Varför försvinner din lödning inuti genomkontakten?

Varför försvinner din lödning inuti genomkontakten?

Den avkopplade via-i-kontaktytan-fångsten

Marknaden Röntgen bilden berättade hela historien, men ingen tänkte granska den. En kunds kretsplatta – en tjock modul utvecklad kring en 0,5 mm pitch BGA – hade faktiskt kommit tillbaka från  reflow  med en 9 % felkvot vid första testet. De felaktiga anslutningarna saknades inte. De var tunna. Röntgenbilden visade lödanslutningar som såg ut som om de hade gått ner i vikt: delvis fyllda, bristfälliga på lödmedel, och några var tydligt gränsfall till öppna anslutningar.

Vi testade de vanliga misstänkta orsakerna. Stencilen var korrekt – bra. lödpasta  volymen låg inom specifikationen – bra. Reflow-profilen stämde överens med lödmedelstillverkarens rekommendation – bra.

Sedan vände en ingenjör plattan och märkte något på undersidan. Precis under BGA-området var via-hålen fulla av lödmedel. Inte lite. Fullständigt fyllda, som små metallrör.

Designen hade placerat via-hål direkt i kontaktytorna – via-in-pad, den formateringsmetod som gör tät BGA-dirigering möjlig – och ingen hade egentligen definierat genom pluggning. Under reflöde gjorde smält lödmedel vad smält lödmedel alltid gör när det hittar ett öppet hål: det strömmade in. Förbindningarna före spenderades för detta.

Fysiken bakom ett lödmedels-törstigt hål

Här är mekanismen, reducerad till sina grundenheter. När lödmedelspasta smälter i reflödsugnen blir den vätskeformad. Vätskeformat lödmedel fuktar koppar – det är just detta som gör lödning möjlig över huvud taget. Ett öppet genomgående hål mitt på en pad är ett kopparbelagt rör som leder rakt ner genom kortet. Det vätskeformade lödmedlet behöver inte tryckas in. Kapillärkraften drar det in i genomgående hålets skal, på samma sätt som vatten stiger uppåt i ett pappershandduke.

Mängden löd som ett genomgående hål kan absorbera är inte oväsentlig. Tänk på en vanlig konfiguration: ett 0,25 mm stort hål i en BGA-kontakt med 0,4 mm avstånd mellan kontakterna. Ett 0,25 mm stort hål i en 1,6 mm tjock kretskort har en inre volym på cirka 0,08 kubikmillimeter. En vanlig stencil för den här kontakten applicerar mellan 0,1 och 0,15 kubikmillimeter lödmedel – och lödmedlet utgör endast ungefär hälften järn i volym efter att lödmedelsvätskan förångats. Med andra ord kan ett enda öppet genomgående hål absorbera nästan all löd som var avsedd att bilda lödförbindelsen. I vissa fall till och med hela mängden.

Det är matematiken bakom problemet. Det är inte en låg risk. Det är inte något i stil med "ibland får man en något svagare förbindelse." Ett okapslat genomgående hål i en BGA-kontakt kan absorbera hela lödmängden för den aktuella kontakten, vilket lämnar en förbindelse som antingen är öppen eller så lödbristande att den går sönder inom månader under termisk cykling.

Varför ingenjörer hamnar här

Ingen ritar avsiktligt ett öppet genomgående hål i en pad. Strategin med genomgående hål i paden finns eftersom det är det enda sättet att koppla bort benen på en fin-pitch-BGA. Under ca 0,5 mm pitch finns det inte utrymme mellan padarna för dog-bone-routning – den vanliga metoden att dra en kort spår från paden till ett genomgående hål placerat vid sidan. Paden själv måste innehålla genomgående hålet, annars kan konstruktionen inte realiseras alls.

Så tekniken är legitim och betydligt nödvändig. Vad förvirrar människor är kravet: ett genomgående hål i en pad är endast tillåtet om det behandlas korrekt. Konstruktionsdata anger "through below". Tillverkningsordern måste ange "fyll och täck detta genomgående hål" – och om den inte gör det, tillverkar fabriken genomgående hålet som ett enkelt pläterat genomgående hål, precis som det är ritat, och kortet levereras med många små löd-törstiga sugrör under BGA:n.

Jag har faktiskt sett serien upprepas tre gånger under de senaste två åren. En utvecklare inkluderar via-in-pad för att koppla ut en tät komponent. De fantastiska anteckningarna diskuterar lageruppbyggnaden, produkten, kopparvikten – allt annat än via-behandlingen. Kretskortsleverantören citerar och tillverkar kortet utan att fråga, eftersom deras system behandlar en ospecificerad via som en öppen genomföring. Den första monteringskörningen avslöjar problemet. Skuldspelet börjar. Ingen vinner.

Vad den öppna via:n faktiskt kostar dig

Felningsmoderna från lödmedelsutbredning är inte begränsade till tunna fogar. Det finns fyra, och de ackumuleras:

Lödmedelsbrist och öppningar. Fogtyperna innehåller mindre lödmedel än vad som krävs. I värsta fall blir aldrig BGA-kulan våt på kontaktytan, och du får en öppning som endast upptäcks vid funktionsprov – eller ännu värre, i fält.

Glapp.  Även om leden ser lämpliga ut lämnar lödningen som inte rörde sig korrekt in i genomkontakten ofta tomrum kvar. Tomrum i BGA-leder höjer elektrisk resistans och skapar spänningskoncentrationspunkter. Under termisk cykling expanderar de. En ogiltig led godkänns vid röntgenkontrollen på fabriken men misslyckas vid månad 14.

