เหตุใดการชุบด้วยเทคนิค HASL จึงทำให้เกิดการลัดวงจรบนบอร์ด BGA ที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบ?

เหตุใดการชุบด้วยเทคนิค HASL จึงทำให้เกิดการลัดวงจรบนบอร์ด BGA ที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบ?

ปัญหาความจำเจที่ไม่มีใครคำนวณราคาไว้

ฉันยังจำบอร์ดชิ้นแรกได้ดี ซึ่งทำให้ฉันเริ่มไม่ชอบการเคลือบผิวหน้าบอร์ด bGA แบบพิทช์ละเอียด เลย์เอาต์—ชิป ASIC สำหรับเครือข่ายที่มีพิทช์ 0.5 มม. ล้อมรอบด้วยแหวนของพาสซีฟขนาด 0402—กลับมาจากการตั้งค่า SMT โดยมีแผงงาน 14% ล้มเหลวในการเชื่อมต่ออย่างสมบูรณ์ จุดล้มเหลวทั้งหมดเกิดขึ้นในตำแหน่งเดียวกันเสมอ: เกิดสะพานเชื่อมตะกั่วระหว่างแผ่นรอง BGA ที่ควรห่างกัน 0.3 มม. ภาพถ่ายเอกซเรย์ดูราวกับมีคนเทเนื้อตะกั่วทั้งหมดลงบนบริเวณ BGA ทั้งหมด

สัญชาตญาณแรกของทีมออกแบบบอร์ดคือการโทษแม่พิมพ์ จากนั้นจึงโทษครีมตะกั่ว และต่อมาก็โทษบันทึกการรีโฟลว์ เราตรวจสอบทุกส่วนอย่างละเอียด ทุกอย่างอยู่ในสภาพดีเยี่ยม

จากนั้นสุดท้ายแล้วก็มีคนถามคำถามที่ไม่มีใครเคยถามตั้งแต่เริ่มสั่งผลิต: ชั้นเคลือบผิวหน้าบอร์ดคืออะไร ชั้นเคลือบผิวหน้า วิธีแก้ปัญหาคือ HASL -- การบัดกรีด้วยลมร้อน ซึ่งมีต้นทุนต่ำ รวดเร็ว แต่ผิดอย่างสิ้นเชิงสำหรับแผงวงจรนี้ ลูกค้าประหยัดได้เพียง 0.11 ดอลลาร์สหรัฐต่อแผงเท่านั้นจากกระบวนการเคลือบผิว แต่ต้นทุนการปรับปรุงงานและของเสียจากการผลิตชุดนั้นสูงถึงเกือบ 19,000 ดอลลาร์สหรัฐ

ผลกระทบจริงของ HASL ต่อพื้นผิวแผ่นเชื่อม

เพื่อเข้าใจว่าเหตุใด HASL จึงใช้ไม่ได้กับแผงวงจรที่มีระยะห่างระหว่างขาอุปกรณ์แคบ (fine-pitch) จำเป็นต้องเข้าใจขั้นตอนการผลิตก่อน แผงวงจรเปล่าจะถูกจุ่มลงในอ่างที่บรรจุตะกั่วผสมแบบไม่มีสารตะกั่ว (SAC305) ซึ่งเป็นมาตรฐานในโรงงานผลิตสมัยใหม่ส่วนใหญ่ จากนั้นจึงดึงผ่านชุดใบมีดลมร้อนที่เป่าตะกั่วส่วนเกินออกจากรูปแบบพื้นผิว เป้าหมายคือการได้ชั้นตะกั่วบางและสม่ำเสมอทั่วทุกพื้นที่ทองแดงที่เปิดเผย

