Взрывающиеся шарики припоя

Стремление разместить больше функций в меньшем объёме заставляет разработчиков печатных плат искать новые подходы к трассировке высокоплотных соединений. Одним из таких решений стало размещение переходных отверстий непосредственно в контактных площадках (via-in-pad), что позволило экономить пространство, но одновременно создало скрытые технологические риски.

Несмотря на то, что монтаж BGA-компонентов давно стал рутинной операцией и в большинстве случаев платы с установленными микросхемами проходят контроль качества без нареканий, при ремонте, доработке или локальном перегреве проявляются дефекты, заложенные ещё на этапе проектирования. К таким дефектам можно отнести пустоты в заполнителе переходных отверстий, расположенных под шариковыми выводами.

Данная статья, переведённая с английского специалистами А-КОНТРАКТ, посвящена разбору конкретного механизма отказов, при котором газовые включения, расширяясь при нагреве, приводят к деформации или даже «взрывному» разрушению шариков BGA. Рассматриваемый случай наглядно демонстрирует, что экономия площади на этапе проектирования может обернуться проблемами во время производства и ремонта, если не учитывать тепловое поведение материалов и качество заполнения переходных отверстий.

Скрытие риски при пайке BGA

Размещение сквозных переходных отверстий непосредственно в контактных площадках способно вызывать негативные последствия. При нагреве до температур оплавления газовые включения (пустоты) в материале заполнения отверстий расширяются, что приводит к деформации шариковых выводов BGA либо к их разрушению с выбросом припоя. Разработчикам следует учитывать эту проблему при выборе материалов и оценке теплового поведения плат с плотным монтажом BGA.

Ежедневно на сборочных предприятиях устанавливаются десятки тысяч BGA-компонентов. Основной объём приходится на производство, меньшая доля — на ремонт и доработку. В большинстве случаев монтаж проходит без дефектов. Но из-за стремления к миниатюризации процесс иногда выходит за штатные рамки.

Разработчики печатных плат постоянно ищут способы увеличения полезной площади трассировки. Ранее BGA-площадки разводились к переходным отверстиям, вынесенным за пределы площадки. В настоящее время всё чаще применяется совмещённое решение — размещение переходного отверстия непосредственно в теле площадки (via-in-pad). Смотрите рисунки 1 и 2.

Использование переходных отверстий в контактных площадках может вызывать дефекты при монтаже BGA. На технических форумах обсуждается множество сопутствующих проблем, однако в рамках данной статьи рассматривается только один аспект — заполнение переходных отверстий.

Плотная компоновка BGA-компонентов создаёт ряд технологических трудностей при расчёте тепловых и электрических параметров. При этом минимальное требование, которое должен соблюсти разработчик, — это сохранение стабильности соединений при воздействии температур оплавления.

Один из производителей проводил испытания различных составов для заполнения отверстий. Неоднородность структуры материала и наличие пустот в заполнителе приводили к отказам плат с установленными BGA. При этом дополнительным фактором риска стал перепад температур в зоне крупногабаритного корпуса, вызвавший локальное коробление платы. И если деформацию можно относительно легко устранить, то проблема пустот останется.

Чем опасны эти пустоты? Если бы они сохраняли стабильность при тепловых переходных процессах во время вторичного нагрева, угрозы бы не возникало. Однако на практике термические и механические нагрузки, сопровождающие ремонтный нагрев, воздействуют на полости, вызывая их рост или миграцию.

Переходное отверстие с заполнителем конструктивно представляет собой вертикальный канал, завершающийся шариком BGA. Рисунок 3 показывает, что происходит, когда газовые включения из отверстия мигрируют в тело шарика. Образование пустот в самих BGA-шариках — известная проблема для специалистов по ремонту, однако пустоты в заполнении переходных отверстий часто остаются вне их внимания.

На Рисунке 3 зафиксирован случай крайней нестабильности пустоты, результатом которой стало отделение шарика BGA от площадки с его выбросом. Импульс был настолько значительным, что фрагмент расплавленного припоя оказался под корпусом компонента.

Рассмотренный случай подтверждает, что дефекты, заложенные на этапе проектирования, далеко не всегда проявляются сразу. Пустоты в заполнителе переходных отверстий могут оставаться незамеченными при первичном монтаже, но при повторном нагреве они способны спровоцировать отказ платы, особенно если речь идёт о крупных BGA-корпусах и неравномерном прогреве их выводов.