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LINKS RÁPIDOS
ORadiografia a imagem contava toda a história, mas ninguém pretendia analisá-la. Uma placa de consumidor — um módulo espesso desenvolvido em torno de uma BGA de passo 0,5 mm — havia retornado efetivamente de reflow com taxa de falha na primeira inspeção de 9%. As juntas defeituosas não estavam ausentes. Eram finas. A radiografia mostrou juntas de solda que pareciam ter feito dieta: parcialmente preenchidas, carentes de solda, com algumas claramente à beira de circuitos abertos.
Analisamos os suspeitos habituais. A estêncil foi verificada — ok. O pasta de solda volume estava dentro da especificação — ok. O perfil de refluxo correspondia à recomendação do fabricante da pasta — ok.
Então, um engenheiro girou a placa e notou algo na face inferior. Exatamente sob a área da BGA, os vías estavam cheios de solda. Não um pouco. Cheios até a borda, como minúsculos canudos metálicos.
O projeto havia posicionado vías diretamente nas pads -- via-in-pad, o método de formatação que torna viável a direção densa de BGA -- e ninguém havia, de fato, definido por meio de tampão. Durante a refusão, a solda fundida fez o que solda fundida sempre faz ao encontrar um orifício aberto: escoou para dentro dele. As juntas anteriores pagaram por isso.
Eis o mecanismo, reduzido aos seus fundamentos. Quando a pasta de solda derrete no forno de refusão, ela se torna líquida. A solda líquida umedece cobre — é isso que torna a soldagem possível, afinal. Um orifício passante no centro de uma pista é um tubo revestido de cobre que se estende diretamente para baixo, dentro da placa. A solda liquefeita não precisa ser empurrada. A ação capilar a puxa para dentro do barril do orifício passante, da mesma forma que a água sobe por uma toalha de papel.
A quantidade de solda que um furo passante pode absorver não é desprezível. Considere uma configuração comum: um furo de 0,25 mm em uma pista BGA com passo de 0,4 mm. Um furo de 0,25 mm em uma placa de 1,6 mm tem um volume interno de aproximadamente 0,08 milímetros cúbicos. Uma máscara típica para essa pista deposita entre 0,1 e 0,15 milímetros cúbicos de pasta — e a pasta contém apenas cerca de metade de metal em volume após a queima do veículo. Em outras palavras, um único furo passante aberto pode absorver quase toda a solda destinada à formação da junção. Em alguns casos, absorve-a integralmente.
Essa é a matemática por trás do problema. Não se trata de um resultado insignificante. Não é um caso em que «frequentemente se obtém uma junção ligeiramente fraca». Um furo passante não tampado em uma pista BGA pode absorver todo o suprimento de solda destinado àquela junção, deixando uma conexão aberta ou tão empobrecida que falha em poucos meses sob ciclagem térmica.
Ninguém projeta intencionalmente um furo de passagem (via) aberto dentro de uma pista (pad). A estratégia de via-in-pad existe porque é a única maneira de escapar dos pinos de uma matriz de esferas (BGA) com passo fino. Abaixo de aproximadamente 0,5 mm de passo, não há espaço entre as pistas para roteamento em formato de ‘cachorro-quente’ — a opção típica de traçar uma curta conexão da pista até um furo de passagem posicionado ao lado. A própria pista deve incorporar o furo de passagem, ou o projeto simplesmente não poderá ser fabricado.
Portanto, a técnica é válida e significativamente necessária. O que confunde as pessoas é o objetivo: um furo de passagem dentro de uma pista só é aceitável se for processado adequadamente. Os dados do projeto indicam ‘através abaixo’ (through below). A ordem de fabricação deve especificar claramente ‘preencher e tampar este furo de passagem’ — e, caso isso não ocorra, o fabricante produzirá o furo como um simples furo metalizado (plated-through hole), exatamente como desenhado, resultando numa placa com inúmeros pequenos ‘canudos’ sedentos de solda sob a BGA.
Na verdade, já vi essa sequência se repetir três vezes nos últimos dois anos. Um desenvolvedor inclui furos de passagem integrados à trilha (via-in-pad) para conectar um componente denso. As excelentes anotações discutem a estrutura multicamada (stack-up), o produto, a espessura do cobre — tudo, exceto o tratamento dos furos de passagem. A fabricante de placas orça e produz a placa sem questionar, pois seu sistema interpreta um furo de passagem não especificado como um furo aberto (open via). Na primeira rodada de montagem, o problema é descoberto. Começa então o jogo de atribuição de culpa. Ninguém sai vencedor.
Os modos de falha causados pela capilaridade da solda não se limitam a juntas finas. Há quatro modos, e eles se acumulam:
Falta de solda e interrupções elétricas. As juntas contêm menos solda do que o necessário. Nos piores casos, a esfera BGA nunca molha a trilha, resultando em uma interrupção que só aparece durante os testes funcionais — ou, pior ainda, em campo.
Espaços vazios. Mesmo quando a junção parece adequada, a solda que não penetrou corretamente no furo frequentemente deixa vazios para trás. Espaços nas junções BGA elevam a resistência elétrica e criam pontos de concentração de tensão. Sob ciclagem térmica, eles se expandem. Uma junção inválida passa na avaliação por raio X na fábrica, mas falha no mês 14.
