Почему HASL вызывает короткое замыкание на ваших платах BGA с мелким шагом?

Почему HASL вызывает короткое замыкание на ваших платах BGA с мелким шагом?

Проблема однообразия, которую никто не учёл при расчёте стоимости

Я до сих пор помню первую плату, которая заставила меня негативно относиться к финишному покрытию поверхности. У заказчика bGA с мелким шагом компоновка — ASIC сетевого контроллера с шагом 0,5 мм, окружённый кольцом пассивных компонентов размером 0402 — вернулась из SMT-монтажа с дефектом соединения на 14 % панелей. Все отказы возникали в одном и том же месте: мосты из припоя между контактными площадками BGA, расстояние между которыми должно было составлять 0,3 мм. Рентгеновские снимки выглядели так, будто кто-то просто вылил припой на всю область BGA.

Первым инстинктом производителя плат стало обвинить трафарет. Затем паяльную пасту. Потом профиль термического профиля при пайке. Мы проверили всё это. Всё было в порядке.

Затем кто-то наконец задал вопрос, который никто не задавал при оформлении заказа: какое покрытие поверхности ? Решение заключалось в HASL — использовании горячего воздуха для пайки. Недорого, быстро и совершенно неподходяще для этой платы. Заказчик сэкономил 0,11 долл. США на каждой плате за счёт выбора покрытия. Затраты на переделку и списание в рамках этого производственного цикла составили чуть менее 19 000 долл. США.

Что на самом деле происходит с поверхностью контактной площадки при нанесении HASL

Чтобы понять, почему HASL не подходит для плат с мелким шагом, необходимо разобраться в этом процессе. Готовая плата погружается в ванну расплавленного припоя — безсвинцового сплава SAC305, который применяется во многих современных производствах, — а затем проходит через систему струй горячего воздуха, удаляющих избыток припоя с поверхности. Цель — получить тонкое и равномерное покрытие на каждой оголённой медной контактной площадке.

Вот такова теория. Физические процессы, однако, значительно сложнее.

Толщина HASL значительно варьируется даже на одной плате. В зависимости от геометрии контактных площадок, ориентации платы и точного направления воздушных струй толщина слоя припоя может составлять от 1 до 40 микрон. Некоторые площадки оказываются практически идеально ровными, другие — с заметным куполообразным выступом из припоя. Это не дефект на современном производстве — это фундаментальная особенность процесса. У всех плат HASL в мире наблюдается подобное явление.

На грубой плате с контактными площадками размером 1 мм и широким межплощадочным расстоянием разница в высоте между соседними площадками в 20 микрон не имеет значения. Сolder mask выполняет свою функцию, компоненты крупные, и всё работает корректно.

На bGA с мелким шагом воздействие, цифры рассказывают разную историю. У BGA с шагом 0,5 мм размеры контактных площадок составляют около 0,25 мм. У BGA с шагом 0,4 мм — типичного решения для потребительских и промышленных изделий — площадки приближаются к 0,2 мм. Теперь произведём расчёт: паяльный купол высотой 25–40 мкм на площадке диаметром 200 мкм создаёт отклонение высоты площадки на 12–20 %. На сотнях площадок под одной BGA получается поверхность, напоминающая небольшой горный хребет, а не ровную посадочную зону.

Паяльные шарики BGA не терпят неровностей. Им нужна ровная поверхность.

Два режима отказа, одна корневая причина

Неравномерная поверхность HASL вызывает два традиционных дефекта BGA: паяльное соединение и открытые цепи они выглядят как противоположности, но имеют общий источник — шарики не попадают в те места, где их предполагалось разместить по проекту.

Паяльный мостик образуется на крайних участках там, где купол HASL имеет наибольшую высоту, слой припоя выходит за номинальные границы контактной площадки. При расстоянии 0,3 мм этого достаточно, чтобы существенно уменьшить зазор между соседними площадками. Когда шарик BGA расплавляется в процессе пайки, сочетание избыточного припоя от финишного покрытия HASL и сокращённого межплощадочного расстояния создаёт предпосылки для образования перемычек. При этом припой не обязательно должен быть сильно смещён — ему достаточно просто найти путь через зазор, который уже был сужен покрытием. паста для сварки при плавлении припой не требует сильного смещения — ему достаточно просто найти путь через зазор, который уже был сужен покрытием.

Обрывы цепей возникают на противоположном конце спектра. Сферы припоя в корпусе BGA являются компланарными с точностью до нескольких микрон при выходе из производства поставщика. Площадки на плате также должны быть компланарными — именно это и подразумевается под термином «земля» в выражении «ланд-паттерн». Когда некоторые площадки расположены на 30 микрон выше соседних, шарики BGA сначала касаются более высоких площадок при позиционировании и расплавлении. Пониженные площадки могут привести к слабому соединению, частичному соединению или отсутствию соединения вовсе. Именно такие дефекты проходят быструю визуальную проверку, а затем проявляются как периодические ошибки на функциональных испытаниях — или, что ещё хуже, спустя месяцы в эксплуатации на объекте.

