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COLLEGAMENTI RAPIDI
Il Radiografia l'immagine raccontava tutta la storia, ma nessuno aveva intenzione di esaminarla. Una scheda di un consumatore – un modulo spesso sviluppato attorno a un BGA con passo di 0,5 mm – era effettivamente tornata indietro da reflow con un tasso di fallimento al primo passaggio del 9%. I giunti difettosi non mancavano affatto. Erano sottili. L’analisi radiografica mostrava giunti saldati che sembravano aver fatto una dieta: parzialmente riempiti, privi di saldatura, con alcuni chiaramente al limite dell’apertura.
Abbiamo verificato i soliti sospetti. La maschera stencil era corretta – ok. Il pasta per saldatura volume era entro le specifiche – ok. Il profilo di rifusione corrispondeva alle indicazioni del produttore della pasta saldante – ok.
Poi un ingegnere girò la scheda e notò qualcosa sul lato inferiore. Proprio sotto l’area del BGA, i via erano pieni di saldatura. Non un po’. Completamente pieni, come minuscoli cannellini metallici.
Il progetto aveva posizionato via direttamente nelle piazzole -- via-in-pad, il metodo di formattazione che rende fattibile il posizionamento denso di BGA -- e nessuno aveva effettivamente definito il problema tramite l’uso di tappi. Durante la saldatura in forno, la saldatura fusa ha fatto ciò che la saldatura fusa fa sempre quando incontra un foro aperto: vi è penetrata. I giunti successivi ne hanno risentito.
Ecco il meccanismo, ridotto all’essenziale. Quando la pasta saldante fonde nel forno di rifusione, diventa liquida. La saldatura liquida bagna il rame — ed è proprio questo che rende possibile la saldatura. Un foro passante al centro di una piazzola è un tubo rivestito di rame che si estende verticalmente attraverso il circuito stampato. La saldatura liquefatta non necessita di essere spinta: l’azione capillare la trascina nel barile del foro passante, esattamente come l’acqua risale lungo un tovagliolo di carta.
La quantità di saldatura che un foro passante può assorbire non è affatto trascurabile. Consideriamo una configurazione comune: un foro da 0,25 mm su una piazzola BGA con passo di 0,4 mm. Un foro da 0,25 mm su una scheda spessa 1,6 mm ha un volume interno di circa 0,08 millimetri cubi. Una stencil standard per tale piazzola deposita tra 0,1 e 0,15 millimetri cubi di pasta saldante — e la pasta, dopo la fase di rifusione, contiene solo circa il 50% in volume di metallo. In altre parole, un singolo foro passante aperto può assorbire gran parte della saldatura destinata alla formazione del giunto. In alcuni casi, l’intera quantità.
Questo è il calcolo alla base del problema. Non si tratta di un risultato trascurabile. Non è un caso in cui «spesso si ottiene un giunto leggermente debole». Un foro passante non tappato su una piazzola BGA può assorbire tutta la saldatura disponibile per quel punto, lasciando un giunto aperto oppure così privo di materiale da cedere entro pochi mesi a causa dei cicli termici.
Nessuno disegna intenzionalmente un foro passante all’interno di una piazzola. La strategia del via-in-pad esiste perché è l’unico modo per far uscire i pin di un BGA a passo fine. Sotto circa 0,5 mm di passo, non c’è spazio tra le piazzole per il routing a «dog-bone» — la soluzione tipica che prevede una breve traccia dalla piazzola a un foro posizionato lateralmente. La piazzola stessa deve contenere il foro passante, altrimenti il progetto non è realizzabile.
La tecnica è quindi legittima e notevolmente necessaria. Ciò che lascia perplessi è l’obiettivo: un foro passante all’interno di una piazzola è accettabile solo se viene lavorato correttamente. I dati di progetto indicano «through below». L’ordine di produzione deve specificare «fill and cap this via» — e se non lo fa, il produttore realizza il foro come un semplice foro metallizzato passante, esattamente come disegnato, e la scheda viene spedita con numerose piccole «canne aspiranti» pronte ad assorbire la saldatura sotto il BGA.
In realtà ho visto questa sequenza ripetersi tre volte negli ultimi due anni. Uno sviluppatore inserisce dei via-in-pad per estrarre i contatti di un dispositivo ad alta densità. Le eccellenti note tecniche descrivono la stratificazione, il prodotto, lo spessore del rame — ogni dettaglio tranne il trattamento dei via. Il fornitore di schede stampate lo quota e lo produce senza chiedere chiarimenti, poiché il suo sistema interpreta un via non specificato come un via passante aperto. Durante la prima fase di assemblaggio emerge il problema. Inizia il gioco delle colpe. Nessuno vince.
I modi di guasto causati dallo sfruttamento capillare della saldatura non si limitano a giunzioni sottili. Ce ne sono quattro, e si accumulano:
Fame di saldatura e circuiti aperti. Le giunzioni contengono meno saldatura del necessario. Nei casi peggiori, la sfera BGA non bagna mai affatto il pad, generando un circuito aperto che si rivela soltanto durante il collaudo funzionale — o, ancor peggio, in campo.
Interstizi. Anche quando il giunto appare corretto, la saldatura che non penetra adeguatamente nel via lascia spesso vuoti. Gli spazi nei giunti BGA aumentano la resistenza elettrica e creano punti di concentrazione delle sollecitazioni. Durante i cicli termici si espandono. Un giunto non valido supera l’ispezione a raggi X in fabbrica, ma fallisce al mese 14.
