Dlaczego powłoka HASL nadal powoduje zwarcia na płytach BGA o małej odległości styków?

Dlaczego powłoka HASL nadal powoduje zwarcia na płytach BGA o małej odległości styków?

Problem monotoni, którego nikt nie wziął pod uwagę przy określaniu cen

Wciąż pamiętam pierwszą płytkę, która nauczyła mnie nie lubić powłoki powierzchniowej. Zamówienie klienta bGA o małej odległości styków układu – układ scalony ASIC do sieci o odległości styków 0,5 mm, otoczony pierścieniem elementów pasywnych 0402 – wróciło z Montażu SMT z 14% płyt nie spełniających wymagań dotyczących połączeń. Wszystkie uszkodzenia występowały w tym samym miejscu: mostki lutownicze między stykami BGA, które miały być oddzielone od siebie o 0,3 mm. Obrazy rentgenowskie wyglądały tak, jakby ktoś wylał lut na całą powierzchnię obszaru BGA.

Pierwszym odruchem producenta płytek było obwinienie szablonu. Następnie pasty lutowniczej. Potem parametrów procesu reflow. Przeprowadziliśmy analizę każdego z tych czynników. Wszystko było w porządku.

Następnie ktoś wreszcie zadał pytanie, którego nikt nie zadał podczas składania zamówienia: jaka jest powłoka powierzchniowa rozwiązaniem było HASL — lutowanie gorącym powietrzem. Niskokosztowe, szybkie i całkowicie nieodpowiednie dla tej płytki. Klient zaoszczędził 0,11 USD na każdej płytce dzięki wykończeniu powierzchni. Koszty naprawy i odpadów w tej serii produkcyjnej wyniosły nieco mniej niż 19 000 USD.

Co rzeczywiście robi powłoka HASL na powierzchni pola lutowniczego

Aby zrozumieć, dlaczego HASL nie nadaje się do płytek o małej odległości między polami lutowniczymi, należy poznać ten proces. Surowa płytki jest zanurzana w kąpieli ciekłego lutu — bezołowiowego lutu SAC305 w wielu nowoczesnych fabrykach — a następnie przeprowadzana przez zestaw noży gorącego powietrza, które usuwają nadmiar lutu z powierzchni. Celem jest uzyskanie cienkiej, jednolitej warstwy na każdym odsłoniętym polu miedzianym.

Tak brzmi założenie. Fizyka jest znacznie mniej współdziałająca.

Grubość powłoki HASL różni się znacznie na pojedynczej płytce. W zależności od geometrii stopków, orientacji płytki oraz dokładnego uderzenia ostrzy powietrznych warstwa lutu może mieć grubość od 1 do 40 mikronów. Niektóre stopki kończą się praktycznie na jednym poziomie. Inne przyjmują widoczną kopułkę z lutu. Nie jest to problem w zaawansowanym zakładzie produkcyjnym – jest to podstawowa cecha tego procesu. Każda płytkę HASL na świecie charakteryzuje taka nierówność.

Na prostej płytce ze stopkami o średnicy 1 mm i dużymi odstępami różnica wysokości 20 mikronów pomiędzy sąsiednimi stopkami jest bez znaczenia. Maska lutownicza pełni swoje zadanie, elementy są duże, a wszystko działa poprawnie.

Na bGA o małej odległości styków wpływ, liczby opowiadają różną historię. W BGA o rozstawie 0.5 mm średnica stopów wynosi około 0.25 mm. W BGA o rozstawie 0.4 mm – bardzo powszechnym w produktach konsumenckich i przemysłowych – średnica stopów jest bliższa 0.2 mm. Przeprowadźmy obliczenia: kopułka lutownicza o wysokości 25–40 µm na stopie o średnicy 200 µm powoduje odchylenie wysokości stopa w zakresie 12–20%. Na setkach stopów umieszczonych pod pojedynczym BGA powstaje powierzchnia przypominająca niewielki pasmo górskie zamiast płaskiej strefy styku.

Kulki lutownicze BGA nie tolerują wzniesień. Wymagają płaskości.

