Kāpēc HASL turpina izraisīt īssavienojumus jūsu smalkās solu BGA plāksnēs?

Kāpēc HASL turpina izraisīt īssavienojumus jūsu smalkās solu BGA plāksnēs?

Monotonijas problēma, ko neviens nav iekalkulējis

Es joprojām atceros pirmo plati, kas man parādīja, kāpēc nepatīk virsmas pārklājums. Klienta precīzās piestiprināšanas BGA izvietojums – 0,5 mm solis tīkla ASIC, ko apkārtēja 0402 pasīvo komponentu gredzens – tika atgriezts no SMT uzstādīšanas procesa ar 14 % paneli, kurām trūka savienojuma. Visas kļūmes bija vienā un tajā pašā vietā: lodējuma tilti starp BGA kontaktligzdām, kuru attālumam vajadzētu būt 0,3 mm. Rentgenbildes izskatījās tā, it kā kāds būtu izliedzis lodējumu visā BGA apgabalā.

Plates ražotāja pirmā reakcija bija vainot šablonu. Tad lodējuma pastu. Pēc tam refluksa profilu. Mēs pārbaudījām visus trīs. Tie bija perfekti.

Tad beidzot kāds uzdeva jautājumu, ko neviens nebija uzdevis pasūtot: kāds ir virsmas pārklājums ? Risinājums bija HASL — karstā gaisa lodēšana. Zema izmaksu, ātra un absolūti nepareiza šīs plates apstrādei. Klients bija ietaupījis 0,11 USD uz vienas plates pārklājuma izmaksās. Pārstrādes un atkritumu izmaksas šajā ražošanas sērijā kopumā nepārsniedza 19 000 USD.

Ko patiesībā dara HASL uz pieslēguma virsmas

Lai saprastu, kāpēc HASL nedarbojas uz plātēm ar mazu kontaktpunktu attālumu, jāsaprot šis process. Neapstrādāta plate tiek iegremdēta šķidrā lodēšanas līdzekļa vannā — vairumā moderno ražotņu bezsvina SAC305 lodēšanas līdzeklī — un pēc tam velkama cauri karstā gaisa nazīšu komplektam, kas no virsmas noņem lieko lodēšanas līdzekli. Mērķis ir veidot plānu, vienmērīgu pārklājumu visiem atklātajiem vara pieslēgumpadīšiem.

Tas ir teorētiskais princips. Fizikas likumi ir daudz mazāk līdzdalīgi.

HASL biezums svārstās ļoti daudz vienā un tajā pašā plates virsmā. Atkarībā no kontaktu laukuma ģeometrijas, plates orientācijas un gaisa strūklu iedarbības veida, lodējuma slānis var būt no 1 mikrona līdz 40 mikroniem. Daži kontaktu laukumi kļūst gandrīz līdzeni. Citi beidzas ar redzamu lodējuma kupolu. Tas nav problēma precīzās ražošanas uzņēmumā — tas ir procesa būtiskā īpašība. Katrai HASL platei visā pasaulē tas ir raksturīgs.

Uz rupjas plates ar 1 mm lieliem kontaktu laukumiem un plašu attālumu starp tiem 20 mikronu augstuma atšķirība starp blakus esošiem kontaktu laukumiem ir nenozīmīga. Lodējuma maska veic savu darbu, komponenti ir lieli un viss darbojas.

Uz precīzās piestiprināšanas BGA ietekme, skaitļi stāsta dažādu stāstu. 0,5 mm solu BGA ir kontaktplāksnītes apmēram 0,25 mm lielumā. 0,4 mm solu BGA — kas ir ievērojami tipiskāka patērētāju un rūpnieciskajiem izstrādājumiem — ir kontaktplāksnītes, kas tuvojas 0,2 mm lielumam. Tagad veicim matemātisko aprēķinu: 25–40 mikronu lodējuma kupols uz 200 mikronu kontaktplāksnes rada 12–20 % novirzi kontaktplāksnes augstumā. Vienā BGA zem simtiem kontaktplāksnīšu iegūst virsmu, kas līdzinās nelielai kalnu grēdai, nevis līdzenai pieskārienu zonai.

BGA lodējuma bumbiņas nav vienaldzīgas pret kalniem. Tām vajag līdzenumu.