Sviluppo di gas. I via non collegati possono intrappolare residui di flusso, umidità e sostanze chimiche utilizzate nella manipolazione all’interno del foro. Durante la saldatura a riflusso, tali contaminanti si vaporizzano e spingono bolle attraverso la saldatura fusa. Nei casi peggiori, provocano l’espulsione della saldatura dal via verso le piste adiacenti: un difetto che può causare un cortocircuito tra due circuiti non connessi e generare un guasto estremamente difficile da individuare.
Palline di saldatura. La saldatura proveniente da un via non sigillato sul lato opposto può formare sfere libere sotto la scheda. Detriti conduttivi liberi all’interno di un involucro rappresentano un cortocircuito occasionale in attesa di verificarsi.
Ciascuna di queste impostazioni difettose è evitabile. Ognuna di esse non viene rilevata in questa fase di sviluppo: il danno si verifica all’interno del barile della via durante una finestra di 30 secondi nel forno di rifusione.
Fortunatamente: questo problema ha una soluzione ben definita e standard. Il problema è che va specificata esplicitamente, poiché comporta un costo aggiuntivo e non avviene automaticamente.
Il collegamento delle vie è il requisito minimo: riempire il barile della via con un materiale in modo che la saldatura non possa penetrarvi. Per via-in-Pad applicazioni riempimento delle vie più placcatura del coperchio : la via è riempita con una resina conduttiva o non conduttiva, la resina viene polimerizzata e levigata fino a renderla perfettamente piana, quindi viene depositato uno strato di rame come coperchio. Il risultato è una superficie di pad equivalente, da ogni punto di vista, a un pad privo di via. La pasta saldante poggia su rame solido, esattamente come previsto dal disegno della stencil.
Il settore classifica tale procedura sotto la voce di sicurezza IPC-4761 , che specifica sette tipi di protezione, dall’incapsulamento semplice fino alle costruzioni completamente riempite e sigillate. Per i via-in-pad, i tipi rilevanti sono quelli riempiti: Tipo IV (riempito e coperto) e Tipo VII (riempito e sigillato con maschera aggiuntiva). Di seguito la differenza che spesso genera confusione: incapsulamento — in cui il foro è semplicemente ricoperto da maschera saldante su entrambi i lati — NON è adatto ai via-in-pad. L’incapsulamento impedisce al saldante di penetrare nel foro sulla superficie, ma la maschera può creparsi a causa dello stress termico e non offre alcuna protezione contro lo sfiato di gas o la contaminazione intrappolata nel corpo del foro. L’incapsulamento è indicato per i via tra le piste, non per quelli all’interno delle piste.
altre due informazioni fondamentali per la produzione:
Primo, la scelta del prodotto di riempimento. Conduttivo il materiale di riempimento (di solito una resina epossidica caricata con rame) viene scelto quando il via deve condurre corrente — mantiene il percorso elettrico attraverso la pista. Non conduttivo la resina è accettabile quando il foro deve essere chiuso esclusivamente in modo meccanico. Questa opzione influisce sui costi e sulle prestazioni elettriche, e la scelta va effettuata in fase di progettazione, non durante la produzione.
In secondo luogo, la qualità del riempimento. Un foro parzialmente riempito è tanto inefficace quanto uno aperto: se il materiale si ferma a metà della profondità del foro, rimane comunque uno spazio sotto il pad che può trattenere contaminanti e rilasciarli durante la saldatura a riflusso. Le linee guida IPC richiedono un riempimento praticamente privo di vuoti nella zona BGA; un produttore qualificato eseguirà certamente una sezione trasversale su un campione prelevato da ogni piastra prodotta per dimostrarlo. Se il vostro fornitore non è in grado di fornirvi questi dati di sezione trasversale, chiedetegliene il motivo.
Se il progetto lo consente, la soluzione più pulita consiste nell’evitare completamente i fori nei pad. Routing a osso di cane -- un breve tracciato dalla piazzola a un foro di passaggio posizionato vicino ad essa -- è l’opzione classica e risolve il problema alla radice. Il compromesso riguarda lo spazio: l’ingombro a forma di osso è maggiore e, per passi inferiori a 0,4 mm, di solito non trova spazio. È proprio per questo che esistono i fori di passaggio nelle piazzole (via-in-pad).
Esiste anche l’opzione di fori di passaggio nelle piazzole (via-in-pad) solo dove strettamente necessari . Una scheda può realizzare la maggior parte dei suoi tracciati con la soluzione a osso, ricorrendo invece ai fori di passaggio nelle piazzole (via-in-pad) solo per le file di piedini BGA che non ammettono alternative. Questo metodo ibrido riduce il numero di fori da riempire — ovvero la voce su cui grava principalmente il costo di produzione — senza compromettere la percorribilità.
La soluzione per l’intero gruppo di questi problemi si riduce a una sola riga nelle note di produzione: riempire e sigillare tutti i fori di passaggio presenti nelle piazzole secondo IPC-4761 Tipo IV/VII, con conferma del riempimento privo di vuoti mediante sezione trasversale.
Quella frase non richiede quasi alcuno sforzo per essere scritta. Evita il rifacimento, gli scarti, i difetti di area e le controversie su chi ne sia responsabile.
Ecco un controllo che potete eseguire sul vostro prossimo circuito stampato prima che venga inviato in fabbrica: aprite i dati della vostra progettazione, contate i via che toccano o cadono all'interno delle piste di saldatura e chiedetevi cosa impedirà al saldante fuso di penetrarvi. Se la risposta è "niente", avrete individuato il problema prima che vi costi un intero ciclo produttivo. Questa è la riparazione meno costosa in questo settore — ed è accessibile a chiunque dedichi trenta secondi a un semplice controllo.
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