تشريح البركان الخارج للغاز: لماذا يتطلب التوصيل عبر الفتحة داخل الوسادة نوع VII من المكابس

الفيزياء غير مهتمة بمواعيد مشروعك. لا تهتم بهدفك في مذكرة المواد، وبالتأكيد لا يهم أنها وفرت عشرين سنتًا لكل لوحة بتجاوز دورة الطلاء الثانوية. عندما تضع نوعًا داخل حزام المكون — الذي يتطلبه الكثافة الحديثة — فإنك تخلق وعاء ضغط. تعامل مع ذلك الوعاء بشكل غير مبالٍ، مثل ثقب عبرة قياسية، وأنت تبني قنبلة مجهرية مباشرة أسفل أغلى سيليكون لديك.

خلال عملية إعادة التدفق، تتجاوز درجة الحرارة نقطة السيولة لحام SAC305 (حوالي 217°C) وتصل ذروتها عند قرب 245°C. في تلك النافذة التي تبلغ ستين ثانية، سيتمدد أي رطوبة أو وسيط تدفق أو هواء محبوس داخل ذلك النوع. تتوسع الغازات بشكل عنيف. إذا كان النوع مجرد "خيمة" باستخدام قناع اللحام، فإن غشاء البوليمر الرقيق يتمدد مثل بالون حتى يفشل. عندما ينفجر، يطلق اللحام المصهور الموجود على السطح. النتيجة هي حفرة في الوصلة، أو مكون مرفوع، أو "فراغ" كبير بما يكفي للفشل في اختبار فئة IPC 3. هذا هو تأثير البركان. الغاز لا يجد ملجأ إلا إلى الأعلى، وهو يأخذ موثوقيتك معه.

وفاة عظمة الكلب

في وقت من الأوقات، كان يمكنك تجنب هذه المشكلة تمامًا باستخدام توصيلات "كلب العظمة". كنت توصل بخط قصير من لوحة BGA إلى نوع داخل نوع في مساحة مفتوحة، مع الحفاظ على اللوحة صلبة والثقب منفصل. تلك الحقبة انتهت فعليًا بالنسبة لتصميم الديجيتال عالي الأداء.

عندما تنظر إلى Xilinx UltraScale+ أو إلى حساس عالي الكثافة بمسافة 0.4 ملم، الهيكل لتوجيه خط بين اللوحات ببساطة غير موجود. يتطلب خط قياسي بمسافة 3 ميلات ومسافة 3 ميلات مساحة أكثر مما وفره مصنعو السيليكون. أنت مضطر للحفر مباشرة داخل اللوحة. يحاول بعض المهندسين، ربما من عادات من حقبة المسافة 1.27 ملم، تقليص حلقات الأنوارة إلى مستويات خطيرة للحفاظ على كلب العظمة، لكنهم يقاتلون ضد العائد. إن تحمل انحراف الحفر لمصنع متوسطة المستوى سينتوقف في النهاية ضدك. الفيزياء والهندسة الجيوميتري يفرضون أنه يجب أن يذهب النوع في اللوحة. السؤال ليس "هل"، بل "كيف" تملأ ذلك الحفرة.

وهم الخيام والتوصيل

الخطأ الأكثر شيوعًا — والأكثر سببًا للفشل الكارثي في الميدان — هو الافتراض أن القناع اللحامي القياسي يمكنه إغلاق النوع داخل اللوحة. يُحدد غالبًا على أنه IPC-4761 نوع VI، أو "مغطى ومغطى". إنه خيار مغرٍ لأنه لا يكلف شيئًا إضافيًا؛ فمهندس CAM يترك فتح القناع فوق النوع مغلقًا.

لكن قناع اللحام السائل للتصوير الضوئي (LPI) ليس مادة بنائية. إنه طلاء رقيق من الدهان. عندما تغطي نوع داخل لوحة، فإنك تحجز الهواء داخل الأنبوب. خلال الارتفاع إلى 245°C، يتوسع الهواء. يلين القناع. تتراكم الضغطات حتى تختراق غطاء اللحام المصهور، مما يخلق البركان المشار إليه سابقًا. حتى لو لم ينفجر، يمكن أن يبقى الفقاعة الغازية محتبسة في اللحام المبرد، مكونة فراغًا هائلًا يعمل كعازل حراري. لقد وضعت فعليًا معالجك عالي القدرة على وسادة من الهواء بدلاً من مسار حراري نحاسي. التغطية كفخ.

يحاول بعض المصممين أن يكونوا أذكياء بطلب "توصيلات مغلقة". يعتقدون أن "المغلقة" تعني أن الثقب مملوء بالكامل. ومع ذلك، في مصطلحات المصنع، غالبًا ما يعني "الـتغليف" فقط حقن كمية صغيرة من قناع اللحام في الثقب لمنع الضوء. نادرًا ما يملأ الأنبوب بالكامل. والأسوأ من ذلك، أنها تخلق سطحًا غير مستوٍ. يتصلب LPI وينكمش، تاركًا غمزة أو انخفاضًا في مركز اللوحة.

عندما يقوم مصنع التجميع برش معجون اللحام على تلك اللوحة المغمورة، يكون حساب الحجم خطأ. يتخلل المعجون الدغم. كرة BGA، التي تتوقع سطحًا مستويًا، يجب الآن أن تتجاوز فجوة. يؤدي هذا إلى عيوب "رأس في وسادة"، حيث تستريح الكرة على اللوحة لكنها لا تبتلِغها فعليًا، مما يخلق اتصالًا متقطعًا يمر عبر اختبار المصنع لكن يفشل في أول مرة يسقط فيها العميل الجهاز. الربط المغلق ليس غطاءً، والدغم عيب في الانتظار للحدوث.

