למה הסולדר שלך ממשיכה להיעלם לתוך הוויה?

למה הסולדר שלך ממשיכה להיעלם לתוך הוויה?

הוֹדָעַת הַוַּיָּא שֶׁלֹּא נִחְשְׁפְּתָה בַּמִּשְׁטָח

ה X-RAY הַתְּמוּנָה סִפְּרָה אֶת כָּל הַסִּפּוּר, וְאַף אֶחָד לֹא הִתְכַּוֵּן לְבָרֵר אוֹתָהּ. לוֹחַ צוֹרֵךְ — מוֹדּוּל עָבֶה שֶׁנִּבְנָה סְבִיב בְּגָא בְּמֶרְחָק מִשְׁקָעִים שֶׁל 0.5 מ״מ — חָזַר בְּמַעֲשֶׂה מִן  הַחִצּוּק הַחַמִּי  בְּאֹרֶךְ שֵׁעוּר שֶׁל 9% בְּמַעֲבָר רִאשׁוֹן. הַחִבּוּרִים הַנִּפְגָּעִים לֹא הָיוּ חֲסֵרִים. הֵם הָיוּ דַּקִּים. הַתְּמוּנוֹת בְּאֹרֶךְ הַנִּיר הִרְאוּ חִבּוּרֵי חִצּוּק שֶׁנִּרְאוּ כְּאִלּוּ הִתְרַזְּנוּ: מְלֻאִים בְּחֶצִי, חֲסֵרֵי חִצּוּק, וּמִסְפָּר מִנִּיהֶם הָיָה בְּרוּרִי כְּחִבּוּרִים שֶׁעָמְדוּ עַל גְּבֻל הַפְּרִידָה.

בִּדְקוּנוּ אֶת הַמִּסְפָּרִים הַמְּסוּדָּרִים. הַמִּסְפָּר הָיָה נָכוֹן — עוֹבֵר. פסטת רותם  הַנְּפִיחָה הָיְתָה בְּתוֹךְ הַמְּגָדִים — עוֹבֵר. קוֹלַחַת הַחִצּוּק הַחַמִּי תָּאֲמָה אֶת הַהַנְחָיוֹת שֶׁל יְצִירַת הַדָּגָן — עוֹבֵר.

אָז מַהַנְדִּיס אַחֵר הִפְכוּ אֶת הַלּוּחַ וְהִרְאוּ דָּבָר מֵעֵבֶר הַתַּחְתּוֹן. מִיָּד תַּחַת אֵזוֹר הַבְּגָא, הַוַּיָּאוֹת הָיוּ מְלֵאִים חִצּוּק. לֹא קְצָת. מְלֵאִים עַד הַסּוֹף, כְּמוֹ מִקְלָעוֹת מְטַלִּיּוֹת קְטַנּוֹת.

הַמַּעֲרֶכֶת הִכְלִילָה וַיָּאוֹת יְשִׁירִים בַּמִּשְׁטָחִים -- דרך חור בפדה, שיטת הפורמט שמאפשרת לכוון BGA צפוף -- ואף אחד לא הגדר את זה באמת דרך סגירה. במהלך השמירה, סגירת הלחיצה המותכת עשתה מה שסגירת הלחיצה המותכת תמיד עושה כשנתקלת בחור פתוח: היא זרמה פנימה. המפרקים שהקדים את זה שילמו על כך.

הפיזיקה של חור שצמא ללחיצה

הנה המנגנון, מופשט ליסודותיו. כשפסט הלחיצה נמס במיקרוגל השמירה, הוא הופך לנוזל. סגירת לחיצה נוזלית רוטבת נחושת — זה מה שמאפשר בכלל את הלחיצה. חור פתוח במרכז הפדה הוא צינור מרופד נחושת שמוביל ישר למטה לתוך הלוח. סגירת הלחיצה הנוזלית איננה זקוקה לדחיפה. פעילות קפילרית מושכת אותה לתוך גוף החור, באותה צורה שבה מים עולים במשטח נייר.

הכמות של לחם הלח שדרך יכולה לבלוע איננה בלתי חשובה. חישבו על תצורה נפוצה: דרך קוטר 0.25 מ״מ בלוח BGA עם פITCH של 0.4 מ״מ. דרך קוטר 0.25 מ״מ בלוח עבה 1.6 מ״מ יש נפח פנימי של כ-0.08 סמ״ק. מסכת רגילה עבור המתחם הזה משקיעה בין 0.1 ל-0.15 סמ״ק של בצק — ובצק הוא רק בערך חצי מתכת לפי נפח לאחר שריפת הממסים. במילים אחרות, דרך פתוחה אחת יכולה לספוג את רוב לחם הלח שהיה אמור ליצור את החיבור. במקרים מסוימים — את כולו.