Divi kļūmes režīmi, viena pamatcēlonis

Neievilktā HASL virsma rada divus tradicionālos BGA trūkumus: lodējuma savienojumu un atvērtas cirkultes . Tie šķiet pretēji, tomēr tiem ir viens un tas pats izcelsmes avots — bumbiņas vairs neiekrist uz tām vietām, kur projektētājs tos bija paredzējis.

Lodējuma mostu veidošanās notiek galapunktos tur kur HASL kupols ir augstākais, lodējuma slānis izpletas sāniski tālāk par kontaktlaukuma nominālo robežu. Pie 0,3 mm attāluma tas pietiek, lai būtiski samazinātu attālumu starp apkārtējiem kontaktlaukumiem. Kad BGA lodīte kausējas un solder paste kusa, papildu lodējums no HASL pārklājuma kopā ar samazināto attālumu veido nosacījumus tiltiņu veidošanai. Lodējumam nav jābūt stipri nobīdītam — tam vienkārši jāatrod ceļš pāri spraugai, kuru jau ir sašaurinājis pārklājums.

Atvērtas ķēdes rodas pretējā galā. BGA iepakojuma lodīšu pieslēgumi ir kopplaknīgi ar precizitāti dažus mikrometrus, kad tie iziet no plākšņu piegādātāja. Arī dēļa kontaktlaukumiem jābūt kopplaknīgiem — tieši šis ir mērķis, kuru apzīmē vārds „land“ („kontaktlaukums“) terminā „land pattern“ („kontaktlaukumu izkārtojums“). Ja daži kontaktlaukumi atrodas par 30 mikrometriem augstāk nekā to blakus esošie kontaktlaukumi, BGA lodīšu pieslēgumi saskaras ar augstākajiem kontaktlaukumiem pirmajā pozicionēšanas un lodēšanas posmā. Zemāk esošie kontaktlaukumi var radīt vāju savienojumu, daļēju savienojumu vai vispār neveidot savienojumu. Šie defekti var iziet cauri ātrai vizuālai pārbaudei un vēlāk parādīties kā periodiskas kļūdas funkcionālajā pārbaudē — vai pat sliktāk — mēnešiem vēlāk ekspluatācijas laikā.

Ir arī trešais, klusākais jautājums. Lodlapas printēšana pieņem līdzenu virsmu. Sietiņa atvērume ir izstrādāta tā, lai uz katru kontaktlaukumu uzklātu precīzu pastas daudzumu. HASL kupolā pasts izplatās nevienmērīgi, uz augšu tiek izstiepts un sabiezē sānos. Pat dēļi, kas neveido tiltiņus, var beigties ar neatbilstošu lodēšanas savienojumu apjoma visā BGA— kas izpaužas kā nulles vērtības un integritātes problēmas vēlākā posmā.

Kāpēc kāds vēl vienmēr norāda HASL uz BGA plates

Neviens neizstrādā plati un neapgalvo: „Es vēlētos dažus lodēšanas tiltiņus, lūdzu.“ HASL tiek izvēlēts trīs iemeslu dēļ, un visi trīs ir viegli saprotami.

Izmaksas hASL ir vislētākais virsmas pārklājums ražošanā, un lielos daudzumos cena par plati salīdzinājumā ar ENIG — bezstrāvas nikela un imerzijas zelta pārklājumu— krietni pieaug. Platai bez smalkas pieskares komponentiem šī ietaupījuma prakse ir pamatota. Problema rodas tad, kad tā pati cenas pamatojuma loģika tiek piemērota plati, kurā ir viens BGA komponents. Viens 0,4 mm solis komponents pietiek, lai HASL būtu nepiemērots visai plaknei, taču iegādes lēmums ne vienmēr izdara šo saistību.

Iepazīstamība . HASL jau vairākus gadus ir pastāvējis. Vecāki inženieri un iepirkumu grupas to ir izmantojuši katrā plāksnē, kuru viņi līdz šim ir izgatavojuši, un tas nekad nav radījis problēmas. Tomēr viņi ne vienmēr apzinās, ka viņu vecākajās konstrukcijās izmantotas detaļas ar 0,8 mm vai 1,0 mm soli. Pēdējos piecos gados nozares parastais solis ir ievērojami samazinājies, un pārklājums, kas darbojās ar vecajām plāksnēm, vairs nav piemērots.

