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Der RÖNTGEN das Bild erzählte die ganze Geschichte – doch niemand hatte vor, es zu prüfen. Eine Verbraucher-Leiterplatte – ein dickes Modul, das um ein BGA mit 0,5-mm-Pitch entwickelt worden war – war tatsächlich mit einer Ausbeute von nur 9 % beim ersten Durchlauf zurückgekommen. reflow die fehlerhaften Lötstellen fehlten nicht. Sie waren dünn. Die Röntgenaufnahme zeigte Lötstellen, die aussahen, als hätten sie eine Diät gemacht: teilweise gefüllt, solderarm, wobei einige deutlich an der Grenze zu offenen Verbindungen lagen.
Wir prüften die üblichen Verdächtigen. Die Stencil war in Ordnung – kein Problem. Das lötpaste volumen lag innerhalb der Spezifikation – kein Problem. Das Reflow-Profil entsprach der Empfehlung des Lotpastenherstellers – kein Problem.
Dann drehte ein Ingenieur die Leiterplatte um und bemerkte etwas auf der Unterseite. Genau unter dem BGA-Bereich waren die Vias voller Lot. Nicht ein bisschen – bis zum Rand gefüllt, wie winzige Metallrohre.
Der Layout-Entwurf hatte vias direkt in die Pads platziert – Via-in-Pad, das Formatverfahren, das dichte BGA-Leitungen ermöglicht – und niemand hatte zuvor tatsächlich über das Verstopfen definiert. Während des Reflows verhielt sich das geschmolzene Lot so, wie geschmolzenes Lot sich immer verhält, wenn es auf ein offenes Loch trifft: Es floss hinein. Die Verbindungen dahinter litten darunter.
Hier ist der Mechanismus auf seine Grundlagen reduziert. Wenn Lotpaste im Reflow-Ofen schmilzt, wird sie flüssig. Flüssiges Lot benetzt Kupfer – genau das macht das Löten überhaupt erst möglich. Eine offene Durchkontaktierung in der Mitte einer Pads ist ein kupferbeschichtetes Rohr, das direkt senkrecht in die Leiterplatte führt. Das geschmolzene Lot muss nicht hineingepresst werden. Kapillarkräfte ziehen es stattdessen in den Durchkontaktierungs-Zylinder, genauso wie Wasser ein Papiertuch hochzieht.
Die Menge an Lot, die eine Durchkontaktierung aufnehmen kann, ist durchaus von Bedeutung. Betrachten Sie eine typische Anordnung: Eine 0,25-mm-Bohrung in einer BGA-Pad-Anordnung mit 0,4-mm-Rasterweite. Eine 0,25-mm-Bohrung bei einer Plattdicke von 1,6 mm besitzt ein inneres Volumen von etwa 0,08 Kubikmillimetern. Eine übliche Stencil-Vorlage für dieses Pad trägt zwischen 0,1 und 0,15 Kubikmillimetern Paste auf – und nach dem Aushärten enthält die Paste nur etwa die Hälfte ihres Volumens an metallischem Anteil. Mit anderen Worten: Eine einzige offene Durchkontaktierung kann nahezu die gesamte für die Lötverbindung vorgesehene Lotmenge aufsaugen. In manchen Fällen sogar die gesamte Menge.
Das ist die mathematische Grundlage des Problems. Es handelt sich nicht um ein geringfügiges Ergebnis. Es ist nicht so, dass man „häufig eine etwas schwächere Verbindung erhält“. Eine nicht verschlossene Durchkontaktierung in einem BGA-Pad kann die gesamte für diese Verbindung vorgesehene Lotmenge aufnehmen und hinterlässt damit eine Verbindung, die entweder offen bleibt oder so stark lotarm ist, dass sie bereits nach wenigen Monaten unter thermischem Wechsel versagt.
Niemand platziert absichtlich eine Leiterplatten-Bohrung (Via) direkt in einer Lötfläche (Pad). Die Via-in-Pad-Strategie existiert, weil sie die einzige Möglichkeit ist, die Anschlüsse eines feinverteilten BGA (Ball Grid Array) zu verbinden. Bei Pitch-Werten unter etwa 0,5 mm bleibt zwischen den Pads kein Platz für das übliche Dog-Bone-Routing – also für kurze Leiterbahnen, die von der Lötfläche zu einer seitlich positionierten Bohrung führen. Stattdessen muss die Lötfläche selbst die Bohrung aufnehmen; andernfalls lässt sich das Layout überhaupt nicht realisieren.
