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ENLACES RÁPIDOS
El Radiografía la imagen contaba toda la historia, pero nadie tenía intención de revisarla. Una placa de un consumidor —un módulo grueso desarrollado alrededor de una BGA de paso 0,5 mm— había regresado efectivamente de reflujo con una tasa de fallos del 9 % en la primera pasada. Las uniones defectuosas no estaban ausentes. Eran delgadas. La radiografía mostraba uniones de soldadura que parecían haber hecho dieta: parcialmente llenas, con escasez de soldadura y algunas claramente al límite de circuitos abiertos.
Ejecutamos las causas habituales. La plantilla se confirmó como correcta: aprobada. El pasta de soldadura volumen estaba dentro de la especificación: aprobado. El perfil de reflujo coincidía con la recomendación del fabricante de la pasta: aprobado.
Entonces, un ingeniero giró la placa y observó algo en su cara inferior. Justo debajo del área de la BGA, los agujeros metalizados estaban llenos de soldadura. No un poco. Llenos por completo, como diminutas pajitas metálicas.
El diseño había colocado agujeros metalizados directamente en las pistas -- mediante agujeros en la pista (via-in-pad), el método de formato que hace factible la disposición densa de BGA -- y nadie había definido realmente el proceso mediante relleno. Durante la soldadura por reflujo, la soldadura fundida hizo lo que siempre hace la soldadura fundida al encontrar un orificio abierto: se vertió dentro. Las uniones anteriores pagaron el precio.
Este es el mecanismo, reducido a sus fundamentos. Cuando la pasta de soldadura se funde en el horno de reflujo, se convierte en líquida. La soldadura líquida humedece el cobre —eso es precisamente lo que hace posible la soldadura en primer lugar. Un orificio pasante abierto en el centro de una pista constituye un tubo revestido de cobre que se extiende directamente hacia abajo, dentro de la placa. La soldadura licuada no necesita ser empujada. La acción capilar la arrastra hacia el interior del cuerpo del orificio pasante, del mismo modo que el agua asciende por una toalla de papel.
La cantidad de soldadura que puede absorber un orificio pasante no es insignificante. Considere una configuración habitual: un orificio de 0,25 mm en una pista BGA con paso de 0,4 mm. Un orificio de 0,25 mm en una placa de 1,6 mm tiene un volumen interno de aproximadamente 0,08 milímetros cúbicos. Una plantilla estándar para esa pista deposita entre 0,1 y 0,15 milímetros cúbicos de pasta; además, la pasta contiene solo alrededor del 50 % de metal en volumen tras la eliminación de los volátiles. En otras palabras, un único orificio pasante abierto puede absorber casi toda la soldadura destinada a formar la unión. En algunos casos, incluso la totalidad.
Esta es la base matemática del problema. No se trata de un resultado marginal. Tampoco es un caso en el que «a menudo se obtiene una unión ligeramente débil». Un orificio pasante sin tapar en una pista BGA puede absorber toda la soldadura asignada a esa unión, dejando una conexión que o bien queda abierta o bien queda tan desprovista de material que falla en cuestión de meses bajo ciclos térmicos.
Nadie dibuja intencionadamente un orificio pasante dentro de una pista en una placa. La estrategia del orificio pasante dentro de la pista existe porque es la única forma de escapar de los pines de una matriz de bolas (BGA) de paso fino. Por debajo de aproximadamente 0,5 mm de paso, no hay espacio entre las pistas para el enrutamiento tipo «hueso de perro»: la opción habitual consiste en trazar una conexión corta desde la pista hasta un orificio pasante colocado lateralmente. La propia pista debe alojar el orificio pasante; de lo contrario, el diseño no puede implementarse en absoluto.
Por tanto, esta técnica es válida y, de hecho, muy necesaria. Lo que desconcierta a las personas es el objetivo: un orificio pasante dentro de una pista solo es aceptable si se procesa adecuadamente. Los datos de diseño indican «atraviesa hacia abajo». El orden de fabricación debe especificar expresamente «rellenar y sellar este orificio pasante»; si no lo hace, el fabricante lo construye como un simple orificio metalizado pasante, tal como aparece dibujado, y la placa se entrega con numerosos pequeños tubos sedientos de soldadura bajo la BGA.
De hecho, he visto cómo se desarrolla esta serie tres veces en los últimos dos años. Un ingeniero de desarrollo incluye vías dentro de la pista (via-in-pad) para extraer las conexiones de un componente denso. Las excelentes notas explican la estructura de capas (stack-up), el producto, el grosor del cobre, etc., pero no mencionan nada sobre el tratamiento de las vías. El fabricante de placas cotiza y fabrica la placa sin preguntar, ya que su sistema interpreta cualquier vía no especificada como una vía pasante abierta (open via). En la primera fase de montaje se descubre el problema. Comienza el juego de culpas. Nadie gana.
Los modos de fallo derivados de la ascensión capilar de la soldadura (solder wicking) no se limitan a uniones estrechas. Hay cuatro, y se acumulan:
Falta de soldadura y uniones abiertas. El tipo de unión contiene menos soldadura de la necesaria. En los peores casos, la esfera BGA nunca se moja completamente sobre la pista, y se obtiene una unión abierta que solo se detecta durante la prueba funcional —o, aún peor, en campo.
Espacios vacíos. Incluso cuando la unión parece adecuada, la soldadura que no penetra correctamente en el orificio pasante frecuentemente deja cavidades tras de sí. Los espacios en las uniones BGA elevan la resistencia eléctrica y generan puntos de concentración de tensión. Durante los ciclos térmicos, dichos espacios se expanden. Una unión inválida aprueba la evaluación por rayos X en fábrica, pero falla al mes 14.
