenden Pads. Die tiefer liegenden Pads können dadurch zu einer schwachen Verbindung, einer teilweisen Verbindung oder gar keiner Verbindung führen. Solche Fehler bestehen häufig eine schnelle visuelle Prüfung und treten später erst bei der funktionalen Endprüfung auf – oder noch schlimmer: Monate später im Feld.

Es gibt zudem ein drittes, weniger offensichtliches Problem. Druck mit Lötmasse setzt eine ebene Oberfläche voraus. Die Stencil-Apertur ist so ausgelegt, dass sie exakt die vorgesehene Menge Lotpaste auf jedes Pad aufbringt. Auf einer HASL-Kuppel verteilt sich die Paste ungleichmäßig, wird an der Spitze dünner und sammelt sich an den Seiten. Selbst Leiterplatten, die keine Brücken bilden, können daher ungleichmäßige lötverbindungen aufweisen volumina im gesamten BGA – was sich später als Nichtigkeitserklärung und Integritätsbedenken auswirkt.

Warum jemand überhaupt noch HASL bei einer BGA-Leiterplatte spezifiziert

Niemand entwickelt eine Leiterplatte und behauptet: „Ich hätte gern ein paar Lötbrücken, bitte.“ HASL wird aus drei Gründen gewählt, und alle drei sind leicht verständlich.

Kosten hASL ist die kostengünstigste Oberflächenbeschichtung in der Fertigung, und bei großen Stückzahlen summiert sich die pro-Platine anfallende Kosten-Differenz gegenüber ENIG – elektrolos abgeschiedenem Nickel mit Immersionsgold – beträchtlich. Bei einer Leiterplatte ohne feinverdrahtete Komponenten ist diese Kosteneinsparung gerechtfertigt. Das Problem entsteht, wenn dieselbe Preisbegründung auf eine Leiterplatte angewandt wird, die nur ein einziges BGA enthält. Ein einzelnes Bauteil mit 0,4-mm-Pitch reicht bereits aus, um HASL für die gesamte Leiterplatte unzulässig zu machen – doch die Beschaffungsentscheidung zieht diesen Schluss nicht immer.

Vertrautheit . HASL ist bereits seit Jahren im Einsatz. Ältere Ingenieure und Einkaufsgruppen haben es bei jeder Leiterplatte verwendet, die sie jemals hergestellt haben, und es hat sie niemals enttäuscht. Was ihnen jedoch nicht immer bewusst ist: Ihre älteren Designs enthielten Bauteile mit 0,8-mm- oder 1,0-mm-Rastermaß. Der branchenübliche Rasterabstand hat sich in den letzten fünf Jahren deutlich verringert, und die Oberflächenbeschichtung, die bei den alten Leiterplatten funktionierte, ist nicht mehr geeignet.

Werkseinstellungen . Dieser Fall frustriert mich am meisten. Überraschend viele Leiterplattenhersteller setzen standardmäßig auf HASL, wenn ein Kunde keine Oberflächenbeschichtung angibt – einfach weil es ihre kostengünstigste und höchstdurchsatzfähige Produktionslinie ist. Die Bestellung wird aufgegeben, das Feld für die Oberflächenbeschichtung bleibt leer, und HASL wird automatisch gewählt. Niemand prüft, ob die Leiterplatte feinrasterige Bauteile enthält. Der Kunde bemerkt das Problem erst beim ersten Montagedurchlauf.

Was der Markt tatsächlich empfiehlt

Der hier gegebene Rat ist unumstritten – jede bedeutende Leiterplattenhersteller- und Normenorganisation stellt dasselbe fest. Für feinraster-BGA-Bestückung (0,5-mm-Rasterweite und darunter) ENIG ist die ENIG-Oberfläche (Electroless Nickel Immersion Gold) die übliche Wahl. Die Nickelschicht (typischerweise 3–6 Mikrometer) wird durch eine autokatalytische Reaktion abgeschieden, wodurch sie atomgenau der Pad-Geometrie folgt, statt mittels Heißluft aufgeblasen zu werden. Der Immersionsgold-Auftrag (0,05–0,1 Mikrometer) schützt das Nickel und liefert eine ebene, lötbare Oberfläche. Das Ergebnis: pad-Ebenheit gemessen in Mikrometern statt in Zehnerpotenzen von Mikrometern.

Ausrüstung oSP (Organic Solderability Preservative) – eine natürliche Lötfähigkeitschemikalie – ist die ebene, kostengünstige Alternative. Der organische Film ist lediglich 0,2–0,5 Mikrometer dick und verändert die Pad-Höhe überhaupt nicht. Die Nachteile sind real: OSP weist eine kürzere Lagerfähigkeit auf (üblicherweise 6–12 Monate), erfordert sorgfältige Handhabung, und der Film verbrennt beim ersten Reflow-Prozess vollständig ab, wodurch blankes Kupfer freigelegt wird.

Es gibt Situationen, in denen HASL weiterhin der richtige Telefonanruf bleibt: Leiterplatten mit überwiegend Durchstecktechnik, Grob-Pitch-Designs und Produkte, bei denen zahlreiche Reflow-Zyklen und lange Lagerzeiten wichtiger sind als fein strukturierte Gleichförmigkeit. Der Schlüssel liegt darin, diese Entscheidung bewusst auf Grundlage des tatsächlichen Bauteilsatzes zu treffen – und nicht standardmäßig nachzugeben.

Die Kostenrechnung, die niemand durchführen möchte

Stellen wir die Zahlen nebeneinander, denn genau hier fällt die Entscheidung wirklich.

Bei einer Serie von 5.000 Leiterplatten liegt dieser Betrag irgendwo zwischen 500 USD und 2.500 USD. Eine bedeutende Summe, doch klein im Vergleich zu dem, was folgt.

Eine einzige, unbemerkte BGA-Lötschweißbrücke verursacht Kosten für das Endprodukt. Eine Ausschussrate von 14 Prozent – die ich zu Beginn dieses kurzen Artikels nannte – verursacht Kosten für Nacharbeit, Ersatzkomponenten, beschleunigten Versand und ausgefallene Fertigungskapazität. Im konkreten Fall dieses Kunden beliefen sich die Einsparungen durch die Wahl von HASL auf rund 550 Dollar bei dieser Bestellung. Die Gesamtkosten betrugen 19.000 Dollar. Das Verhältnis verbessert sich nicht mit steigendem Volumen; es verschlechtert sich vielmehr, weil Ausfälle im Feld erst nach Auslieferung des Produkts auftreten.

Wenn Sie eine Leiterplatten-Oberflächenbeschichtung spezifizieren und das Design eine Feinraster-BGA enthält, stellen Sie dem Leiterplattenhersteller eine Frage: Wie lautet die Spezifikation zur Pad-Koplanarität bei dieser Oberflächenbehandlung? Wenn er keine konkrete Zahl nennen kann oder die Antwort etwa lautet: »Das hängt davon ab, wo die Luftstrahldüsen getroffen haben«, dann haben Sie Ihre Antwort bereits erhalten.

Eine ebene Oberfläche ist bei einer BGA-Leiterplatte keine Luxusausstattung. Sie ist der entscheidende Punkt.