Die Methode ist daher zulässig – und sogar stark erforderlich. Was jedoch Verwirrung stiftet, ist die Voraussetzung: Eine Bohrung in einer Lötfläche ist nur dann zulässig, wenn sie fachgerecht verarbeitet wird. Die Layoutdaten müssen „durchgehend“ angeben. Die Fertigungsanweisung muss ausdrücklich lauten: „Diese Bohrung füllen und verschließen“ – andernfalls stellt die Leiterplattenfertigung die Bohrung lediglich als einfaches, metallbeschichtetes Loch her, genau wie im Layout dargestellt. Das Ergebnis: Die fertige Leiterplatte enthält zahlreiche kleine, lötstoffhungrige Röhrchen unter dem BGA.
Ich habe die Serie tatsächlich dreimal in den letzten zwei Jahren durchlaufen sehen. Ein Entwickler verwendet Via-in-Pad, um ein dichtes Bauteil anzuschließen. Die hervorragenden Anmerkungen behandeln den Aufbau (Stack-up), das Produkt und die Kupferdicke – aber nichts zum Thema Via-Behandlung. Das Leiterplattenhaus zitiert und fertigt die Platine ohne Rückfrage, da sein System ein nicht spezifiziertes Via als offenes Durchgangs-Via (open through) interpretiert. Beim ersten Aufbau-Lauf wird das Problem entdeckt. Das Schuldzuweisungsspiel beginnt. Niemand gewinnt.
Die Ausfallmodi durch Lotwandern beschränken sich nicht auf dünne Lötstellen. Es gibt vier davon – und sie häufen sich:
Lotmangel und Unterbrechungen: Die Lötstellen enthalten weniger Lot, als erforderlich wäre. Im schlimmsten Fall benetzt die BGA-Kugel die Pads überhaupt nicht, und es entsteht eine Unterbrechung, die erst bei der Funktionsprüfung – oder noch schlimmer – im Feld auffällt.
Spalte. Selbst wenn die Lötstelle optisch in Ordnung erscheint, hinterlässt Lot, das nicht korrekt in die Durchkontaktierung (Via) eingedrungen ist, häufig Hohlräume. Diese Lufteinschlüsse in BGA-Verbindungen erhöhen den elektrischen Widerstand und bilden Spannungskonzentrationsstellen. Unter thermischem Wechsel belastet dehnen sie sich aus. Eine solche fehlerhafte Verbindung besteht die Röntgenprüfung im Werk, versagt aber bereits nach 14 Monaten.
Entgasung. Nicht verbundene Vias können Flussmittelrückstände, Feuchtigkeit und Handhabungschemikalien im Bohrloch einschließen. Während des Reflows verdampft diese Kontamination und treibt Blasen durch das geschmolzene Lot nach oben. Im schlimmsten Fall spritzt Lot aus der Via auf benachbarte Pads – ein Fehler, der zwei nicht miteinander verbundene Leiterbahnen kurzschließen und eine äußerst schwer zu lokalisierende Störung verursacht.
Lötkugeln. Lot, das von einer nicht bestückten Durchkontaktierung auf der zweiten Seite austritt, kann sich unterhalb der Leiterplatte als lose Kugeln absetzen. Lose leitfähige Partikel innerhalb eines Gehäuses stellen einen wiederkehrenden Kurzschluss dar, der nur darauf wartet, aufzutreten.
Jede dieser fehlerhaften Einstellungen ist vermeidbar. Jede davon bleibt derzeit unbemerkt, sobald sie entwickelt wird – der Schaden entsteht innerhalb des Via-Bohrkanals während eines 30-Sekunden-Fensters im Reflow-Ofen.
Glücklicherweise: Dieses Problem hat eine klar definierte, standardisierte Lösung. Das Problem: Sie muss explizit angefordert werden, da sie zusätzliche Kosten verursacht und nicht automatisch erfolgt.
Via-Verbindung ist die Mindestanforderung – das Auffüllen des Via-Bohrkanals mit einem Material, sodass Lot nicht eindringen kann. Für via-in-Pad anwendungen ist die gängige Praxis via-Auffüllung plus Kappe-Beschichtung : Der Via-Bohrkanal wird mit einem leitfähigen oder nichtleitfähigen Harz gefüllt, das Harz wird gehärtet und plan geschliffen, anschließend wird eine Kupferkappe darüber aufgebracht. Das Ergebnis ist eine Pads-Oberfläche, die sich in jeder Hinsicht identisch verhält wie ein Pad ohne Via. Die Lotpaste liegt auf massivem Kupfer – genau wie vom Stencil-Design vorgesehen.