นั่นคือแนวคิดหลัก ส่วนหลักการทางฟิสิกส์นั้นซับซ้อนกว่านั้นมาก

ความหนาของ HASL มีความแปรผันอย่างมากภายในแผ่นเดียวกัน ขึ้นอยู่กับรูปร่างของพื้นที่เชื่อม (pad), ทิศทางการวางแผ่นวงจร และมุมที่ใบพัดลมเป่าลมกระทบโดยตรง ความหนาของชั้นตะกั่วอาจอยู่ระหว่าง 1 ไมครอน ถึง 40 ไมครอน บางพื้นที่เชื่อมจะเรียบเสมอกันเกือบทั้งหมด ในขณะที่บางพื้นที่เชื่อมกลับมีลักษณะเป็นโดมของตะกั่วที่มองเห็นได้ชัดเจน ปัญหานี้ไม่ใช่ข้อบกพร่องในโรงงานผลิตที่มีมาตรฐานสูง—แต่เป็นลักษณะพื้นฐานของกระบวนการนี้ แผ่นวงจรที่ผ่านกระบวนการ HASL ทุกแผ่นทั่วโลกต่างมีลักษณะเช่นนี้

บนแผ่นวงจรแบบหยาบซึ่งมีพื้นที่เชื่อมขนาด 1 มิลลิเมตร และเว้นระยะห่างกว้าง ความต่างของความสูง 20 ไมครอนระหว่างพื้นที่เชื่อมที่อยู่ติดกันจึงไม่มีน้ำหนักความหมายใดๆ เคลือบป้องกันการเชื่อม (solder mask) ทำหน้าที่ได้ตามปกติ ชิ้นส่วนมีขนาดใหญ่ และทุกอย่างทำงานได้ดี

บน bGA แบบพิทช์ละเอียด ผลกระทบ ตัวเลขเหล่านี้บอกเล่าเรื่องราวที่หลากหลาย บีจีเอแบบพิทช์ 0.5 มม. มีแพดขนาดประมาณ 0.25 มม. ส่วนบีจีเอแบบพิทช์ 0.4 มม.—ซึ่งพบได้บ่อยมากในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคและอุตสาหกรรม—มีแพดที่มีขนาดใกล้เคียงกับ 0.2 มม. ลองคำนวณดู: โดมเนื้อสารประสานที่มีความสูง 25–40 ไมครอนบนแพดขนาด 200 ไมครอน จะทำให้เกิดความแปรผันของระดับความสูงของแพดถึง 12–20% เมื่อพิจารณาแพดหลายร้อยตำแหน่งภายใต้บีจีเอเพียงตัวเดียว พื้นผิวที่ได้จะคล้ายเทือกเขาเล็กๆ แทนที่จะเป็นพื้นที่สัมผัสที่เรียบราบ

ลูกบอลสารประสานบีจีเอไม่สามารถยอมรับภูมิประเทศที่ขรุขระได้ มันต้องการพื้นผิวที่เรียบ

สองรูปแบบของการล้มเหลว แต่มีสาเหตุหลักเดียวกัน

พื้นผิวเฮเซล (HASL) ที่ไม่สม่ำเสมอนี้ก่อให้เกิดข้อบกพร่องแบบดั้งเดิมสองประการของบีจีเอ การเชื่อมต่อสารประสาน และ วงจรเปิด ดูเหมือนจะตรงข้ามกัน แต่กลับมีจุดกำเนิดร่วมกัน—นั่นคือ ลูกบอลไม่ลงจอดที่ตำแหน่งที่การออกแบบคาดการณ์ไว้

การเชื่อมต่อสารประสานแบบล้นเกิน (solder bridging) เกิดขึ้นที่ขอบเขตสุดขั้ว บริเวณที่โดม HASL สูงที่สุด ชั้นเนื้อสารบัดกรีจะแผ่ขยายออกไปด้านข้างเกินขอบเขตปกติของพื้นที่เชื่อมต่อ (pad) อย่างเห็นได้ชัด สำหรับระยะห่าง 0.3 มม. ความกว้างที่เพิ่มขึ้นนี้เพียงพอที่จะลดระยะห่างระหว่างพื้นที่เชื่อมต่อรอบข้างลงอย่างมาก เมื่อลูกบอล BGA หลอมละลายในกระบวนการรีฟโลว์ (reflow) และ สารละลายตะกั่ว สารบัดกรีหลอมเหลว ปริมาณสารบัดกรีส่วนเกินจากผิวเคลือบแบบ HASL ร่วมกับระยะห่างที่แคบลงนี้ จึงเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดการลัดวงจร (bridging) สารบัดกรีไม่จำเป็นต้องเลื่อนตำแหน่งผิดไปอย่างรุนแรง — เพียงแต่ต้องหาทางไหลข้ามช่องว่างที่ถูกจำกัดความกว้างไว้แล้วโดยชั้นเคลือบเท่านั้น