זהו החישוב שעומד בבסיס הבעיה. זו אינה תוצאה נמוכה. זו אינה 'לפעמים מקבלים חיבור חלש מעט'. דרך לא סגורה בלוח BGA יכולה לספוג את כל אספקת לחם הלח עבור אותו חיבור, ולשאול חיבור שמהווה או חיבור פתוח או חיבור חסר לחם עד כדי כך שהוא ייכשל תוך חודשים במחזורים תרמיים.

מדוע מהנדסים מגיעים למצב זה

אף אחד לא מצייר באקראי חור דרך בתוך פד. האסטרטגיה של חור דרך בתוך פד קיימת מכיוון שזו הדרך היחידה להוציא את המגעים של BGA עם ריווח דק במיוחד. מתחת לריווח של כ-0.5 מ״מ, אין מקום בין הפלטות לנתיב מסוג dog-bone — כלומר נתיב קצר מהפלטה לחור דרך שנמצא בצד. לכן, על הפלטה עצמה להכיל את החור דרך, אחרת לא ניתן לממש את העיצוב בכלל.

לפיכך, השיטה היא לגיטימית וחיונית ביותר. מה שמבלבל אנשים הוא התנאי: חור דרך בתוך פד מותר רק אם מעבדים אותו כראוי. במידע לעיצוב כתוב "חורים דרך לתחתית". בסדר היצור חייב להיות צוין במפורש "למלא ולכסות חור דרך זה" — ואם לא צוין כך, ייצר המפעל את החור דרך כחור דרך מצופה פשוט, בדיוק כפי שמתואר, והלוח יישלח עם מספר רב של קשיות קטנות שסופגות סולדר מתחת ל-BGA.

למעשה ראיתי את הסדרה מתפתחת שלוש פעמים בשנתיים האחרונות. מפתח כולל חורים דרך-בפדה כדי להוציא מחבר לרכיב צפוף. הערות יוצאות דופן מתייחסות למבנה השכבות, למוצר, למשקל הנחושת – לכל דבר אחר פרט לטיפול בחורים דרך. יצרן הלוחות מצטט ומייצר אותו בלי לשאול, מכיוון שהמערכת שלו מתייחסת לחור דרך לא מוגדר כחור פתוח דרך. הרצף הראשון מגלה את הבעיה. מתחיל משחק האשמות. אף אחד לא מנצח.

מה עלות החור הפתוח בפועל

מצבים של כשל הנגרמים מבליעת לחץ אינן מוגבלים למחברים דקים. יש ארבעה כאלה, והם מצטברים:

רעב לחץ ומחברים פתוחים. סוגי המחברים מכילים פחות לחץ מאשר נדרש. במקרים הקשים ביותר, הכדור של ה-BGA כלל לא נרטב לפדה, ומקבלים מחבר פתוח שמופיע רק בבדיקה פונקציונלית – או גרוע יותר, בשטח.

פערים.  אפילו כאשר המחברה נראית מתאימה, הלחיצה שלא נכנסה כראוי לתוך הוויה משאירה לעיתים קרובות חורים. חורים במחברות BGA מגבילים את התנגדות החשמל ומייצרים נקודות מיקוד מתח. תחת מחזורים תרמיים הם מתרחבים. מחברה פגומה עוברת את בדיקת ה־X-ray במפעל, אך נכשלת בחודש ה-14.

פליטת גזים.  וויות שלא מחוברות יכולות ללכוד שאריות פלקס, לחות וכימיקלים משימוש ידני בתוך הצינור. במהלך הלחיצה החמה, זיהום זה מתאדה ויוצר בועות שמתפשטות דרך הלחיצה המותכת. במקרה הקשה ביותר, הוא גורם ללחיצה להתפוצץ מהוויה אל פסים סמוכים — פגם שיכול ליצור קצר בין שתי רשתות לא מחוברות, ולגרום לתקלה שקשה מאוד לאתר.

כדוריות לחיצה.  לחיצה שמגיעה מהצד השני של ויה לא מחוברת יכולה ליצור כדורים חופשיים מתחת ללוח. שאריות מוליכות חופשיות בתוך מעטפת הן קצר מחזורי שרק מחכה להתרחש.

כל אחת מההגדרות הכושלות הללו ניתנת להימנעות. כל אחת מהן אינה נראית כרגע בזמן הפיתוח – הנזק מתרחש בתוך גוף הוויה במהלך חלון של 30 שניות במערכת ההמסה.

איך נראה עיבוד תקין

למרבה המזל: לבעיה הזו יש פתרון מוגדר היטב וסטנדרטי. הבעיה: יש לציין אותו במפורש, מאחר שהוא יגרור עלות כספית והוא לא יקרה באופן אוטומטי.

