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ENLACES RÁPIDOS
Todavía recuerdo con claridad la primera placa que me hizo desagradar un acabado superficial. La de un cliente bGA de paso fino diseñada —una ASIC de red de 0,5 mm de paso rodeada por un anillo de pasivos de tamaño 0402— regresó de La configuración SMT con el 14 % de los paneles presentando conexiones deficientes. Todos los fallos ocurrían en el mismo lugar: puentes de soldadura entre las pistas BGA cuya separación debía ser de 0,3 mm. Las imágenes radiográficas parecían tomadas tras verter soldadura sobre toda la zona BGA.
La primera reacción del equipo de la placa fue culpar a la plantilla. Luego a la pasta de soldadura. Después al perfil de reflujo. Examinamos cada uno de ellos. Estaban perfectos.
Entonces alguien finalmente planteó la pregunta que nadie había formulado durante el pedido: ¿cuál es el revestimiento superficial ¿La solución fue HASL — la soldadura con aire caliente. De bajo costo, rápida y absolutamente inadecuada para esta placa. El cliente había ahorrado 0,11 dólares estadounidenses por placa en el acabado. Los costos de retrabajo y desecho para esa serie de fabricación ascendieron a poco menos de 19 000 dólares estadounidenses.
Para comprender por qué el proceso HASL no funciona en placas de paso fino, debe conocerse dicho proceso. Una placa desnuda se sumerge en un baño de soldadura fundida —SAC305 sin plomo en muchas fábricas modernas— y luego se pasa entre un par de cuchillas de aire caliente que eliminan el exceso de soldadura de la superficie. El objetivo es obtener una capa fina y uniforme sobre cada pista de cobre expuesta.
Ese es el concepto. La física son mucho menos cooperativas.
Grosor del acabado HASL varía enormemente en una sola placa. Dependiendo de la geometría de las pistas, la orientación de la placa y exactamente cómo impactan las cuchillas de aire, el grosor de la capa de soldadura puede oscilar entre 1 micrómetro y 40 micrómetros. Algunas pistas terminan prácticamente planas; otras, con una cúpula visible de soldadura. Esto no constituye un problema en una instalación de fabricación detallada: es una característica fundamental del proceso. Todas las placas HASL del mundo presentan este fenómeno.
En una placa rudimentaria con pistas de 1 mm y espaciado amplio, una diferencia de altura de 20 micrómetros entre pistas adyacentes carece de relevancia. La máscara de soldadura cumple su función, los componentes son grandes y todo funciona correctamente.
En un bGA de paso fino el impacto: los números cuentan una historia distinta. Una BGA con paso de 0,5 mm tiene pads de aproximadamente 0,25 mm de tamaño. Una BGA con paso de 0,4 mm —muy común en productos para consumidores e industriales— tiene pads de cerca de 0,2 mm. Ahora hagamos la cuenta: una cúpula de soldadura de 25 a 40 micrómetros sobre un pad de 200 micrómetros representa una variación del 12 al 20 % en la elevación del pad. En cientos de pads bajo una sola BGA, la superficie resultante se asemeja a una pequeña cordillera, no a un área plana de contacto.
Las esferas de soldadura BGA no toleran desniveles. Necesitan una superficie plana.
La superficie irregular de HASL genera los dos defectos clásicos en BGAs: conexión de soldadura y circuitos Abiertos . Parecen opuestos, pero comparten el mismo origen: las esferas ya no aterrizan donde el diseño suponía que lo harían.
El puente de soldadura ocurre en los extremos donde la cúpula HASL es más alta, la capa de soldadura se extiende lateralmente más allá del límite nominal de la pista. En un espacio de 0,3 mm, eso basta para reducir sustancialmente la separación entre pistas adyacentes. Cuando la esfera BGA se funde durante la refluencia y la pasta de soldadura se funde, la combinación de soldadura adicional procedente del acabado HASL y el espaciado reducido constituye una receta para puentes de soldadura. No es necesario que la soldadura esté gravemente desalineada: basta con que encuentre un camino a través de una brecha que ya ha sido reducida por el recubrimiento.
Los circuitos abiertos ocurren en el extremo opuesto. Las esferas de soldadura de un paquete BGA son coplanares dentro de unas pocas micras al salir del proveedor del plan. Los pads de la placa también deben ser coplanares: ese es precisamente el propósito del término «land» en «land pattern». Cuando algunos pads se encuentran 30 micras más elevados que sus vecinos inmediatos, las esferas BGA entran en contacto primero con los pads altos durante la colocación y la refluencia. Los pads más bajos pueden dar lugar a una unión débil, una unión parcial o incluso ninguna unión. Estos fallos pasan una inspección visual rápida y luego aparecen como errores intermitentes en las pruebas funcionales, o peor aún, meses después, en campo.
