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:
- Anlieferqualität: Wenn das angelieferte BGA oxidierte Balls aufweist, verhindert diese Oxidschicht das Zusammenfließen von Pasten- und Ball-Lot.
- 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