Существует также третья, менее заметная проблема. Печать пастой с лейкой предполагает наличие ровной поверхности. Апертура трафарета рассчитана на нанесение строго определённого количества пасты на каждую площадку. На выпуклости HASL паста распределяется неравномерно: становится тоньше в верхней части и скапливается по краям. Даже те платы, которые не образуют мостиков, могут в итоге иметь неоднородные паяные соединения объёмы по всей площади BGA — что проявляется как аннулирование и проблемы с целостностью на последующих этапах.

Почему кто-либо до сих пор указывает HASL для платы с BGA

Никто не разрабатывает плату, заявляя: «Мне нужны мостики припоя, пожалуйста». HASL применяется по трём причинам, и все три причины легко понять.

Стоимость hASL — самое доступное покрытие поверхности в производстве, и при крупных объёмах разница в цене на одну плату по сравнению с ENIG — безэлектролитным никелевым иммерсионным золотом — накапливается. Для платы без компонентов с мелким шагом такая экономия оправдана. Проблема возникает, когда то же соображение цены применяется к плате, содержащей хотя бы один BGA. Один компонент с шагом 0.4 мм уже делает HASL непригодным для всей платы, однако при принятии закупочного решения эта связь не всегда учитывается.

Знакомство . HASL существует уже много лет. Более опытные инженеры и отделы закупок использовали его на каждой плате, которую они когда-либо изготавливали, и он никогда их не подводил. Однако они не всегда осознают, что в более ранних конструкциях применялись компоненты с шагом 0,8 мм или 1,0 мм. За последние 5 лет стандартный шаг компонентов в отрасли значительно уменьшился, и покрытие, подходившее для старых плат, больше не применимо.

Заводские настройки по умолчанию . Это вызывает у меня наибольшее раздражение. Неожиданно большое количество производственных предприятий по умолчанию выбирают HASL, если заказчик не указал тип покрытия, поскольку это самая дешёвая и высокопроизводительная линия. Заказ поступает, поле «тип поверхностного покрытия» остаётся пустым, и HASL применяется автоматически. Никто не проверяет, содержат ли платы компоненты с мелким шагом. Проблема выявляется заказчиком при первой попытке монтажа.

Что на самом деле рекомендует рынок

Совет, приведённый здесь, не вызывает споров — каждая значимая отраслевая организация и стандартный документ утверждают то же самое. Для монтажа BGA с мелким шагом (шаг 0,5 мм и менее) ENIG традиционным выбором является технология Immersion Nickel Gold (ENIG). Никелевый слой (обычно толщиной 3–6 мкм) наносится методом химического осаждения, то есть он точно повторяет геометрию контактной площадки атом за атомом, а не наносится струёй горячего воздуха. Тонкое покрытие иммерсионного золота (0,05–0,1 мкм) защищает никель и обеспечивает ровную, пригодную для пайки поверхность. Результат: плоскостность контактных площадок измеряется в микронах, а не в десятках микрон.

ОПР oSP — естественный химический состав для обеспечения паяемости — представляет собой недорогую и ровную альтернативу. Органическая плёнка имеет толщину всего 0,2–0,5 мкм и совершенно не изменяет высоту контактных площадок. Однако компромиссы очевидны: срок хранения OSP ограничен (обычно 6–12 месяцев), требует аккуратного обращения, а при первой пайке плёнка сгорает, обнажая чистую медь.

Существуют ситуации, когда HASL остаётся правильным выбором: печатные платы с преобладанием сквозных отверстий, конструкции с крупным шагом и изделия, для которых важнее множество циклов пайки и длительное хранение, чем единообразие мелких элементов. Ключевой момент — осознанный выбор на основе реального набора компонентов, а не автоматическое применение по умолчанию.

Математика затрат, которую никто не хочет выполнять

Сравним цифры напрямую — именно здесь и принимается окончательное решение.

Для партии из 5000 плат это составляет от 500 до 2500 долларов США. Значимая сумма, но незначительная по сравнению с тем, что следует далее.

Один единственный незамеченный мостик пайки BGA приводит к браку готового изделия. Показатель отказов на уровне 14 % — тот самый, с которого я начал эту короткую статью — влечёт за собой расходы на переделку, замену компонентов, срочную доставку и потери производственной мощности. В случае этого заказчика экономия от выбора технологии HASL составила всего 550 долларов США по данному заказу, тогда как общие издержки достигли 19 000 долларов США. Соотношение не улучшается при увеличении объёмов — оно ухудшается, поскольку отказы в эксплуатации проявляются уже после отгрузки изделия.

Если вы определяете Покрытие поверхности печатной платы и в конструкции присутствует BGA с мелким шагом, задайте производителю платы один вопрос: каковы значения спецификации плоскостности контактных площадок для данного покрытия? Если он не может ответить конкретным числом или его ответ звучит как «зависит от того, куда попали воздушные струи», — вы уже получили свой ответ.

Плоская поверхность — это не роскошь для платы с BGA. Это её основная функциональная необходимость.