Utgasning.  Genomkontakter som inte är anslutna kan fängsla in flödesrester, fukt och hanteringskemikalier i deras cylinderformade del. Under omlödning ångas denna förorening bort och pressar bubblor upp genom den smälta lödningen. I värsta fall får detta lödningen att spruta ut från genomkontakten till närliggande kontaktytor – en defekt som kan kortsluta två ej sammanbundna nät och orsaka ett fel som är mycket svårt att spåra.

Lödbollar.  Lödning som kommer från en icke-ansluten genomkontakt på undersidan kan bilda lösa kulor under kortet. Lösa ledande partiklar inuti ett hölje är en periodisk kortslutning som väntar på att inträffa.

Var och en av dessa misslyckade inställningar går att undvika. Var och en av dem upptäcks inte förrän de redan är utvecklade – skadan uppstår inuti via-kärnan under ett 30-sekundersfönster i reflovlugnen.

Hur korrekt bearbetning ser ut

Lyckligtvis: detta problem har en väldefinierad, standardlösning. Problemet: den måste specificeras, eftersom den innebär kostnader och inte sker automatiskt.

Via-anslutning  är den minsta kravet – att fylla via-kärnan med ett material så att lödmedel inte kan tränga in i den. För via-in-Pad  applikationer är det vanliga tillvägagångssättet via-fyllning plus kapplätering : via:n fylls med ett ledande eller icke-ledande harpiks, harpiksen härdas och slipas platt, och därefter läggs en kopparlock över toppen. Resultatet är en pad-yta som är likvärdig med en pad utan via i alla avseenden. Lödgrädden placeras på fast koppar, precis som stencilens design avser.

Branschen kategoriserar säkerhet enligt IPC-4761 , vilket specificerar sju olika typer av säkerhetsåtgärder, från enkel tenting till fyllda och täckta konstruktioner. För via-in-pad är de relevanta typerna de fyllda – typ IV (fylld och täckt) och typ VII (fylld och täckt med extra mask). Nedan följer skillnaden som ofta förvirrar användare: tenting – där öppningen endast täcks av lödmask på båda sidor – är INTE lämplig för via-in-pad. Tenting håller löd borta från hålet på ytan, men masken kan spricka under termisk belastning, och den ger ingen lösning för utgående gaser eller för kontaminering fångad i hålets mantel. Tenting används för genomgående kontaktöppningar mellan komponentplattor, inte i dem.

två ytterligare uppgifter som är viktiga i produktionen:

Först, valet av fyllningsprodukt. Ledande  materialfyllning (vanligtvis kopparfylld epoxi) väljs när genomgående kontaktöppningen leder ström – den bibehåller den elektriska vägen genom komponentplattan. Icke-ledande  hartsilik är acceptabelt där genomföringen endast behöver stängas mekaniskt. Valet påverkar kostnaden och den elektriska prestandan, och det bör göras i samband med designbeslutet – inte upptäckas först vid tillverkningen.

Andra, fyllnadskvaliteten. En delvis fylld genomföring är lika dålig som en öppen – om materialet stannar halvvägs ner i hålet finns det fortfarande ett utrymme under kontaktytan som kan fånga återstoder och avge gaser under lödning. IPC:s riktlinjer kräver att fyllnaden i BGA-området i princip är fri från tomrum, och en kompetent tillverkare kommer definitivt att ta ett tvärsnitt av en provbit från varje tillverkningspanel för att bevisa detta. Om din leverantör inte kan visa dig dessa tvärsnittsdata, fråga varför.

Gör en omgång runt det när du kan

Om signalöverföringen tillåter det är den renaste lösningen att undvika via-in-pad helt och hållet. Dog-bone-routning – en kort spårning från komponentplattan till en via placerad nära den – är det klassiska alternativet och eliminerar problemet vid källan. Kompromissen är utrymmet: 'dog-bone'-utformningen tar upp mer plats, och under 0,4 mm pitch får den ofta inte plats. Därför finns via-in-pad över huvud taget.

Det finns också möjligheten att använda via-in-pad endast där det behövs . En kretsplatta kan leda de flesta av sina spår med 'dog-bone'-lösning och använda via-in-pad endast för de rader med BGA-kontakter som verkligen inte kan lösas på något annat sätt. Denna hybridlösning minskar antalet via:ar som måste fyllas – vilket är där tillverkningskostnaden egentligen ligger – utan att påverka möjligheten att röra spåren.

Kraven som bevarar spårens genomförbarhet

Lösningen på denna helgrupp av problem reduceras till en enda rad i tillverkningsanvisningarna: fyll och täck alla via:ar i komponentplattor enligt IPC-4761 typ IV/VII, med tomhetsfri fyllning verifierad genom tvärsnittsanalys.

Den meningen kostar dig praktiskt taget ingenting att skriva. Den sparar omarbete, skrot, ytfel och oenighet om vem som är skyldig.

Här är ett test du kan utföra på ditt nästa kretskort innan det skickas till tillverkning: öppna dina designdata, räkna antalet genomgående hål (vias) som nuddar eller ligger inom lödplattor och fråga dig vad som ska hindra flytande löd från att tränga in i dem. Om svaret är "ingenting" har du faktiskt identifierat problemet innan det kostar dig en hel tillverkningsomgång. Det är den billigaste reparationen inom detta område – och den är tillgänglig för alla som tar trettio sekunder på sig att titta.