Fragen und Antworten:

Wie ist eigentlich… ein „Head in Pillow“?

Mit etwas Fantasie sieht es tatsächlich so aus wie der „Kopf auf einem Kissen“ – für jede Elektronikfertigung ist es aber ein ernstes Problem: Durch den „Head in Pillow“-Effekt (HiP) verlieren Bauelemente unter Umständen ihre Funktion auf der Baugruppe.

Was genau ist der „Head in Pillow“-Effekt (HiP)?

Der Begriff steht für einen Löt­feh­ler, der bei Bau­ele­men­ten mit kugel­för­mi­gen Anschluss-Geo­me­trien auf­tritt. Hierzu gehö­ren die BGAs (Ball Grid Array), die CSPs (Chip Scale Package) und die FCs (Flip Chip). Diese Bau­ele­mente wer­den meist per Ref­low­löt­pro­zess ver­ar­bei­tet – und das heißt: Lot­paste ver­schmilzt mit dem homo­ge­nen Lot des kugel­för­mi­gen Anschlus­ses (Ball). Anschlie­ßend bil­den Pas­ten- und Ball-Lot ein „Lot­ge­füge“, das wie eine Tonne aus­sieht. Beim HiP-Effekt ist die­ser Pro­zess nun aber gestört – Ball-Lot und Lot­paste schmel­zen zwar voll­stän­dig, aber zwi­schen ihnen bil­det sich eine mar­kante Grenz­flä­che heraus.

Übri­gens: Die­sem Löt­feh­ler hat die SMT-Com­mu­nity (Sur­face Mount Tech­no­logy) ver­schie­dene „spre­chende“ Namen gege­ben – zum Bei­spiel auch „Pil­low Defect“, „Ball in Cup“, „Ball in Socket“, „Hid­den Pil­low“, „Foot in Mud“ oder sogar „Pain in the Neck“. Das zugrunde lie­gende Pro­blem ist aber immer dasselbe.

Foto: CT-Bild (X‑Ray) von BGA-Balls – rechts ein HiP mit mar­kan­ter Grenzfläche.

Warum ist das Thema wichtig?

Der HiP-Effekt steht zunächst ein­mal für eine nicht rea­li­sierte Löt­stelle und ist damit ein ernst­zu­neh­men­der Feh­ler. Dazu kommt, dass sich die erwähn­ten Ball-Anschlüsse unter­halb des Bau­ele­ment-Package (bot­tom side) befin­den. Folg­lich kann man sie mit licht­mi­kro­sko­pi­schen Ver­fah­ren „von außen“ kaum inspi­zie­ren. Und: zum Bei­spiel Field Pro­gramma­ble Gate Array (FPGAs) haben zum Teil mehr als 2.000 Anschlüsse – wobei bereits eine feh­ler­hafte Löt­stelle dafür sor­gen kann, dass die­ses Bau­ele­ment seine Funk­tion auf der Bau­gruppe verliert.

Übri­gens sind vom HiP-Effekt nie alle Balls eines Bau­ele­ments betrof­fen und der elek­tri­sche Kon­takt kann sogar trotz „HiP-Löt­stelle“ ein­ge­schränkt (!) vor­han­den sein – das wäre dann ein ver­steck­ter Feh­ler, der sich unter Umstän­den erst im spä­te­ren Ein­satz des dazu­ge­hö­ri­gen Pro­duk­tes bemerk­bar macht. 

Wodurch entsteht ein HiP?

Das wesent­li­che HiP-Merk­mal ist die mar­kante Grenz­schicht zwi­schen den Lot­be­rei­chen. Die inter­na­tio­nale Lite­ra­tur nennt dafür drei Ursachen:

  1. Anlie­fer­qua­li­tät: Wenn das ange­lie­ferte BGA oxi­dierte Balls auf­weist, ver­hin­dert diese Oxid­schicht das Zusam­men­flie­ßen von Pas­ten- und Ball-Lot.
  2. Pas­ten­druck: Ein unebe­ner bzw. unvoll­stän­di­ger Pas­ten­druck kann dazu füh­ren, dass ein­zelne Balls zunächst kei­nen Pas­ten­kon­takt haben und des­halb wäh­rend des Ref­low­lö­tens (im ers­ten Schritt) oxi­die­ren. Sind nun aber alle Balls des Bau­ele­ments auf­ge­schmol­zen und das Bau­ele­ment sinkt des­halb (im zwei­ten Schritt) in das schmelz­flüs­sige Lot ein, bil­det sich auf­grund der Oxid­schicht ein HiP-Effekt aus.