Desgasificación. Los orificios pasantes no conectados pueden atrapar residuos de fundente, humedad y productos químicos de manipulación dentro del barril. Durante la refluencia, dicha contaminación se vaporiza y empuja burbujas hacia arriba a través de la soldadura fundida. En los casos más graves, provoca que la soldadura salpique desde el orificio pasante hacia las pistas adyacentes: un defecto que puede provocar un cortocircuito entre dos redes no conectadas y generar una falla muy difícil de rastrear.
Esferas de soldadura. La soldadura que emerge desde un orificio pasante sin conexión en el lado opuesto puede formar esferas sueltas debajo de la placa. Los residuos conductores sueltos dentro de un recinto constituyen un cortocircuito intermitente listo para ocurrir.
Cada una de estas configuraciones defectuosas es evitable. Ninguna de ellas se detecta actualmente durante su desarrollo: el daño ocurre dentro del barril del agujero pasante durante una ventana de 30 segundos en el horno de reflujo.
Afortunadamente: este problema tiene una solución bien definida y estándar. El inconveniente: debe especificarse expresamente, ya que implica un costo adicional y no se produce de forma automática.
La conexión mediante agujeros pasantes es el requisito mínimo: llenar el barril del agujero pasante con un material para impedir que la soldadura penetre en él. Para vía en pad aplicaciones llenado de agujeros pasantes más chapado de tapa : el agujero pasante se llena con una resina conductora o no conductora, la resina se cura y se alisa mediante rectificado, y luego se deposita una capa de cobre sobre la superficie. El resultado es una superficie de pista equivalente, desde el punto de vista funcional, a una pista sin agujero pasante. La pasta de soldadura descansa sobre cobre sólido, tal como lo prevé el diseño de la plantilla.
El sector clasifica esta solución bajo criterios de fiabilidad según IPC-4761 , que especifica siete tipos de sellado de seguridad, desde el sellado sencillo (tenting) hasta las construcciones rellenas y tapadas. Para los vias en pad (via-in-pad), los tipos relevantes son los rellenos: Tipo IV (relleno y cubierto) y Tipo VII (relleno y tapado con máscara adicional). A continuación se explica la diferencia que suele generar confusión: sellado sencillo (tenting) —en el que el via queda cubierto únicamente por máscara de soldadura en ambos lados— NO es adecuado para vias en pad (via-in-pad). El sellado sencillo mantiene la soldadura fuera del orificio en la superficie, pero la máscara puede agrietarse bajo estrés térmico y no resuelve los problemas de desgasificación ni de contaminación atrapada en el cuerpo del via. El sellado sencillo se usa para vias entre pads, no dentro de ellos.
dos aspectos adicionales importantes en producción:
Primero, la elección del producto de relleno. Conductivo el material de relleno (normalmente epoxi reforzado con cobre) se selecciona cuando el via transporta corriente: mantiene la continuidad eléctrica a través del pad. No conductor la resina es aceptable cuando el agujero pasante solo necesita cerrarse mecánicamente. Esta opción afecta el costo y el rendimiento eléctrico, y debe decidirse durante la fase de validación del diseño, no en la fábrica.
En segundo lugar, la calidad del relleno. Un agujero pasante parcialmente rellenado es tan deficiente como uno abierto: si el material se detiene a la mitad del barril, aún queda un espacio debajo de la pista que puede atrapar humedad y liberar gases durante la soldadura por reflujo. Las recomendaciones de IPC exigen que el relleno sea esencialmente libre de vacíos en la zona BGA, y una fábrica competente realizará con certeza un corte transversal en una muestra de cada panel de producción para demostrarlo. Si su proveedor no le puede mostrar esos datos de corte transversal, pregúntele por qué.
Si la señal lo permite, la solución más limpia consiste en evitar por completo los agujeros pasantes integrados en las pistas. Ruteo en forma de hueso -- un breve trazado desde la pista hasta una vía colocada cerca de ella -- es la opción clásica y elimina el problema en su origen. La contrapartida es el espacio: la huella en forma de ‘hueso de perro’ es mayor, y por debajo de un paso de 0,4 mm comúnmente no cabe. Por eso existe, precisamente, la técnica via-in-pad.
También existe la opción de via-in-pad únicamente donde se necesita . Una placa puede recorrer la mayor parte de sus pistas con configuraciones tipo ‘hueso de perro’ y aplicar via-in-pad únicamente en las filas de patillas BGA que realmente no admiten otra solución. Este método híbrido reduce la cantidad de vias que requieren relleno —donde realmente radica el costo de fabricación— sin comprometer la capacidad de enrutamiento.
La solución para todo este grupo de problemas se reduce a una sola línea en las notas de fabricación: rellenar y sellar todas las vias ubicadas dentro de las pistas según IPC-4761 Tipo IV/VII, confirmando mediante sección transversal que el relleno es libre de vacíos.
Esa oración prácticamente no le cuesta nada redactarla. Evita el retrabajo, los desechos, los fallos de área y las discusiones sobre a quién corresponde la culpa.
Aquí tiene una prueba que puede realizar en su siguiente placa antes de enviarla a fabricación: abra sus datos de diseño, cuente los vías que tocan o caen dentro de las pistas de soldadura y pregúntese qué impedirá que la soldadura fundida penetre en ellos. Si la respuesta es «nada», ya ha identificado el problema antes de que le cueste un lote de producción. Esa es la reparación más económica de este sector —y está al alcance de cualquiera que dedique treinta segundos a revisar.
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