การขาดการเชื่อมต่อ (open circuit) เกิดขึ้นในสถานการณ์ตรงข้าม ลูกบอลบัดกรีของแพ็กเกจ BGA จะอยู่ในระนาบเดียวกันภายในความคลาดเคลื่อนเพียงไม่กี่ไมครอน ทันทีที่ออกจากผู้จัดจำหน่ายแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) รอยต่อ (pads) บนแผ่นวงจรก็จำเป็นต้องอยู่ในระนาบเดียวกันเช่นกัน — นี่คือวัตถุประสงค์หลักของคำว่า "land" ในศัพท์เทคนิค "land pattern" หากบางรอยต่อสูงกว่ารอยต่อข้างเคียงถึง 30 ไมครอน ลูกบอลบัดกรีของ BGA จะสัมผัสกับรอยต่อที่สูงกว่าก่อนเป็นอันดับแรก ระหว่างขั้นตอนการจัดวางตำแหน่งและการรีฟโลว์ ส่วนรอยต่อที่ต่ำกว่าอาจก่อให้เกิดการประสานที่อ่อนแอ การประสานไม่สมบูรณ์ หรือไม่มีการประสานเลยทั้งสิ้น ข้อบกพร่องเหล่านี้มักผ่านการตรวจสอบด้วยตาเปล่าอย่างรวดเร็วได้ แต่กลับปรากฏเป็นข้อผิดพลาดแบบเป็นระยะ ๆ ในการทดสอบการทำงาน — หรือแย่กว่านั้น อาจเกิดขึ้นหลายเดือนต่อมา ขณะใช้งานจริงในสนาม

ยังมีปัญหาอีกประการหนึ่งที่เงียบกว่า แต่ก็สำคัญไม่แพ้กัน การพิมพ์พิมพ์ผสมผสม สมมุติฐานนี้อาศัยพื้นผิวที่เรียบเสมอกัน รูเปิดแม่พิมพ์ (stencil aperture) ถูกออกแบบมาเพื่อปล่อยครีมบัดกรีปริมาณที่แน่นอนลงบนแต่ละรอยต่อ อย่างไรก็ตาม บนโดมผิวเคลือบแบบ HASL ครีมบัดกรีจะกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ บางส่วนบางลงบริเวณยอดโดม และรวมตัวเป็นหยดน้ำบริเวณขอบ แม้แผ่นวงจรที่ไม่เกิดการลัดวงจร (bridging) ก็อาจส่งผลให้เกิด การประสานบัดกรีที่ไม่สม่ำเสมอ ปริมาตรทั้งหมดในบริเวณ BGA — ซึ่งส่งผลให้เกิดปัญหาการขัดแย้งกันเองและปัญหาด้านความสมบูรณ์ในระยะยาว

เหตุใดจึงยังมีผู้ระบุใช้เทคนิค HASL บนแผงวงจรที่มี BGA

ไม่มีใครออกแบบแผงวงจรแล้วกล่าวว่า "ฉันอยากได้สะพานเชื่อมแบบห้ามแยกออกจากกัน (solder bridges) โปรดช่วยจัดหาให้ด้วย" เทคนิค HASL ถูกเลือกใช้จากสามเหตุผลหลัก ซึ่งทั้งสามเหตุผลนั้นเข้าใจได้ง่ายมาก

ต้นทุน — เทคนิค ENIG (electroless nickel immersion gold) — จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ สำหรับแผงวงจรที่ไม่มีองค์ประกอบขนาดเล็กเป็นพิเศษ การประหยัดต้นทุนนี้ถือว่าสมเหตุสมผล แต่ปัญหาจะเกิดขึ้นเมื่อเหตุผลด้านราคาเดียวกันนี้ถูกนำมาใช้กับแผงวงจรที่มี BGA เพียงชิ้นเดียว ENIG ชิ้นส่วนหนึ่งชิ้นที่มีระยะห่างระหว่างขา (pitch) เท่ากับ 0.4 มิลลิเมตร ก็เพียงพอที่จะทำให้เทคนิค HASL ใช้ไม่ได้กับแผงวงจรทั้งแผ่น แต่การตัดสินใจซื้ออาจไม่ได้พิจารณาความเชื่อมโยงนี้เสมอไป