Rūpnīcas noklusējuma iestatījumi . Šis gadījums mani uzbāž visvairāk. Neiedomājami daudz plākšņu ražotāji pēc noklusējuma izvēlas HASL pārklājumu, ja klients nav norādījis citu pārklājumu, jo tas ir viņu lētākais un augstākās ražības process. Pasūtījums tiek iesniegts, virsmas pārklājuma lauks paliek tukšs, un pēc noklusējuma tiek izmantots HASL. Neviens nejautā, vai plāksnē ir detaļas ar šauru soli. Klients atklāj problēmu pirmajā montāžas ciklā.

Ko patiesībā ieteic tirgus

Šeit sniegtā padoms nav strīdīga — katrs nozīmīgs uzraudzības padomes dokuments un standartu dokuments norāda to pašu. Par precīzo BGA uzstādīšanu (0,5 mm solis un mazāks), ENIG ir parastā izvēle. Niķeļa kārta (parasti 3–6 mikroni) tiek noguldīta ķēdes reakcijas ceļā, tāpēc tā atbilst kontaktu virsmas ģeometrijai atomu pa atomam, nevis tiek uzklāta ar karstu gaisu. Iegremdētā zelta plānā kārta (0,05–0,1 mikroni) aizsargā niķeli un nodrošina līdzenu, lodējamu virsmu. Rezultāts ir: kontaktu virsmu līdzenums mērīts mikronos, nevis desmitos mikronos.

OSP — dabiski lodējama ķīmiska viela — ir līdzena, zemākas izmaksas alternatīva. Organiskā plēve ir tikai 0,2–0,5 mikronu bieza un vispār nesamazina kontaktu virsmas augstumu. Tomēr ir reāli kompromisi: OSP ir īsāks derīguma termiņš (parasti 6–12 mēneši), prasa uzmanīgu apstrādi un plēve sadeg pirmajā lodēšanas ciklā, atklājot neaizsargātu varu.

Ir situācijas, kurās HASL joprojām ir pareizais tālruna zvans: caurumu dominējošas plates, rupjas solu dizaini un produkti, kuros vairākas pārkarsēšanas ciklu un ilgstoša uzglabāšana ir svarīgāka nekā precīzu elementu vienveidība. Galvenais ir šo izvēli veikt apsvērti, pamatojoties uz faktiskajām komponentēm – nevis automātiski piekrist pēc noklusējuma.

Izmaksu matemātika, ko neviens negrib veikt

Apskatīsim skaitļus blakus blakus, jo tieši šeit patiešām tiek pieņemts lēmums.

5000 plākšņu partijā tas ir kaut kur starp 500 un 2500 ASV dolāriem. Nozīmīgs skaitlis, tomēr neliels salīdzinājumā ar to, kas seko.

Viena vienīga BGA lodējuma tiltiņa, kas izbēg pārbaudi, izmaksā galaproduktam. 14 % dēļu atteikumu līmenis — tas pats, ar ko es sāku šo īso rakstu — izmaksā pārveidošanas darbu, aizvietošanas komponentus, paātrinātu piegādi un zaudētu ražošanas jaudu. Šajā klienta gadījumā ietaupījumi, izvēloties HASL, bija aptuveni 550 USD šajā pasūtījumā. Zaudējumi bija 19 000 USD. Attiecība nepalielinās ar apjomu; tā kļūst vēl sliktāka, jo lauka atteikumi rodas pēc produkta nosūtīšanas.

Ja jūs norādāt PCB virsmas pārklājumu un dizains ietver smalku soli BGA, uzdodiet dēļu ražotājam vienu jautājumu: kāda ir pieslēguma vietu koplanaritātes specifikācija ar šo pārklājumu? Ja viņi nevar atbildēt ar skaitli vai ja atbilde ietver frāzi «tas ir atkarīgs no tā, kur gaisa asmeņi ir iedarbojušies», tad jums jau ir atbilde.

Plakana virsma nav augstas klases papildinājums BGA dēļiem. Tā ir pati būtība.