Anatomi Kegagalan BGA

Sebuah papan prototipe tiba, tidak aktif dan tidak berguna. Bagi tim pengembangan produk, ini lebih dari sekadar penundaan; ini adalah siklus debugging yang frustrasi, data yang dikompromikan, dan biaya yang meningkat. Di balik permukaan elektronik modern, paket Ball Grid Array (BGA) mewakili ketegangan konstan. Ini adalah keajaiban koneksi berkapasitas tinggi yang dikemas dalam jejak minimal, namun juga merupakan tersangka utama dalam kegagalan diam ini. Cacat mikroskopis tunggal yang tersembunyi di bawah BGA dapat membuat seluruh rakitan menjadi tidak berharga, dan memahami fisika halus dari kegagalan ini adalah satu-satunya jalur yang dapat diandalkan untuk pencegahan.

Tantangannya terletak pada opacity BGA. Sambungan solder paling kritis terbentuk di dunia tersembunyi, sebuah ruang di mana cacat katastrofik dapat terbentuk tanpa bukti yang terlihat. Meskipun banyak hal bisa salah, kegagalan yang mengacaukan jalannya prototipe cenderung jatuh ke dalam spektrum, dari yang langsung terlihat hingga yang berbahaya laten.

Di satu ujung adalah hubungan pendek yang keras dan tidak ambigu. Jembatan solder, sambungan listrik tak sengaja antara bola solder yang berdekatan, adalah bencana sederhana yang sering disebabkan oleh terlalu banyak pasta solder atau ketidaksejajaran kecil. Demikian pula, sambungan terbuka yang sebenarnya, di mana bola solder sama sekali gagal terhubung ke pad-nya, adalah pemutusan yang sederhana dan total. Ini adalah kegagalan yang frustrasi tetapi jujur. Mereka mengumumkan diri mereka dengan jelas dalam pengujian awal.

Masalah yang lebih sulit adalah yang merusak sambungan daripada memutusnya. Void yang berlebihan, penjebakan gelembung gas di dalam solder, tidak menciptakan sirkuit terbuka secara langsung. Sebaliknya, ini menciptakan kelemahan tersembunyi. Void ini mengurangi kemampuan sambungan untuk membuang panas, fungsi penting bagi banyak BGA, dan mengurangi kekuatan mekaniknya. Papan mungkin berfungsi untuk sementara waktu, tetapi membawa cacat struktural yang membuatnya rentan terhadap kegagalan akibat guncangan, getaran, atau stres sederhana dari siklus termal. Ini adalah jam yang berdetak.

Sifat Insidious dari Head-in-Pillow

Lalu ada cacat paling terkenal dari semuanya, kegagalan yang begitu halus sehingga mendapatkan nama yang sangat deskriptif: Head-in-Pillow (HiP). Ini terjadi ketika pasta solder di papan dan bola solder di BGA meleleh selama proses reflow tetapi, yang penting, gagal bergabung menjadi satu sambungan yang terpadu. Bola BGA hanya beristirahat di dalam cekungan pasta solder, seperti kepala di atas bantal. Sirkuit terbuka yang dihasilkan sering bersifat intermiten, tidak terlihat oleh inspeksi optik, dan bahkan dapat melewati pengujian listrik awal sebelum gagal secara tidak terduga di lapangan.

Kegagalan ini bukan disebabkan oleh satu kesalahan tetapi oleh konflik dinamis selama beberapa menit papan berada di dalam oven reflow. Saat suhu meningkat, paket BGA dan PCB itu sendiri dapat melengkung dengan kecepatan berbeda. Perubahan bentuk ini dapat menyebabkan komponen sementara terangkat dari papan. Pada saat pemisahan itu, permukaan yang terbuka dari bola solder yang cair dan pasta solder di bawahnya dapat teroksidasi. Ketika rakitan mendingin dan meratakan kembali nanti dalam siklus reflow, komponen kembali ke posisi semula, tetapi lapisan oksida yang terbentuk baru bertindak sebagai penghalang, mencegah kedua volume solder bergabung. Mereka menyentuh, tetapi tidak bergabung.

Pencegahan, oleh karena itu, dimulai jauh sebelum papan memasuki oven reflow. Dimulai dengan mengendalikan kelembapan, karena kelembapan yang diserap secara dramatis memperburuk perubahan bentuk. Penyimpanan dan penanganan komponen yang tepat sesuai dengan Tingkat Sensitivitas Kelembapan (MSL) bukanlah langkah sepele; ini adalah pertahanan mendasar terhadap HiP. Pertahanan utama lainnya adalah profil reflow yang dioptimalkan dengan hati-hati. Tahap pemanasan awal secara bertahap sangat penting untuk meminimalkan kejutan termal yang menyebabkan perubahan bentuk dan memberi waktu flux dalam pasta solder untuk aktif, membersihkan permukaan logam dan melindunginya dari oksidasi. Pasta solder dengan paket flux yang kokoh, dirancang agar tetap aktif selama seluruh perjalanan termal, memberikan jendela proses yang lebih luas dan buffer penting terhadap fisika yang halus ini.