ความคุ้นเคย . HASL ถูกใช้งานมาเป็นเวลาหลายปีแล้ว วิศวกรรุ่นเก่าและทีมจัดซื้อเคยใช้มันกับแผงวงจรทุกตัวที่พวกเขาเคยผลิตมา และไม่เคยเกิดปัญหาใดๆ ขึ้นมาก่อน แต่สิ่งที่พวกเขาไม่ค่อยรู้ก็คือ แผงวงจรรุ่นเก่าของพวกเขามักใช้ชิ้นส่วนที่มีระยะห่างระหว่างขา (pitch) 0.8 มม. หรือ 1.0 มม. ขณะที่ระยะห่างระหว่างขาโดยทั่วไปในอุตสาหกรรมได้ลดลงอย่างมากในช่วง 5 ปีที่ผ่านมา และการเคลือบผิวแบบเดิมที่ใช้ได้ดีกับแผงวงจรรุ่นเก่ากลับไม่สามารถนำมาใช้กับแผงวงจรรุ่นใหม่ได้

ค่าเริ่มต้นของโรงงาน . กรณีนี้ทำให้ฉันรู้สึกหงุดหงิดมากที่สุด จำนวนไม่น้อยของโรงงานผลิตแผงวงจรตั้งค่าการเคลือบผิวเป็น HASL โดยอัตโนมัติเมื่อลูกค้าไม่ระบุชนิดของการเคลือบผิว เนื่องจากเป็นกระบวนการที่มีต้นทุนต่ำที่สุดและสามารถผลิตได้รวดเร็วที่สุด คำสั่งซื้อจึงถูกดำเนินการต่อไปโดยไม่มีการระบุชนิดการเคลือบผิวไว้ในแบบฟอร์ม และระบบจึงเลือกใช้ HASL โดยอัตโนมัติ ไม่มีใครตรวจสอบว่าแผงวงจรนั้นมีชิ้นส่วนที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบ (fine-pitch parts) หรือไม่ ลูกค้าจึงพบปัญหานี้ครั้งแรกในระหว่างการประกอบชิ้นส่วนครั้งแรก

สิ่งที่ตลาดจริงๆ แนะนำ

คำแนะนำที่นี่ไม่เป็นที่ถกเถียงกัน—คณะกรรมการและเอกสารมาตรฐานที่สำคัญทั้งหมดระบุสิ่งเดียวกัน สำหรับ การติดตั้ง BGA แบบระยะห่างระหว่างขาสั้น (ระยะห่าง 0.5 มิลลิเมตรและต่ำกว่า) ENIG คือทางเลือกทั่วไป ชั้นนิกเกิล (โดยทั่วไปหนา 3–6 ไมครอน) ถูกเคลือบด้วยปฏิกิริยาแบบลูกโซ่ ซึ่งหมายความว่ามันจะเข้ารูปตามเรขาคณิตของพื้นที่เชื่อมต่อทีละอะตอม แทนที่จะถูกเป่าทับด้วยลมร้อน ชั้นทองคำแบบจุ่มบางๆ (หนา 0.05–0.1 ไมครอน) ทำหน้าที่ปกป้องชั้นนิกเกิลและให้พื้นผิวที่เรียบและสามารถประสานได้ดี ผลลัพธ์คือ ความเรียบเสมอกันของพื้นที่เชื่อมต่อ วัดเป็นไมครอน แทนที่จะเป็นสิบๆ ไมครอน