الطريق الوحيد للخروج: النوع السابع (VIPPO)

الحل الهندسي الوحيد الذي يحترم فيزياء إعادة التدفق هو IPC-4761 النوع السابع. يُعرف في الصناعة بشكل غير رسمي باسم VIPPO (توصيل داخل لوحة مطلي فوقه). ليست خطوة واحدة — إنها تسلسل من العمليات التصنيعية المصممة لتحويل الثقب مرة أخرى إلى لوحة نحاسية صلبة ومستوية.

يبدأ العملية بعد الحفر والتغطية الأولية. يُجبر المصنع على حقن راتنج الإيبوكسي المتخصص في أنبوب التوصيل. هذا ليس غطاء اللحام؛ إنه مركب مخصص لملء الثقب. بمجرد تجفيفه، يمر اللوح بمرحلة التسوية—وهي عملية سنفرة ميكانيكية تُسحق فيها الفائض من الإيبوكسي بحيث يتماشى مع سطح النحاس. وأخيرًا، يعود اللوح إلى حوض التغطية. يتم تغطية الثقب المملوء والمنسنر بطبقة من النحاس.

النتيجة هي وسادة تبدو وتتصرّف كالنحاس الصلب. لا توجد ثقب لخروج الغاز. لا يوجد غطية لالتصاق اللحام. كرة BGA تستقر على سطح موصل ومستوي تمامًا. تنتقل حرارة المكوّن عبر غطاء النحاس، إلى جدران التغطية في  ، وإلى الطبقات الداخلية. هذا يخلق وسادة نحاس أحادية الكتلة غير عرضة للغازات المنبعثة.

التسوية هي الجزء غير القابل للتفاوض في هذه العملية. إذا قمت بتحديد «ثقب ممتلئ» دون تحديد «مغطى ومطلي»، ستحصل على أنبوب مملوء بالإيبوكسي مع راتنج مكشوف على السطح. اللحام لا يلتصق بالإيبوكسي. ستنتهي بك الأمر إلى قطعة من النحاس على شكل دونات مع وسط غير قابل للبلل، وهو أسوأ من الغطية. أنت بحاجة إلى الغطاء.

خرافة التوصيل الكهربائي

عند تحديد مادة التعبئة، ستواجه نقاشًا مستمرًا: تعبئة موصلة مقابل غير موصلة. يعتقد العديد من المهندسين بشكل بديهي أن «الموصلة أفضل» ويحددون إيبوكسي يحتوي على فضة أو نحاس، معتقدين أنه يُحسن الأداء الحراري. بالنسبة لفئات الموثوقية القياسية، فهذا غالبًا خطأ.

الطرُق الموصلة لها معامل تمدد حراري (CTE) يختلف بشكل كبير عن رامندا FR4 المحيطة. مع ارتفاع وارتفاع درجة حرارة اللوح، يتوسع اللوح بمعدل (تمدد على محور Z) ويتوسع التعبئة الموصلة بمعدل آخر. هذا الاختلاف يضغط على طبقة النحاس داخل الأنبوب. على مدى العديد من الدورات الحرارية، يتصرف التعبئة كوتد، متسببًا في تصدع ركبة النحاس أو فصل الطلاء عن جدار الثقب.

يتم صياغة الإيبوكسي غير الموصَل خصيصًا لمطابقة CTE لرامندا FR4 القياسية من نوع Tg170. يتحرك مع اللوح. وبالنسبة للحجة الحرارية: يحدث انتقال الحرارة عبر أنبوب التوصيل أساسًا عبر أسطوانة التغطية من النحاس، وليس النواة. الفارق في المقاومة الحرارية بين أنبوب مملوء بالفضة وأنبوب مملوء بالإيبوكسي القياسي ضئيل جدًا خلال تطبيقات 95%. إلا إذا كنت تتجه لتمرير تيار DC بقوة 50 أمبير حيث المقاومة الكهربائية للانبوب هي المعيار الوحيد، فإن خطر الاعتمادية على التعبئة الموصلة يتفوق على المكاسب النظرية. التزم بالتعبئة غير الموصلة.

كتابة الملاحظة الخاصة بك

لا يمكنك الاعتماد على مهندس CAM لتخمين نيتك. إذا تركت الثقوب في الوسائد وأرسلت ملفات Gerber، ستضع ورشة عمل مجتهدة العمل قيد الانتظار. أما ورشة العمل ذات الميزانية المحدودة فستعالجها كثقوب مفتوحة، وسيسحب اللحام خلال التجميع، مما يترك دبوس المكون جافًا—وهو ما يُعرف بـ «لص اللحام» التقليدي.

عليك إضافة طبقة محددة أو كتلة نص واضحة في رسم التصنيع الخاص بك. يجب أن تكون واضحة. لا تستخدم مصطلحات غامضة مثل «مُلغى». استخدم تعريف الصناعة القياسي:

«جميع الثقوب في وسائد BGA (أو الطبقات المحددة) تكون وفق معيار IPC-4761 من نوع VII. ممتلئة بالإيبوكسي غير الموصَل، ومستوية، ومغطاة بطبقة نحاس بحد أدنى 12μm. يجب أن يكون السطح النهائي مستويًا وقابلًا للحام.»

هذه العملية تزيد من التكلفة. اعتمادًا على الحجم والورشة، قد تضاف من 15% إلى 30% إلى سعر اللوح الفعلي لأنها تتطلب دورات تغطية إضافية وخطوات تسوية يدوية. لكنك لا تدفع مقابل ثقب؛ أنت تدفع مقابل غياب البركان. قارن ذلك الزيادة في تكلفة اللوح 20% مع تكلفة إلغاء عملية إنتاج لـ 5000 وحدة لأن QFNs تطفو على فقاعات هواء. الحساب بسيط. الفيزياء لا تفاوض عليها.