Die Branche klassifiziert dies unter Sicherheitsaspekten nach IPC-4761 , das sieben Arten von Sicherungsmethoden spezifiziert, von einfacher Abdeckung bis hin zu vollständig gefüllten und verschlossenen Konstruktionen. Für Via-in-Pad sind die relevanten Arten die gefüllten – Typ IV (gefüllt und abgedeckt) und Typ VII (gefüllt und mit zusätzlicher Maske verschlossen). Der folgende Unterschied führt häufig zu Missverständnissen: abdeckung – bei der die Bohrung lediglich beidseitig durch Lötstoppmaske abgedeckt ist – eignet sich NICHT für Via-in-Pad. Die Abdeckung verhindert zwar, dass Lot in die Bohrung auf der Oberfläche eindringt, doch die Maske kann sich unter thermischer Belastung spalten, und sie bietet keinerlei Schutz vor Entgasung oder Verunreinigungen, die sich in der Bohrungswand befinden. Abdeckung wird für Durchkontaktierungen zwischen Leiterbahnen, nicht innerhalb von Pads, verwendet.
zwei weitere Informationen, die in der Fertigung von Bedeutung sind:
Erstens: Auswahl des Füllmaterials. Leitfähig kupfergefüllte Epoxidharz-Materialien werden gewählt, wenn die Durchkontaktierung Strom leiten muss – sie gewährleisten den elektrischen Pfad über das Pad. Nicht-leitend harz ist akzeptabel, wenn die Durchkontaktierung lediglich mechanisch geschlossen werden muss. Diese Option beeinflusst Kosten und elektrische Leistung und sollte im Rahmen der Designfreigabe – nicht erst während der Fertigung – festgelegt werden.
Zweitens: die Füllqualität. Eine teilweise gefüllte Durchkontaktierung ist genauso problematisch wie eine offene – wenn das Material auf halber Strecke durch den Bohrkanal stehen bleibt, bleibt unter der Padsfläche weiterhin ein Hohlraum bestehen, der Verunreinigungen aufnehmen und während des Reflows ausgasen kann. Die IPC-Richtlinien verlangen im BGA-Bereich nahezu vollständig blasenfreie Füllung; ein kompetenter Fertiger wird daher von jeder Produktionsplatine stets eine Probenkupplung zur Querschnittsanalyse entnehmen, um dies nachzuweisen. Falls Ihr Lieferant Ihnen diese Querschnittsdaten nicht vorlegen kann, fragen Sie nach dem Grund.
Sofern die Leiterplatte dies zulässt, stellt die sauberste Lösung dar, Via-in-Pad vollständig zu vermeiden. Dog-bone-Routing – eine kurze Leiterbahn vom Pad zu einer benachbarten Durchkontaktierung („dog-bone“) – ist die klassische Lösung und beseitigt das Problem an der Quelle. Der Nachteil ist der Platzbedarf: Die „dog-bone“-Anordnung benötigt mehr Fläche, und bei Pitch-Werten unter 0,4 mm passt sie häufig nicht mehr.
Es gibt auch die Möglichkeit, durchkontaktierungen direkt in den Pads (via-in-pad) nur dort anzuordnen, wo sie wirklich erforderlich sind . Eine Leiterplatte kann die meisten ihrer Leiterbahnen mit der „dog-bone“-Methode routen und für die BGA-Pinreihen, bei denen keine andere Lösung möglich ist, via-in-pad verwenden. Diese hybride Methode reduziert die Anzahl der zu füllenden Durchkontaktierungen – und genau hier liegen die wesentlichen Herstellungskosten –, ohne die Routbarkeit einzuschränken.
Die Lösung für diese gesamte Problemgruppe lässt sich auf einen einzigen Satz in den Fertigungsanweisungen reduzieren: Alle Durchkontaktierungen in Bauteilpads müssen gemäß IPC-4761 Typ IV/VII gefüllt und abgedeckt werden; die füllungsfreie Ausführung ist durch Querschnittsanalyse zu bestätigen.
Dieser Satz kostet Sie praktisch nichts an Schreibaufwand. Er vermeidet Nacharbeit, Ausschuss, Flächenmängel und Streit darüber, wessen Fehler es ist.
Hier ist ein Test, den Sie an Ihrer nächsten Leiterplatte vor dem Versand an die Fertigung durchführen können: Öffnen Sie Ihre Konstruktionsdaten, zählen Sie die Via-Bohrungen, die Solder-Pads berühren oder in sie hineinreichen, und fragen Sie sich, was verhindern wird, dass flüssiger Lot in sie eindringt. Wenn die Antwort lautet: „Nichts“, haben Sie das Problem entdeckt, bevor es Sie einen kompletten Fertigungslauf gekostet hat. Das ist die kostengünstigste Korrekturmaßnahme in diesem Bereich – und sie steht jedem zur Verfügung, der dreißig Sekunden Zeit investiert, um hinzusehen.
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