Prostokątne pady pod BGA to zły pomysł

Zdaniem Richard’a Stadem’a z General Dynamics drukowanie pasty poza obrębem padu zawsze jest złym pomysłem. Po nadrukowaniu na pad i na maskę lutowniczą, drobne kulki lutowia mają utrudnione zadanie aglomeracji w pojedyncze złącze lutownicze podczas lutowania rozpływowego. Jest to jeszcze trudniejsze w przypadku jeśli pad nie jest zdefiniowany w masce lutowniczej, ponieważ wtedy kulki muszą dodatkowo pokonać lukę pomiędzy maską lutowniczą i krawędzią padów.

W rezultacie, pod BGA mogą zostać uwięzione kulki lutowia, które nie są częścią żadnego złącza lutowanego. Co więcej, mogą one pozostać niewykryte, nawet podczas badania rentgenem, ponieważ często są za małe lub znajdują się poza ustaloną strefą inspekcji X-Ray. 

Zazwyczaj oprogramowanie X-Ray jest dość podobne do AOI a niektóre maszyny do kontroli rentgenowskiej są w rzeczywistości kombinacją obu tych typów (często stosowane są określenia AOX, AXI lub OAX). Maszyna najpierw lokalizuje punkt odniesienia (tj. fiducial), a następnie przechodzi do zaprogramowanej procedury kontrolnej, która zazwyczaj w pierwszym kroku polega na wykonaniu serii pomiarów kontrolnych w oparciu o przesunięcie od podstawy na zdefiniowaną odległość. W drugim kroku najczęściej mierzy się każdą kulkę w oparciu o zaprogramowany skok - jej rozmiar i kształt – oraz analizuje się pustki na podstawie obrazu w skali szarości. 

Oznacza to, że ŻADNA inspekcja nie jest przeprowadzana w obszarach pomiędzy poszczególnymi lokalizacjami docelowymi. Jeśli w tych ‘osieroconych obszarach’ znajdą się pojedyncze drobiny lub, co gorsza, częściowo zaglomerowane kulki lutowia, nie zostaną one wykryte przez automatyczny X-Ray. Z drugiej strony, mogą one być na tyle duże, że przekroczą minimalny odstęp elektryczny wymagany między przelotkami a złączami lutowanymi BGA lub między przelotkami a sąsiednimi ścieżkami przewodzącymi lub też utworzonymi połączeniami lutowanymi a ścieżkami. 

W rezultacie cały układ może dotknąć problem występowania przesłuchów, jak również mogą pojawić się stałe lub okresowe zwarcia. Niektóre z tych wolnych ‘kulek-uciekinierów’ mogą zostać usunięte w procesie mycia, jednak jak wskazuje praktyka, nigdy nie usunie się wszystkich. Co więcej, jeśli zostanie użyty topnik no-clean lub RMA, w jego pozostałościach osadzających się pod komponentem mogą pozostać uwięzione dosłownie setki kulek, powodując prawdziwe spustoszenie.

Prostokątne/kwadratowe pady to też problem

W wypowiedziach niektórych internauów spotyka się twierdzenia, które mogą zostać zinterpretować, iż ‘kwadratowe pady i apertury mogą zapewnić lepsze wyniki drukowania pasty dla BGA’. Richard Stadem zdecydowanie temu przeczy: w tym scenariuszu okrągłe kulki lutownicze BGA, CSP lub flip-chip są umieszczane na kwadratowych padach z kwadratowymi depozytami pasty. Zamiast gotowego złącza lutowniczego, które powinno przypominać okrągły wazon na okrągłym stole, otrzymujemy złącze, które jest okrągłe w górnej połowie i połączone z okrągłym padem na spodzie BGA, a tam, gdzie łączy się z PCB, posiada cztery rogi.

Podczas etapu schładzania lutowania rozpływowego, jak również podczas całego okresu życia złącza w warunkach zmiany temperatury, zróżnicowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej między BGA a płytką drukowaną powoduje powstawanie poważnych naprężeń na połączeniach lutowanych między nimi.

Gdy na kwadratowy pad pod BGA zaczną oddziaływać siły naprężające i jeśli są one wystarczająco gwałtowne czy silne, rogi padu mogą zostać podciągnięte do góry. Ta skierowana do góry siła powoduje pękanie wiązania między padem a substratem, często zrywając nie tylko sam pad, ale również połączone z nim ścieżki. 

Zjawisko to nazywa się ‘kraterowaniem’ (pad catering), a przy wyższych temperaturach wymaganych przy lutowaniu bezołowiowym oraz bardziej kruchym charakterze samych połączeń lutowniczych, zjawisko to jest coraz częściej obserwowane. Jest to istotny problem nawet w przypadku standardowych, okrągłych padów, a wykazano też, iż dodanie czterech rogów skupiających naprężenia powoduje, że problem narasta o rząd wielkości. O 'pad crateringu' pisaliśmy ostatnio w osobnym artykule

Opracowano na podstawie wypowiedzi Richard’a Stadem’a z General Dynamics.  

Zdjęcie tytułowe: © InterPhone Service