Je me souviens encore très bien de la toute première carte qui m’a appris à détester un type de finition de surface. Celle d’un client bGA à pas fin — une ASIC réseau à pas de 0,5 mm entourée d’une couronne de composants passifs 0402 — est revenue de L’atelier de montage SMT avec 14 % des panneaux présentant des connexions défectueuses. Tous les défauts se situaient au même endroit : des courts-circuits entre les pastilles BGA, espacées de seulement 0,3 mm. Les images radiographiques donnaient l’impression que quelqu’un avait versé de la soudure sur toute la zone BGA.
La première réaction de l’équipe de conception de la carte fut d’accuser le pochoir, puis la pâte à souder, puis le profil de refusion. Nous avons vérifié chacun de ces éléments. Ils étaient parfaits.
Puis, quelqu’un posa enfin la question à laquelle personne n’avait pensé lors de la commande : quelle est la finition de surface ? La solution était HASL — le soudage à l’air chaud. Peu coûteux, rapide, et absolument inadapté à cette carte. Le client avait économisé 0,11 $ par carte sur la finition. Les coûts de reprise et de déchets pour cette série de fabrication s’élevaient à un peu moins de 19 000 $.
Pour comprendre pourquoi le procédé HASL échoue sur les cartes à pas fin, il faut en saisir le principe. Une carte nue est plongée dans un bain de soudure liquide — généralement la soudure sans plomb SAC305 dans la plupart des usines modernes — puis passée entre deux lames d’air chaud qui chassent l’excédent de soudure de la surface. L’objectif est d’obtenir un dépôt mince et uniforme sur chaque pastille de cuivre exposée.
Tel est le principe. La réalité physique est nettement moins coopérative.
Épaisseur du procédé HASL varie énormément sur une même carte. Selon la géométrie des pastilles, l’orientation de la carte et la façon précise dont les lames d’air frappent, l’épaisseur de la couche de soudure peut varier de 1 micron à 40 microns. Certaines pastilles finissent pratiquement à niveau. D’autres présentent une coupole de soudure visible. Ce n’est pas un problème dans une usine de fabrication de précision : c’est une caractéristique fondamentale du procédé. Toutes les cartes HASL au monde présentent ce phénomène.
Sur une carte grossière avec des pastilles de 1 mm et un espacement large, une différence de hauteur de 20 microns entre pastilles adjacentes est sans importance. Le masque de soudure remplit sa fonction, les composants sont volumineux et tout fonctionne correctement.
Sur un bGA à pas fin l’impact, les chiffres racontent une histoire variée. Une BGA à pas de 0,5 mm possède des pastilles d’environ 0,25 mm de taille. Une BGA à pas de 0,4 mm — très courante dans les produits grand public et industriels — a des pastilles d’environ 0,2 mm. Examinons les calculs : un dôme de soudure de 25 à 40 microns sur une pastille de 200 microns représente une variation de hauteur de 12 à 20 %. Sur les centaines de pastilles situées sous une seule BGA, on obtient une surface qui ressemble à une chaîne de petites montagnes plutôt qu’à une zone d’atterrissage plane.
Les billes de soudure BGA ne tolèrent pas les reliefs. Elles exigent une surface plane.
La surface HASL irrégulière provoque les deux défauts classiques des BGA : connexion de soudure et circuits ouverts . Ils semblent opposés, mais ils partagent la même origine : les billes n’atterrissent plus là où la conception les avait prévues.
Le pontage de soudure se produit aux extrémités là où le dôme HASL est le plus élevé, la couche de soudure s’étend latéralement au-delà de la limite nominale de la pastille. Sur un espacement de 0,3 mm, cela suffit à réduire considérablement la distance entre les pastilles environnantes. Lorsque la bille BGA fond et que la pâte à souder soudure fond, le mélange de soudure supplémentaire provenant de la finition HASL et l’espacement réduit forment une recette idéale pour les courts-circuits. La soudure n’a pas besoin d’être fortement désalignée — il lui suffit simplement de trouver un chemin à travers un espace déjà rétréci par le revêtement.
Les circuits ouverts se produisent à l’extrémité opposée. Les sphères de soudure d’un boîtier BGA sont coplanaires à quelques micromètres près lorsqu’elles quittent le fournisseur de plans. Les pastilles de la carte doivent également être coplanaires — c’est précisément le sens du terme « land » dans « land pattern ». Lorsque certaines pastilles se trouvent 30 micromètres plus hautes que leurs voisines immédiates, les billes de soudure du BGA entrent en contact avec les pastilles hautes en premier pendant le positionnement et la fusion. Les pastilles plus basses peuvent alors donner lieu à une liaison faible, partielle ou même inexistante. Ce sont là des défauts qui échappent à un contrôle visuel rapide, puis réapparaissent sous forme de défaillances intermittentes lors des tests fonctionnels — ou pire, plusieurs mois plus tard, sur le terrain.