חיבור וויה  הוא הדרישה המינימלית – ממלא את גוף הוויה בחומר כך שזרק לא יוכל לחדור אליו. עבור חפיפה ב-Pad  יישומים מילוי וויה עם ציפוי קפסולה : הוויה מלאה ברזין מוליך או לא מוליך, הרזין מוקשה ומישורר, ולאחר מכן מצפים את שפתו העליונה בשכבה של נחושת. התוצאה היא משטח פד זהה לחלוטין לפלטת ללא וויה בכל היבט. עpastת הזרק יושבת על נחושת מוצקה, בדיוק כפי שתוכנן על ידי תבנית הסקול.

התעשייה מסווגת את זה לפי רמת האבטחה תחת IPC-4761 אשר מגדיר שבעה סוגי בטיחות בשימוש, החל מתילול פשוט ועד בנייה מלאה ומכוסה. עבור חורים דרך פד (via-in-pad), הסוגים הרלוונטיים הם הסוגים הממולאים – סוג IV (מלא וכוסה) וסוג VII (מלא ומכוסה במסכה נוספת). להלן ההבדל שגורם לבלבול: תילול – שבו החור מכוסה רק על ידי מסכת לחצנים משני צדדיו – אינו מתאים לחורים דרך פד. התילול מונע את חדירת הלחצנים לתוך החור על פני השטח, אך המסכה עלולה להתפצל תחת לחץ תרמי, והיא אינה פועלת נגד גזיזה או זיהום הנלכדים בתוך דופן החור. התילול מיועד לחורים בין פדים, לא בתוך פדים.

שתי נקודות נוספות חשובות לייצור:

ראשית, בחירת מוצר המילוי. מוליך  חומר המילוי (לרוב אפוקסי ממולא בנחושת) נבחר כאשר החור מעביר זרם – הוא שומר על הנתיב החשמלי דרך הפד. לא מוליך  ריזין מתקבל כאשר הדקירה דורשת סגירה מכנית בלבד. האופציה משפיעה על העלות והביצועים החשמליים, וצריכה להיקבע בשלב הבדיקה, ולא להתגלה בשלב הייצור.

שנית, איכות המילוי. דקירה ממולאת חלקית שווה ערך לדקירה פתוחה – אם החומר נעצר באמצע הצינור, עדיין נשאר מקום מתחת לפלטת שעשוי לאגור זיהום ולשחרר גזים במהלך תהליך ההמסה. הנחיות ה-IPC דורשות כי המילוי באזור ה-BGA יהיה חפשי כמעט לחלוטין מקוויות, ויצרן מקצועי יבצע חתך חציוני של מדגם מכל לוח ייצור כדי להוכיח זאת. אם הספק שלך אינו מספק לך את נתוני החתך החציוני, שאל למה.

יצירת פתרון חלופי כאשר זה אפשרי

אם המעגל המועבר מאפשר זאת, הפתרון הנקי ביותר הוא להימנע לחלוטין מדקירות בתוך הפלטות. נתיב בצורת עצם כלב -- מעקב קצר מהפַּד לרכיב באמצעות חיבור קרוב אליו -- הוא האפשרות הקלאסית, והיא מסירה את הטרחה במקור. המהות היא בשטח: טביעת הרגל של ה-dog-bone גדולה יותר, ותחת עובי 0.4 מ"מ, היא בדרך כלל לא מתאימה. לכן קיים בכלל via-in-pad.

קיימת גם האפשרות של via-in-pad בדיוק במקום שצריך . ניתן לתכנן את רוב הרשתות בלוח עם dog-bones ולקבל via-in-pad לשורות של סיכות BGA שלא יכולות להתחמק אחרת. השיטה ההיברידית הזו מפחיתה את מגוון ה-vias שצריכים למלא -- וזהו המקום שבו נמצא מחיר הבנייה האמיתי -- מבלי להפיג את היכולת לרתח.

הדרישות השומרות על הריצה

הפתרון לכל קבוצה זו של בעיות מתרכז בשורה אחת בהערות ייצור: למלא ולכסות את כל ה-vias בפדי רכיב לפי IPC-4761 סוג IV/VII, עם מילוי ללא חללים מאושר על ידי חתך רוחב.

המשפט הזה כמעט ולא עולה לך דבר לכתיבתו. הוא חוסך את העבודה החוזרת, את הפסולת, את הכישלונות באזורים והמחלוקת בנוגע לאיזו צד האשמה.

הנה בדיקה שתוכלו לבצע על הלוח הבא שלכם לפני שליחתו לייצור: פתחו את נתוני העיצוב שלכם, ספרו את המעברים שנוגעים או נופלים בתוך פסי הלחיצה, ושאלות מה ימנע מהלחיץ הנוזלי להכנס אליהם. אם התשובה היא "שום דבר", מצאתם את הבעיה עוד לפני שהיא תעלה לכם מחיר של ייצור מלא. זהו התיקון הזול ביותר בתחום זה – והוא זמין לכל מי שמבלה שלושים שניות בבדיקה.