Existe además un tercer problema, más silencioso. Impresión con pasta de soldadura supone una superficie nivelada. La abertura de la plantilla está diseñada para depositar una cantidad exacta de pasta sobre cada pad. Sobre una cúpula HASL, la pasta se extiende de forma irregular, se adelgaza en la parte superior y se acumula en los bordes. Incluso las placas que no presentan puentes pueden terminar con uniones de soldadura inconsistentes volúmenes en toda la BGA, lo que se manifiesta como anulación y preocupaciones de integridad a largo plazo.
Nadie diseña una placa y afirma: «Me gustaría tener puentes de soldadura, por favor». HASL se elige por tres factores, y los tres son fáciles de comprender.
Coste hASL es el recubrimiento superficial más económico en fabricación, y, a gran volumen, la diferencia de costo por placa frente a ENIG —niquelado electroless con oro por inmersión— se acumula. Para una placa sin componentes de paso fino, ese ahorro es razonable. El problema surge cuando ese mismo criterio de precio se aplica a una placa que contiene una sola BGA. Una sola pieza de paso 0,4 mm basta para invalidar HASL en toda la placa, pero la decisión de compra no siempre establece esa relación.
Familiaridad . HASL lleva años en uso. Ingenieros y equipos de compras experimentados lo han utilizado en todas las placas que han fabricado hasta ahora, y nunca les ha causado problemas. Lo que no siempre saben es que sus diseños anteriores empleaban componentes con distancias entre terminales de 0,8 mm o 1,0 mm. El paso estándar del sector se ha reducido considerablemente en los últimos cinco años, y el acabado que funcionaba bien en las placas antiguas ya no es adecuado.
Valores predeterminados de fábrica . Este es el caso que más me frustra. Un número sorprendentemente alto de fabricantes asignan HASL como acabado superficial por defecto cuando el cliente no especifica ninguno, debido a que es su línea de producción más económica y de mayor rendimiento. El pedido se envía, el campo de acabado superficial queda en blanco y HASL se aplica automáticamente. Nadie verifica si la placa incluye componentes de paso fino. El cliente descubre el problema durante la primera fase de montaje.
El consejo que se presenta aquí no es controvertido: todas las principales residencias de juntas y documentos normativos afirman lo mismo. Para la colocación de BGA de paso fino (paso de 0,5 mm o inferior), ENIG es la opción convencional. La capa de níquel (típicamente de 3 a 6 micrómetros) se deposita mediante una reacción en cadena, lo que significa que se adapta a la geometría de la pista átomo por átomo, en lugar de aplicarse mediante aire caliente. El baño de oro por inmersión (de 0,05 a 0,1 micrómetros) protege el níquel y proporciona una superficie plana y soldable. El resultado: coplanaridad de las pistas medida en micrómetros, no en decenas de micrómetros.
El —un químico de soldabilidad natural— es la alternativa plana y de bajo costo. La película orgánica tiene tan solo 0,2–0,5 micrómetros de espesor y no modifica en absoluto la elevación de las pistas. Las compensaciones son reales: el OSP tiene una vida útil más corta (normalmente de 6 a 12 meses), requiere un manejo cuidadoso y la película se quema durante la primera refluencia, dejando al descubierto el cobre desnudo.
Existen situaciones en las que HASL sigue siendo la opción adecuada para el acabado de placas: placas dominadas por componentes tipo THT, diseños con paso grueso y productos en los que numerosos ciclos de reflujo y un almacenamiento prolongado son más importantes que la repetición precisa de características finas. La clave está en tomar esa decisión de forma deliberada, basándose en el conjunto real de componentes, no en rendirse por defecto.
Comparemos los números uno al lado del otro, porque aquí es donde realmente se toma la decisión.
En una producción de 5.000 placas, eso representa una cifra entre 500 y 2.500 dólares estadounidenses. Una cantidad significativa, aunque pequeña comparada con lo que sigue.
Un puente de soldadura BGA aislado que pasa desapercibido en la inspección compromete el producto final. Una tasa de fallo del 14 % en los paneles —la cifra con la que comencé este breve artículo— implica costos por mano de obra de reacondicionamiento, componentes de reemplazo, envíos acelerados y pérdida de capacidad productiva. En el caso de ese cliente, los ahorros derivados de elegir HASL ascendían a 550 dólares estadounidenses en ese pedido. Los costos totales fueron de 19 000 dólares estadounidenses. Esta relación no mejora con el volumen; empeora, porque los fallos en campo ocurren tras el envío del producto.
Si está especificando un Revestimiento superficial de PCB y el diseño incluye una BGA de paso fino, formule al fabricante de placas una única pregunta: ¿cuál es la especificación de coplanaridad de las pistas con este acabado? Si no pueden responder con un valor numérico, o si su respuesta incluye frases como «depende de dónde impacten las cuchillas de aire», ya tiene su respuesta.
La superficie plana no es un extra de gama alta en una placa BGA. Es el objetivo fundamental.
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