Il existe aussi un troisième problème, plus discret. Imprimerie à la pâte de soudure suppose une surface plane. L’ouverture du pochoir est conçue pour déposer une quantité précise de pâte à souder sur chaque pastille. Sur un dôme HASL, la pâte s’étale de façon irrégulière, s’amincit au sommet et s’accumule sur les côtés. Même les cartes qui ne présentent pas de ponts peuvent ainsi présenter des joints de soudure incohérents de soudure les volumes dans l’ensemble BGA — ce qui se traduit par des problèmes d’annulation et d’intégrité ultérieurs.
Personne ne conçoit une carte en demandant : « Je voudrais bien avoir quelques ponts de soudure, s’il vous plaît. » HASL est choisi pour trois raisons, toutes simples à comprendre.
Coût hASL est le revêtement de surface le moins coûteux en fabrication, et, à grande échelle, l’écart de coût unitaire par carte par rapport à ENIG — l’or par immersion sur nickel électroless — s’accumule. Pour une carte sans composants à pas fin, cette économie est justifiée. Le problème survient lorsque le même raisonnement fondé sur le prix est appliqué à une carte comportant un seul BGA. Une seule pièce à pas de 0,4 mm suffit à rendre HASL inapproprié pour l’ensemble de la carte, mais la décision d’achat ne fait pas toujours ce lien.
Familiarité . Le HASL existe en réalité depuis des années. Les ingénieurs et les équipes achats plus expérimentés l’ont utilisé sur chaque carte qu’ils ont jamais conçue, sans jamais en subir les effets négatifs. Ce qu’ils ne réalisent pas toujours, c’est que leurs anciens modèles comportaient des composants à pas de 0,8 mm ou 1,0 mm. Le pas standard du secteur a considérablement diminué au cours des cinq dernières années, et la finition adaptée aux anciennes cartes ne convient plus.
Valeurs par défaut usine . C’est celui qui me frustre le plus. Un nombre surprenant de fabricants définissent par défaut le HASL comme finition de surface lorsque le client ne précise aucune option, car il s’agit de leur procédé le moins coûteux et le plus rapide. La commande est passée, le champ « finition de surface » reste vide, et le HASL est appliqué par défaut. Personne ne vérifie si la carte intègre des composants à pas fin. Le client ne découvre le problème qu’au cours du premier essai d’assemblage.
Les recommandations présentées ici ne font pas débat — chaque importante résidence de conseil d’administration et chaque document normatif majeur énonce la même chose. Pour le montage de BGA à pas fin (pas de 0,5 mm et moins), ENIG constitue le choix conventionnel. La couche de nickel (généralement de 3 à 6 micromètres) est déposée par réaction en chaîne, ce qui signifie qu’elle épouse géométriquement la forme des pastilles atome par atome, plutôt que d’être projetée par un jet d’air chaud. Le flash d’or par immersion (0,05 à 0,1 micromètre) protège le nickel et fournit une surface plane et soudable. Le résultat : une coplanéité des pastilles mesurée en micromètres, et non plus en dizaines de micromètres.
OSP — agent chimique de soudabilité naturelle — constitue l’alternative plane et économique. Le film organique mesure seulement 0,2 à 0,5 micromètre d’épaisseur et ne modifie pas du tout la hauteur des pastilles. Les compromis sont réels : l’OSP présente une durée de conservation plus courte (généralement de 6 à 12 mois), exige une manipulation soigneuse, et le film se consume lors du premier passage au four à reprise, exposant le cuivre nu.
Il existe des situations où HASL reste l’option appropriée : les cartes à composants traversants prédominants, les conceptions à pas grossier et les produits pour lesquels un grand nombre de cycles de reflow et un stockage prolongé sont plus critiques qu’une uniformité parfaite des détails fins. L’essentiel est de faire ce choix délibérément, en fonction de la composition réelle des composants — et non par défaut.
Comparons les chiffres côte à côte, car c’est à ce stade que la décision véritable est prise.
Sur une série de 5 000 cartes, cela représente un montant compris entre 500 $ et 2 500 $. Un montant significatif, mais faible comparé à ce qui suit.
Un pont de soudure BGA isolé qui échappe à l’inspection coûte cher au produit final. Un taux de défaillance de panneaux de 14 % — celui mentionné au début de cet article — entraîne des coûts liés à la réparation, aux composants de remplacement, à l’expédition accélérée et à la perte de capacité de production. Dans le cas de ce client, les économies découlant du choix de la finition HASL s’élevaient à environ 550 $ sur cette commande, tandis que les coûts totaux atteignaient 19 000 $. Ce rapport ne s’améliore pas avec le volume ; il se détériore, car les défaillances sur site surviennent après l’expédition du produit.
Si vous spécifiez une Finition de surface de carte PCB et que la conception comporte un BGA à pas fin, posez une seule question au fabricant de cartes : quelle est la spécification de coplanéité des pastilles avec cette finition ? S’il ne peut pas répondre par un chiffre précis, ou si sa réponse inclut des formulations telles que « cela dépend de l’endroit où les lames d’air ont frappé », vous avez déjà votre réponse.
La planéité de la surface n’est pas une caractéristique haut de gamme sur une carte BGA. C’est l’exigence fondamentale.
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