สป — สารเคมีเพิ่มความสามารถในการประสานโดยธรรมชาติ — คือทางเลือกที่เรียบง่ายและประหยัดต้นทุน ฟิล์มอินทรีย์มีความหนาเพียง 0.2–0.5 ไมครอน และไม่เปลี่ยนระดับความสูงของพื้นที่เชื่อมต่อเลย ข้อแลกเปลี่ยนมีอยู่จริง: OSP มีอายุการเก็บรักษาสั้นกว่า (โดยทั่วไป 6–12 เดือน) ต้องจัดการด้วยความระมัดระวังเป็นพิเศษ และฟิล์มจะเผาไหม้หายไปในรอบการประสานครั้งแรก ทำให้ทองแดงบริสุทธิ์โผล่ออกมา

มีสถานการณ์บางประการที่การชุบด้วยตะกั่ว-ดีบุกแบบร้อน (HASL) ยังคงเป็นทางเลือกที่เหมาะสม: สำหรับแผงวงจรที่ใช้ชิ้นส่วนแบบผ่านรูเป็นหลัก งานออกแบบที่มีระยะห่างระหว่างขาอุปกรณ์ค่อนข้างกว้าง และผลิตภัณฑ์ที่ต้องผ่านกระบวนการรีฟโลว์หลายรอบและเก็บรักษาไว้นาน ซึ่งสิ่งเหล่านี้สำคัญกว่าความสม่ำเสมอของรายละเอียดขนาดเล็ก ประเด็นหลักคือการตัดสินใจเลือกอย่างมีเจตนา โดยพิจารณาจากชุดชิ้นส่วนจริง — ไม่ใช่การยอมรับโดยปริยาย

คณิตศาสตร์ด้านต้นทุนที่ไม่มีใครอยากคำนวณ

มาจัดตัวเลขไว้ข้างกัน เพื่อดูว่าการตัดสินใจที่แท้จริงเกิดขึ้นตรงจุดใด

สำหรับการผลิตแผงวงจรจำนวน 5,000 แผ่น ต้นทุนจะอยู่ระหว่าง 500 ถึง 2,500 ดอลลาร์สหรัฐ ซึ่งแม้จะเป็นจำนวนที่มีน้ำหนัก แต่ก็ยังน้อยมากเมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายที่ตามมา

สะพานบัดกรี BGA ที่เกิดขึ้นเพียงจุดเดียวและผ่านการตรวจสอบไปได้ จะส่งผลต่อผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปโดยตรง อัตราความล้มเหลวของแผงวงจรที่ร้อยละ 14 ซึ่งเป็นค่าที่กล่าวไว้ตอนต้นบทความนี้ ส่งผลให้เกิดค่าใช้จ่ายในการปรับปรุงงาน ค่าชิ้นส่วนทดแทน ค่าจัดส่งด่วน และการสูญเสียศักยภาพการผลิต ในกรณีของลูกค้ารายนั้น การเลือกใช้เทคนิค HASL ทำให้ประหยัดได้ประมาณ 550 ดอลลาร์สหรัฐฯ สำหรับคำสั่งซื้อนั้น แต่ค่าใช้จ่ายรวมกลับสูงถึง 19,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ อัตราส่วนนี้ไม่ดีขึ้นตามปริมาณการผลิต กลับแย่ลงเสียอีก เพราะความล้มเหลวในสนามมักเกิดขึ้นหลังจากสินค้าถูกจัดส่งออกไปแล้ว

หากคุณกำลังระบุ พื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และแบบแปลนประกอบด้วย BGA ที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบมาก ให้ถามผู้ผลิตแผงวงจรหนึ่งคำถามว่า ‘ข้อกำหนดความเรียบของพื้นผิวบริเวณพื้นที่เชื่อมต่อ (pad coplanarity) สำหรับการเคลือบผิวชนิดนี้เป็นเท่าใด’ หากผู้ผลิตไม่สามารถตอบด้วยตัวเลขที่แน่นอน หรือตอบว่า ‘ขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ใบพัดลมเป่าลมกระทบ’ นั่นก็คือคำตอบของคุณแล้ว

พื้นผิวที่เรียบไม่ใช่คุณสมบัติเสริมพิเศษสำหรับแผงวงจรที่มี BGA แต่เป็นองค์ประกอบหลักที่จำเป็นทั้งหมด