Dwa tryby awarii, jedna przyczyna podstawowa

Nierówna powierzchnia HASL powoduje dwa tradycyjne defekty BGA: połączenia lutownicze i otwarte obwody wyglądają one jak przeciwieństwa, lecz mają wspólną przyczynę – kulki nie lądują tam, gdzie projekt zakładał ich umieszczenie.

Przemieszczenie lutownicze występuje na skrajach . Tam, gdzie kopułka HASL jest najwyższa, warstwa lutu rozprasza się bocznie poza nominalne ograniczenie śladu. Przy odstępie 0,3 mm wystarcza to, by znacznie zmniejszyć luz między sąsiednimi śladami. Gdy kula BGA ulega przepaleniu i pasta lutowa topi się, połączenie dodatkowego lutu z wykończenia HASL oraz zmniejszonego odstępu tworzy warunki sprzyjające powstawaniu mostków. Lut nie musi być mocno niedopasowany – wystarczy, że znajdzie ścieżkę przez lukę, która została już zawężona przez powłokę.

Przerwy w obwodach powstają w przeciwnej sytuacji. Kulki lutownicze w obudowie BGA są współpłaszczyznowe z dokładnością do kilku mikrometrów po opuszczeniu dostawcy płytek. Płaskie powierzchnie (tzw. „lądy”) na płytce muszą również być współpłaszczyznowe – właśnie dlatego używa się określenia „wzór lądowy” (ang. land pattern). Gdy niektóre płaskie powierzchnie znajdują się o 30 mikrometrów wyżej niż ich sąsiednie elementy, kulki BGA najpierw stykają się z wyższymi powierzchniami podczas umieszczania i procesu lutowniczego. Niższe powierzchnie mogą doprowadzić do słabego połączenia, częściowego połączenia lub braku połączenia w ogóle. To właśnie takie wady przechodzą szybką kontrolę wizualną, a następnie ujawniają się jako okresowe błędy podczas testów funkcjonalnych – albo jeszcze gorzej: miesiącami później w warunkach eksploatacji.

Istnieje też trzeci, mniej zauważalny problem. Drukowanie pasty lutowej zakłada on płaską powierzchnię. Otwór w szablonie jest zaprojektowany tak, aby nanosić dokładnie określoną ilość pasty lutowniczej na każdą płaską powierzchnię. Na kopulastym warstwowaniu HASL pasta rozprasza się nieregularnie, cieni się u góry i gromadzi po bokach. Nawet płytki, które nie tworzą mostków, mogą kończyć się niestabilnymi połączeniami lutowniczymi objętości w całym BGA — co prowadzi do problemów z unieważnieniem i zagrożeń dla integralności w dalszej kolejności.

Dlaczego ktoś wciąż określa powłokę HASL na płytach z BGA

Nikt nie projektuje płytki, twierdząc: «Chciałbym mieć mostki lutownicze». HASL jest stosowane z trzech powodów, a wszystkie trzy są łatwe do zrozumienia.

Koszt hASL jest najtańszą powłoką powierzchniową w produkcji, a przy dużych ilościach różnica cenowa na jedną płytkę względem ENIG — chemicznie osadzanego niklu z immersyjnym złotem — narasta. Dla płytki bez elementów o małej rozstawie styków ta oszczędność jest uzasadniona. Problem pojawia się, gdy to samo rozumowanie cenowe stosuje się do płytki zawierającej pojedynczy układ BGA. Jeden element o rozstawie styków 0,4 mm wystarcza, by wykluczyć HASL dla całej płytki, ale decyzja zakupowa nie zawsze uwzględnia ten związek.

Znajomość . HASL ist bereits seit Jahren im Einsatz. Ältere Konstrukteure und Einkaufsgruppen haben es bei jeder Leiterplatte verwendet, die sie jemals gefertigt haben, und es hat sie niemals enttäuscht. Was ihnen jedoch nicht immer bewusst ist, ist, dass ihre älteren Designs Bauteile mit einem Rastermaß von 0,8 mm oder 1,0 mm verwendeten. Das branchenübliche Rastermaß hat sich in den letzten fünf Jahren deutlich verringert, und die Oberflächenbeschichtung, die bei den alten Leiterplatten funktionierte, ist nicht mehr geeignet.

