– Vi var lite förvånade att vi fick priset eftersom vi ställer mer frågor än vad vi ger svar i utredningen, säger Lars Bruno.

Till vardags samordnar han två kompetensgrupper på Ericsson med fokus på produktionsteknik för koncernens fabriker och reperationscenter runt om i världen.

Förra året handlade bidraget om bottenvärmning, att slutresultatet blir bättre om stora kort som ska repareras värms upp underifrån innan man löder loss den trasiga komponenten.

I år handlade konferensbidraget om en typ av lödfel för BGA-komponenter som kallas Head-on-Pillow, HoP. Uttrycket kommer från utseendet på en dålig lödning där kulan på BGA-komponenten formar en grop i lodet på kortet, ungefär som avtrycket från huvudet på en kudde, men där kulans oxidskikt inte har vätts igenom och därför har ingen lödfog bildats.

BGA-komponenter har visserligen använts väldigt länge men problemet med HoP har ökat på senare år. Det hänger samman med att komponenterna blivit större och anslutningarna sitter tätare samtidigt som i princip alla utom försvarsleverantörer och rymd- och flygindustrin gått över till blyfria lod. Sammantaget har förändringarna lett till att skevheter (warpage) i mönsterkortet och komponenterna får större inverkan på slutresultatet än tidigare.

Dessutom har röntgenmaskinerna utvecklats så att de ger detaljrikare bilder.

– Idag kan vi se saker som man inte kunde se med äldre röntgenutrustningar, exempelvis många olika former på lödfogarna. Att avgöra vad som är tillräckligt bra eller dåligt är inte alltid självklart.

Normalt utgår man från IPC-standarden IPC-A-610 rev G för att bedöma om ett kretskort är tillverkat på ett korrekt sätt. Men för BGA-komponenter kan standarden sägas vara bristfällig. Den föreskriver visuell avsyning från sidan vilket inte ger någon information om de anslutningar som finns under komponenterna.

– Det är en svaghet att det inte finns en enda röntgenbild i standarden. Sen är nästa fråga om man har en röntgenbild med lödfogar som på olika sätt avviker från ideal form; när innebär det att kortet ska kasseras eller repareras?

Om allt gått rätt smälter lodpastan ihop med kulorna och bildar solida bollar. När det bildas en inbuktning, en midja, oftast nära kortets lödyta på grund av dålig vätning mellan boll och tillfört lod, är det lätt att tolka det som att lödningen ska underkännas eftersom midjan skulle kunna indikera en dålig lödning vilket leder till sprickbildning och därmed ett avbrott.

Ett av målen med IPC-bidraget var att lyfta frågan, att få fler att fundera på var man ska dra gränsen för vad som är godkänt.

– I verkligheten finns det en massa nyanser och resultatet av röntgenanalysen kan även påverkas från vilket håll och vinkel som man betraktar lödfogen, säger Lars Bruno.

Av studien framgår att lödfogarna långt ifrån alltid är symmetriska. En lödfog kan mycket väl ha en inbuktning på ena sidan men inte på den andra och beroende på från vilket håll man inspekterar kan inbuktningen synas, men den kan lika gärna vara osynlig.

Till vänster en röntgenbild på lödningar av ett hörn av en BGA och till höger en bild på samma hörn efter att den bänts loss. I röntgenanalysen betraktades alla dessa lödfogar som defekta då alla har någon form av midja i nedre delen av lödfogen. De två lödfogarna inringade i rött, samt den markerad med en blå fyrkant, framstår som tydliga HoP-defekter i röntgen. Men när komponenten bänts loss är det bara de två inringade i rött som visade sig vara riktiga HoP-defekter. Alla andra lödfogar, inklusive den markerad med den blå fyrkanten, var starka nog att dra med sig padden ur moderkortet. Foto: Benny Gustafson

Att då säga att en lödfog ska underkännas bara för att den har en midja är en allt för trubbig definition. Dessutom visar undersökningen att röntgenbilderna är svårtolkade även om man kan tycka att midjan är påtaglig från alla vinklar. Vätningen skulle trots detta kunna vara tillräckligt bra och kulan på BGA:an ha smält ihop med lodet på padden.

För att få lite mer beslutsunderlag tillverkades ett antal kort där man började med att placera ut två små chipkomponenter, 0402, under varje BGA, för att avsiktligt framkalla HoP-defekter. Chipkomponenterna fungerar som pallbockar på ena sidan av BGA:an varför bara de fem, sex första raderna av kulorna hade kontakt med lodpastan på paddarna, resterande kulor hängde mer eller mindre i luften. Först när lodet smält och vätt runt chipkomponenterna sjunker BGA-kapseln ned och alla kulor får kontakt med lodet på paddarna.

Den ena delen av BGA:n borde därför få sämre lödfogar eftersom tiden som dessa BGA-kulor varit i kontakt med lodet (och flusset) på padden – med full värme i ugnen – är kortare än det borde vara.

Resultatet syns tydligt när man studerar de lödda kretsarna från sidan. BGA:n har ett relativt lågt avstånd till mönsterkortet i ena änden medan avståndet mellan krets och mönsterkort är betydligt större i andra änden.

De lödfogar som inte bildats under optimala förhållanden borde vara sämre vilket också röntgenbilderna visar. Det var också stora skillnader mellan de nio olika lodpastorna som testades, där den bäst presterande lodpastan resulterar i lödfogar helt fria från HoP-defekter. Medan andra presterade betydligt sämre och det finns gott om midjor, men försämringen sker inte på ett jämt sätt.

För att få fram ett facit bändes kretsarna loss från mönsterkortet. Först då kunde man se om det verkligen hade bildats Head-on-Pillow.

Även i de rader som haft kortast tid på sig att förenas med lodet på kortet fanns lödningar som vätt väl och därmed skapat en hållbar fog.

– När vi började skriva kom det bara mer och mer frågor om hur olika former på lödfogar påverkar deras styrka och utmattningsresistens.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

Resultatet blev som tidigare sagts ett hedersomnämnande och att frågan lyfts av IPC. Förhoppningsvis kommer det med röntgenbilder i framtida versioner av IPC 610.

– Vi har inte bestämt ännu hur vi ska gå vidare, det är lite upp till oss i produktionsgruppen att bestämma. Men detta är en osäkerhet som vi skulle vilja minska, säger Lars Bruno.

Foto på tvärsnittet: Mats Karlsson