Head in Pillow - problem w lutowaniu układów BGA

Wprowadzenie

Nowoczesne urządzenia elektroniczne często zawieraja zaawansowane układy scalone w obudowach takich jak Ball Grid Array (BGA/uBGA) lub Chip Scale Package (CSP). Rzadziej spotykane rozwiązania to Package On Package (PoP), Wafer-Level Chip Scale Packages (WLCSP) oraz Land Grid Array with Solder Balls (LGA-SB). Te rodzaje obudów posiadają wyprowadzenia w fomie kulek cyny rozmieczonych na dolnej stronie układu. Umożliwia to upakowanie bardzo dużej liczby wyprowadzeń (I/O) na niewielkiej powierzchni, co jest kluczowe dla procesorów (CPU), zaawansowanych mikrokontrolerów (MCU), pamięci oraz różnych układów FPGA.

Obudowy "z kulkami cyny" mimo wielu zalet mają także swoje wady. Jedną z nich jest ograniczona możliwość kontroli wizualnej połączeń lutowanych - po prostu nie da się ich ocenić wizualnie (no może poza kulkami znajdującymi się na krawędziach obudowy).

Do kontroli jakości lutowania stosuje się więc inspekcję rentgenowską (X-ray), która całkiem dobrze wykrywa niektóre problemy, takie jak mostki lutownicze oraz nadmierne pustki (ang. Voids). Natomiast takie anomalie jak Head-In-Pillow (HiP), są trudne do jednoznacznej identyfikacji w klasycznym urządzeniu X-ray 2D. W praktyce oznacza to, że wada HiP może przejść niezauważona przez kontrolę procesu oraz testy elektryczne i ujawnić się dopiero w trakcie eksploatacji urządzenia.

W tym artykule omawiam Head-In-Pillow oraz typowe przyczyny powstania tego problemu..

..a teraz lecimy z tematem..

Head-In-Pillow

Układy BGA z tzw. "opadającymi kulkami" to często spotykane komponenty w technologii SMT. Kulki są wykonane ze stopu bezołowiowego lub rzadziej ze stopu ołowiowego. W trakcie procesu lutowania rozpływowego (reflow), kulki się topią i opadają na także już stopioną pastę lutowniczą nadrukowaną na pola PCB. W poprawnych warunkach stop kulki oraz stop z pasty mieszają się, tworząc jednolite połączenie lutowane o charakterystycznym baryłkowatym kształcie.

Zjawisko Head-In-Pillow występuje wtedy, gdy kulka nie połączy się metalurgicznie z roztopioną pastą SMT w czasie reflow. Zamiast tego ta kulka osiada na stopionej paście jak głowa na poduszce, tworząc słabe połączenie mechaniczne i niestety przerywany kontakt elektryczny.

Poniżej przedstawiono kulkę układu BGA po teście Dye-and-Pry z widocznym efektem Head-In-Pillow. Czerwony kolor to barwnik (penetrant) jaki stosuję w czasie testu. Kulka ma widoczne wgłębienie pokryte tym barwnikiem, co jest finalnym potwierdzeniem braku kontaktu między kulką a stopem na PCB.

Problem Head-In-Pillow jest trudny do wykrycia w seryjnej produkcji. Klasyczny X-ray 2D często nie pozwala jednoznacznie odróżnić poprawnego połączenia od HiP. Oczywiście wyższej klasy urządzenia do kontroli X-ray pozwalają na łatwieszą detekcję HiP. Dostrzeżenie tej anomalii wymaga dużego doświadczenia operatora, analizy obrazu pod różnymi kątami i to czego zawsze jest mało... czyli czasu :)

Połączenie typu Head-In-Pillow może być elektrycznie przewodzące, ale jest przerywane (and. Intermittent). Taki defekt może nie ujawnić się podczas testów ICT czy funkcjonalnych, a dopiero po czasie, tj. w trakcie pracy na rynku.

Z punktu widzenia norm jakości lutowania, takich jak IPC-A-610, Head-in-Pillow jest oczywiście wadą we wszystkich klasach IPC produktu.

Przyczyny Head-In-Pillow

Przyczyn powstawania Head-In-Pillow jest wiele[1,2], co sprawia, że jego eliminacja jest trudna. Poniżej przedstawiono najczęściej spotykane źródła problemu:

• Wygięcie układu. Nadmierne wyginanie się komponentu BGA/CSP/PoP podczas reflow może powodować uniesienie kulek ponad pastę lutowniczą. Jeśli kulka i pasta topią się bez wzajemnego kontaktu, a następnie kulka opada na już zastygniętą poduszkę z pasty to dochodzi do powstania wady HiP. Przyczyną są najczęściej różnice współczynników rozszerzalności termicznej (CTE) materiałów obudowy lub nieprawidłowy profil lutowania rozpływowego.
• Wygięcie PCB. Analogiczny mechanizm występuje przy uginaniu się laminatu PCB. Niewłaściwy balans miedzi, zbyt cienki laminat lub brak odpowiedniego podparcia w piecu reflow sprzyjają deformacjom płyty. Mechanizm jest więc podobny - brak jednoczesnego kontaktu kulki z pastą w czasie reflow.
• Oksydacja kulek. Nadmierna warstwa tlenków na powierzchni kulek BGA utrudnia ich usunięcie przez topnik (z pasty). Przyczyną jest najczęściej niewłaściwe przechowywanie komponentów, czyli nieprzestrzeganie zasad MSL komponentów czułych na wilgoć. Warto także pamiętać, że proces suszenia (ang. Baking) redukuje wilgoć, ale jednocześnie zwiększa oksydację kulek.
• Za mała ilość pasty. Jeżeli pasta lutownicza SMT będzie nadrukowana w niedostatecznej ilości, to ograniczy to możliwość prawidłowego kontaktu tej pasty (i jej topnika) z kulką. Taki stan redukuje szansę na działanie topnika i zwilżenie kulki. Przyczyną mogą być błędy nadruku pasty (szablon, apertury, transfer pasty) lub nieoptymalny projekt PCB (za mała średnica pól lutowniczych, problemy z via-in-pad itp).
• Nieprawidłowy profil reflow. Profil lutowania to swego rodzaju kompromis pomiędzy wymaganiami pasty, komponentów i samej PCB. Wiele czynników może wpływać na HiP, np. nadmierne odparowanie topnika w trakcie podgrzewania sprzyjają ponownej oksydacji kulek, itp.

Istnieje wiele innych czynników[1,2], które mogą mieć wpływ na powstawanie zjawiska, takie jak zbyt niska aktywność topnika w paście SMT, interakcja między pastą a stopem (materiałem) kulek BGA, segregacja srebra, dokładność położenia komponentów itp.

Podsumowanie

Head-In-Pillow (HiP) to jedna z najbardziej problematycznych wad lutowania układów BGA ponieważ może pozostać niewykryta w procesie produkcji. To sprawia, że awarie ujawniają się często dopiero w trakcie pracy urządzenia na rynku, co oczywiście jest dużym problemem w jakości.

Skuteczna redukcja HiP wymaga więc zrozumienia przyczyn źródłowych i wprowadzeniu skutecznych działań korygujących. Warto pamiętać, że w ramach działań korygujących należy najpierw skupić się na redukcji przyczyn (np. zmienić szablon, skorygować profil lutowania) a w drugiej kolejności na poprawie metod detekcyjnych.