Werkseinstellungen . Dieser Fall frustriert mich am meisten. Überraschenderweise stellen viele Leiterplattenhersteller standardmäßig auf HASL um, wenn ein Kunde keine Oberflächenbeschichtung angibt – einfach weil dies ihre kostengünstigste und höchstdurchsatzfähige Produktionslinie ist. Die Bestellung wird aufgegeben, das Feld für die Oberflächenbeschichtung bleibt leer, und HASL wird automatisch gewählt. Niemand prüft, ob die Leiterplatte feinrasterige Bauteile enthält. Der Kunde bemerkt das Problem erst beim ersten Montagedurchlauf.

Was der Markt tatsächlich empfiehlt

Ta porada tutaj nie budzi kontrowersji – każdy znaczący dokument dotyczący płytek drukowanych i normy techniczne stwierdzają to samo. Dla montażu BGA o małej odległości styków (odstęp 0,5 mm i mniej), ENIG jest standardowym wyborem. Warstwa niklu (zwykle 3–6 mikronów) jest osadzana metodą chemiczną, co oznacza, że dopasowuje się do geometrii pola lutowniczego atom po atomie, a nie jest nanoszona strumieniem gorącego powietrza. Cienka warstwa złota zanurzeniowego (0,05–0,1 mikrona) chroni niklową podkładkę i zapewnia płaską, łatwą do lutowania powierzchnię. Wynik: spłaszczenie pól lutowniczych mierzone w mikronach zamiast w dziesiątkach mikronów.

Ops – naturalna chemiczna właściwość lutowalności – to płaska, niskokosztowa alternatywa. Organiczna warstwa ochronna ma grubość zaledwie 0,2–0,5 mikrona i w żaden sposób nie zmienia wysokości pól lutowniczych. Kompromisy są rzeczywiste: OSP ma krótszy okres przydatności (zazwyczaj 6–12 miesięcy), wymaga ostrożnego obchodzenia się z płytą oraz warstwa ulega spaleniu podczas pierwszego cyklu lutowania powietrzem gorącym, odsłaniając gołą miedź.

Istnieją sytuacje, w których HASL nadal jest odpowiednim wyborem: płytki dominowane przez otwory przewiertowe, konstrukcje o dużym rozstawie elementów oraz produkty, w których liczne cykle reflow i długotrwałe przechowywanie są ważniejsze niż jednolitość drobnych cech. Kluczem jest świadomy wybór oparty na rzeczywistym zestawie komponentów – a nie automatyczne ustąpienie.

Matematyka kosztów, której nikt nie chce wykonać

Spójrzmy na liczby obok siebie, ponieważ właśnie tutaj podejmowana jest właściwa decyzja.

Dla serii 5000 płyt ta kwota mieści się gdzieś pomiędzy 500 a 2500 USD. Liczba istotna, ale niewielka w porównaniu do tego, co następuje.

Pojedynczy mostek lutowy BGA, który unika wykrycia podczas kontroli, kosztuje końcowy produkt. Stopa awarii płytek na poziomie 14% – ta, od której rozpocząłem ten krótki artykuł – wiąże się z kosztami ponownego montażu, wymiany komponentów, przyspieszonej wysyłki oraz utraty zdolności produkcyjnych. W przypadku tego klienta oszczędności wynikające z wybrania powłoki HASL wyniosły około 550 USD w ramach tego zamówienia. Koszty zaś sięgnęły 19 000 USD. Stosunek ten nie poprawia się przy większych ilościach; wręcz pogarsza się, ponieważ awarie występujące w terenie pojawiają się dopiero po wysyłce produktu.

Jeśli określasz Powłokę powierzchniową PCB a projekt zawiera BGA o małej rozstawie styków, zadaj producentowi płyt jedno pytanie: jaka jest specyfikacja współpłaszczyznowości śladów przy tej powłoce? Jeśli nie potrafi on odpowiedzieć konkretną liczbą albo jego odpowiedź brzmi np. «to zależy od tego, gdzie uderzyły łopatki powietrzne», to masz już swoją odpowiedź.

Płaska powierzchnia nie jest luksusem w przypadku płytki z BGA. To właśnie jej podstawowy warunek.