Liberação de gases. Furos não conectados podem aprisionar resíduos de fluxo, umidade e produtos químicos de manuseio dentro do seu corpo. Durante a refusão, essa contaminação vaporiza e empurra bolhas para cima através da solda fundida. Nos piores casos, isso faz com que a solda seja expelida do furo para as pistas adjacentes — um defeito que pode causar curto-circuito entre duas redes não conectadas e gerar uma falha extremamente difícil de rastrear.
Esferas de solda. Solda proveniente de um furo não soldado no segundo lado pode formar esferas soltas sob a placa. Detritos condutivos soltos dentro de um invólucro são curtos-circuitos ocasionais à espera de ocorrer.
Cada uma dessas configurações com falha é evitável. Cada uma delas passa despercebida no momento em que é desenvolvida — o dano ocorre dentro do furo metallizado durante uma janela de 30 segundos no forno de refluxo.
Felizmente: esse problema tem uma solução bem definida e padrão. O problema: ela precisa ser especificada, pois implica custos adicionais e não ocorre automaticamente.
Conexão por furo metallizado é a exigência mínima — preencher o furo metallizado com um material para impedir que a solda o penetre. Para via-in-Pad aplicações preenchimento do furo metallizado mais metalização da cobertura : o furo é preenchido com uma resina condutora ou não condutora, a resina é curada e nivelada, e, em seguida, uma camada de cobre é depositada sobre a superfície. O resultado é uma superfície de pad equivalente, em todos os aspectos, a um pad sem furo metallizado. A pasta de solda repousa sobre cobre sólido, exatamente como previsto no projeto da estêncil.
O setor classifica essa segurança sob IPC-4761 , que especifica sete tipos de vedação de vias, desde a simples cobertura com máscara de solda até construções completamente preenchidas e tampadas. Para vias em pads (via-in-pad), os tipos relevantes são os preenchidos — Tipo IV (preenchido e coberto) e Tipo VII (preenchido e tampado com máscara adicional). Abaixo está a diferença que confunde muitas pessoas: cobertura com máscara de solda — em que a via é simplesmente coberta pela máscara de solda em ambos os lados — NÃO é adequada para vias em pads. A cobertura com máscara impede que a solda entre no furo na superfície, mas a máscara pode rachar sob estresse térmico e não resolve problemas de desgaseificação ou contaminação retida no corpo do furo. Essa técnica destina-se a vias entre pads, não dentro deles.
duas informações adicionais importantes para a produção:
Primeiro, a escolha do material de preenchimento. Condutivo o preenchimento com material (geralmente epóxi com cobre) é escolhido quando a via conduz corrente — ele mantém o caminho elétrico através do pad. Não condutor a resina é aceitável quando a via precisa apenas ser fechada mecanicamente. Essa opção afeta o custo e o desempenho elétrico, e deve ser definida durante a fase de avaliação do estilo, não descoberta na fábrica.
Em segundo lugar, a qualidade do preenchimento. Uma via parcialmente preenchida é tão ruim quanto uma via aberta — se o material parar na metade do furo, ainda haverá um espaço sob o pad que poderá reter contaminantes e liberar gases durante a soldagem por refluxo. As recomendações da IPC exigem que o preenchimento seja essencialmente livre de vazios na região BGA, e uma fábrica competente certamente fará a seção transversal de um cupom retirado de cada painel de produção para comprová-lo. Se seu fornecedor não puder lhe apresentar esses dados de seção transversal, pergunte por quê.
Se o projeto permitir, a solução mais limpa é evitar completamente as vias dentro dos pads. Roteamento em formato de osso — um traço breve do pad até uma via posicionada bem próxima a ele — é a opção clássica e elimina o problema na origem. A desvantagem é o espaço ocupado: a pegada em forma de ‘osso de cachorro’ é maior, e abaixo de passo 0,4 mm, normalmente não cabe. É exatamente por isso que a técnica via-in-pad foi criada inicialmente.
Existe também a opção de via-in-pad apenas onde necessária . Uma placa pode rotear a maior parte de suas trilhas com conexões em forma de ‘osso de cachorro’ e empregar via-in-pad apenas nas fileiras de pinos BGA que realmente não conseguem ser resolvidas de outra maneira. Esse método híbrido reduz a quantidade de vias que precisam ser preenchidas — o que representa o principal custo de fabricação — sem comprometer a capacidade de roteamento.
A solução para todo esse grupo de problemas resume-se a uma única linha nas instruções de fabricação: preencher e tampar todas as vias localizadas dentro dos pads das peças conforme IPC-4761 Tipo IV/VII, com confirmação de preenchimento isento de vazios mediante análise em seção transversal.
Essa frase não lhe custa praticamente nada para escrever. Ela evita retrabalho, refugos, falhas de área e desentendimentos sobre de quem é a culpa.
Aqui está um exame que você pode realizar em sua próxima placa antes de ela ir para a fabricação: abra seus dados de projeto, conte as vias que tocam ou caem dentro das áreas de solda e pergunte-se o que impedirá a solda líquida de entrar nelas. Se a resposta for "nada", você já identificou o problema antes que ele lhe custe uma rodada de produção. Esse é o reparo mais barato neste setor — e está acessível a qualquer pessoa que reserve trinta segundos para observar.
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