Sifat insidious dari Head-in-Pillow adalah bahwa itu mengelak dari semua kecuali inspeksi yang paling ketat. Dari luar, sambungan tampak sempurna. Bahkan mungkin menciptakan sambungan “kissing” dengan kapasitansi yang cukup untuk melewati scan batas. Satu-satunya metode yang dapat diandalkan untuk menemukannya adalah melalui Inspeksi Sinar-X Otomatis (AXI). Sementara sinar-X 2D dapat mengungkap cacat besar seperti jembatan, diperlukan AXI 3D untuk benar-benar mengungkap HiP. Sistem 3D menghasilkan irisan melintang dari sambungan solder, membuat antarmuka yang tidak bergabung antara bola dan pasta menjadi sangat jelas. Ini adalah satu-satunya cara untuk benar-benar memverifikasi integritas fisik sambungan.

Cetak Biru Pencegahan: Di Mana Desain dan Proses Bertemu

Pengaruh paling kuat yang dimiliki tim pengembangan terhadap kualitas BGA dilakukan jauh sebelum satu komponen pun dipasang. Desain yang mengabaikan realitas manufaktur adalah cetak biru kegagalan.

Dasar dari semuanya adalah pola tanah tembaga di PCB. Praktik terbaik industri secara besar-besaran mendukung pad Non-Solder Mask Defined (NSMD), di mana bukaan masker solder lebih besar dari pad tembaga. Desain ini memungkinkan solder cair membungkus sisi pad, membentuk sambungan yang mekanis kokoh berbentuk bola dan soket. Mengandalkan contoh datasheet komponen yang usang daripada standar modern seperti IPC-7351 adalah kesalahan umum dan dapat dihindari. Di antara pad ini, diperlukan dam masker solder yang tipis. Dam setidaknya 4 mil (0,1mm) biasanya diperlukan untuk mencegah solder mengalir di antara pad yang berdekatan dan membentuk jembatan.

Mungkin aturan desain paling kritis melibatkan routing. Menempatkan via langsung di pad BGA adalah teknik umum untuk desain padat, tetapi datang dengan mandat mutlak: via harus diisi dan dilapisi. Via terbuka di pad bertindak seperti sedotan kecil selama reflow, menyedot solder ke dalam lubang. Pencurian solder ini mengurangi volume yang diperlukan pada sambungan, langsung menyebabkan void berlebihan atau terbuka total. Ini adalah contoh klasik bagaimana pilihan desain sederhana memiliki konsekuensi langsung dan dapat diprediksi di lantai pabrik.

Namun bahkan desain yang sempurna dapat dirusak oleh proses perakitan yang tidak tepat. Peran perakit adalah melaksanakan dengan ketelitian, dan dimulai dengan apa yang secara luas dianggap sebagai langkah paling kritis dalam teknologi permukaan: pencetakan pasta solder. Sebuah stensil berkualitas tinggi yang dipotong laser harus menempatkan volume pasta yang konsisten dan tepat di setiap pad. Dari sana, mesin pick-and-place harus menggunakan sistem panduan visi untuk menempatkan BGA dengan ketelitian hampir sempurna.

Langkah-langkah ini berpuncak di oven reflow, di mana profil termal—resipi suhu spesifik untuk rakitan tersebut—menentukan hasil akhir. Profil harus disesuaikan dengan massa termal papan dan paduan solder yang dipilih. Paduan SAC305 bebas timbal standar, misalnya, memerlukan suhu puncak tinggi sekitar 245°C, meningkatkan stres termal yang dapat menyebabkan warpage dan HiP. Menggunakan solder suhu rendah dapat secara dramatis mengurangi risiko ini dengan melakukan reflow lebih dekat ke 180°C, tetapi ini memperkenalkan trade-off. Sambungan suhu rendah ini sering lebih rapuh, potensi kerentanan untuk produk yang akan mengalami guncangan atau perubahan suhu yang luas. Ini bukan hanya pilihan teknis; ini adalah keputusan bisnis tentang keandalan dan biaya.

Menavigasi Risiko, Rework, dan Realitas

Dalam dunia yang ideal, setiap prototipe BGA akan diverifikasi dengan sinar-X 3D. Namun, bagi tim dengan anggaran terbatas, ini tidak selalu memungkinkan. Memilih untuk tidak menggunakan AXI berarti Anda secara inheren menerima tingkat risiko yang lebih tinggi. Risiko ini dapat dikurangi dengan lebih mengandalkan pengujian listrik seperti JTAG/Boundary Scan dan dengan merancang titik pengujian yang dapat diakses untuk sinyal kritis. Pengujian fungsional yang ketat di seluruh rentang suhu operasi perangkat kadang-kadang dapat memaksa cacat laten untuk muncul. Tetapi penting untuk memahami bahwa metode ini hanyalah proxy. Mereka mengonfirmasi konektivitas, bukan kualitas, dan tidak dapat melihat cacat struktural tersembunyi yang mengancam keandalan jangka panjang.

Dan apa yang terjadi ketika BGA gagal? Rework mungkin dilakukan, tetapi ini adalah jalan terakhir yang khusus, mahal, dan berisiko. Proses ini memerlukan stasiun khusus untuk memanaskan dan menghapus komponen yang rusak secara lokal, membersihkan situs dengan teliti, menerapkan solder baru, dan melakukan reflow bagian baru tanpa merusak bagian lain dari papan. Stres termal lokal ini dengan mudah dapat mengangkat pad atau merusak lapisan internal PCB. Pengalaman di lantai pabrik mengajarkan pelajaran yang jelas: pencegahan melalui desain dan pengendalian proses yang matang selalu jauh lebih murah dan lebih andal daripada perbaikan.