Nun ist dies ein natür­li­cher Vor­gang, den Exper­ten beim all­täg­li­chen Ref­low­lö­ten eigent­lich berück­sich­ti­gen. Ist diese Ver­win­dung oder Wöl­bung aller­dings sehr groß, ver­lie­ren ein­zelne Balls trotz­dem den Kon­takt zur Paste und oxi­die­ren wäh­rend des Ref­low­löt­pro­zes­ses. Nach dem voll­stän­di­gen Ball-Kol­laps ver­hin­dert diese Oxid­schicht eine zuver­läs­sige Lötstelle.

Foto: SPI-3D-Bild eines unebe­nen Drucks

Welche Strategien gegen den HiP-Effekt gibt es?

Eine aus­führ­li­che Ant­wort auf diese Frage gibt es in unse­rem White­pa­per (siehe Link unten). Hier fas­sen wir nur das Wich­tige zusammen:

  • Veri­fi­zie­ren Sie zunächst, dass es sich tat­säch­lich um den HiP-Effekt han­delt. Hilf­rei­che Ana­ly­tik­ver­fah­ren hier­bei sind Rönt­gen (2D-Trans­mis­sion, 3D-CT, Tomo­syn­these, Lami­no­gra­phie), mikro­sko­pisch opti­sche Dia­gnos­tik sowie Schliff­bil­der. Kraus Hard­ware ver­fügt über ver­schie­dene Röntgenverfahren.
  • Stel­len Sie sicher, dass die Anlie­fer­qua­li­tät aus­rei­chend ist und man das Bau­ele­ment gut benet­zen kann. Dies kann z.B. durch rück­sei­ti­ges Bedru­cken der Balls mit Paste veri­fi­ziert wer­den. Denk­bar ist auch das Umschmel­zen ein­zel­ner Balls in der ver­wen­de­ten Lotpaste.
  • Über­prü­fen Sie, dass das Design der Pads, der Scha­blo­nen­druck und die Aper­tu­ren sowie die Eben­heit der Balls (siehe dazu BGA-Daten­blatt) stets zu einem voll­stän­di­gen Kon­takt zwi­schen allen Balls und dem Pas­ten­de­po­sit führen.
  • Bezie­hen Sie die Ver­win­dung / Wöl­bung wäh­rend des Ref­low­lö­tens in Ihre Über­le­gun­gen mit ein.
    Übri­gens: Auch das Löten unter Stick­stoff­at­mo­sphäre kann eine Oxi­da­tion der Balls ver­hin­dern. Ähn­lich hilf­reich kann eine leicht erhöhte Peak­tem­pe­ra­tur an den Ball-Löt­stel­len sein. Sie beein­flusst den Ball-Kol­laps positiv.

Foto: Gewölb­ter BGA auf Lei­ter­platte (gelbe Linien sind parallel)

Kann man eine HiP-Lötstelle nachbearbeiten?

Ja, mit eini­gem Auf­wand. Bei Kraus Hard­ware ste­hen dazu zwei Onyx-Repa­ra­tur­löt­sta­tio­nen der Firma Zevac zur Ver­fü­gung. Mit die­ser Tech­no­lo­gie ist es mög­lich, feh­ler­be­haf­tete Bau­ele­mente aus­zu­lö­ten, die Pads der Lei­ter­platte für einen neuen Löt­vor­gang vor­zu­be­rei­ten und schließ­lich ein neues Bau­ele­ment aufzulöten.

Sie möch­ten mehr erfah­ren über den HiP-Effekt und wie man ihn ver­hin­dert? Hier haben wir einen wis­sen­schaft­li­chen Basis­text dazu zusammengestellt.

Foto: Eine wei­tere Scha­blone von Kraus Hardware