تحليل التجويف بالأشعة السينية: معايير تطابق تصنيف IPC

اختبار رورشاخ للتصنيع

عند النظر إلى صورة أشعة سينية رمادية اللون لمصفوفة الكرة (BGA) لأول مرة، يكون لديك غريزة عادةً تنذر بالخطر. ترى دائرة داكنة (كرة اللحام) مليئة بالبقع الفاتحة غير المنتظمة. تبدو كمرض، إسفنج، أو - لغير الملمين - عيب يجب استبعاده.

ومع ذلك، في غرفة الفحص، نحن لا نفحص للجماليات؛ نحن نفحص للفيزياء. تلك البقع الفاتحة هي فجوات — جيوب غاز محاصرة خلال عملية إعادة التدفق. إنها قبيحة، نعم. لكن في الغالبية العظمى من الحالات، فهي غير ضارة من الناحية الهيكلية.

التحدي في التصنيع الإلكتروني الحديث ليس تحقيق وصلة لحام خالية من الفجوات بشكل «مثالي»، وهو سعي مكلف جدًا وغالبًا ما يضر. التحدي هو التمييز بين الفجوة التجميلية التي ستبقى لمدة عشر سنوات في الميدان والفجوة الهيكلية التي ستتكسر تحت الضغط الحراري. للقيام بذلك، علينا تجاهل رد الفعل الغريزي على الصور «القبيحة» والاعتماد كليًا على نسب المساحة المحددة في IPC-A-610.

قاعدة 25%

المعيار الصناعي لقبول التجميع الإلكتروني، IPC-A-610، مرن بشكل مفاجئ عندما يتعلق الأمر بغياب الفجوات. سواء كنت تقوم ببناء منتج من الفئة 2 (أجهزة الكمبيوتر المحمولة، ضوابط صناعية) أو من الفئة 3 (دعم الحياة، الفضاء الجوي)، غالبًا ما تكون معايير فجوات BGA متطابقة. وفقًا لـ IPC-A-610 وJ-STD-001، يُعتبر كرة اللحام مقبولة بشرط ألا يتجاوز إجمالي مساحة الفجوة نسبة 25% من مساحة الكرة الكلية.

هذا الرقم غالبًا ما يذهل الناس. فجوة بقيمة 25% تبدو هائلة على الشاشة — كأن ربع الاتصال مفقود. لكن الفيزياء تقول شيئًا مختلفًا. معجون اللحام، لا سيما سبائك SAC305 الخالية من الرصاص، يحتوي على مكونات متطايرة من التدفق يجب أن تتبخر أثناء إعادة التدفق. إذا كانت المدة فوق السائل قصيرة، أو إذا كان المكون ثقيلًا، فإن بعض الغازات تُحبس. هذا طبيعي. النسبة المتبقية من 75% من حجم اللحام أكثر من كافية لنقل التيار الكهربائي وتحمل الصدمة الميكانيكية.

في الواقع، تظهر الدراسات الداخلية وبيانات الاعتمادية الصناعية أن كرات BGA التي تحتوي على فجوات تتراوح بين 15–20% غالبًا ما تتوقعها بعدد مماثل من دورات الحرارة كما تلك التي تحتوي على فجوات بقيمة 1%.

هناك حركة، غالبًا ما يدفع بها مصنّعو النطاق العالي، تشير إلى أن أي الفشل في الفراغ هو فشل. قد تسمع حججًا لفرن إعادة التدفق الفراغي، الذي يسحب الغلاف الجوي من الحجرة أثناء اللحام لتفجير الفقاعات. إذا كنت تبني لاقط فضائي عميق حيث المستحيل الإصلاح، فإن إعادة التدفق الفراغي تعتبر متطلبًا صحيحًا، وإن كان مكلفًا. بالنسبة لما تبقى من الإلكترونيات، فإن السعي وراء خلو الفقاعات من الهدر المالي وميزان الحرارة هو مضيعة للمال. تعريض لوحة لعدة دورات إعادة عمل حرارية لإصلاح فجوة امتثالية يُسبب ضررًا أكثر للألياف والوسادات النحاسية من الفجوة نفسها.

هندسة القبول

الفحص هو حساب هندسي، وليس فحص مزاج. عندما يقيم جهاز فحص الأشعة السينية الآلي (AXI) أو المشغل البشري BGA، فإن المهمة هي حساب المساحة المتوقعة للفراغات بالنسبة إلى المساحة المتوقعة للكرة. إنها نسبة بسيطة: (مجموع مساحات الفراغ) / (المساحة الإجمالية للكرة). إذا كانت الكرة بقطر 20 ميل، نقيس عدد البكسل لنقاط الضوء مقابل الدائرة الداكنة.

ومع ذلك، فإن الفجوات نادرًا ما تكون دوائر مثالية. غالبًا ما تظهر كـ "جبن سويسري"—عنابر من الفقاعات الصغيرة التي تتحد وتفترق عن بعضها البعض. إن حساب المساحة الدقيقة لهذه الأشكال غير المنتظمة هو تقدير، حتى بالنسبة للخوارزميات المتقدمة. يرسم الجهاز محيطًا حول تجمعات الفراغ ويجمعها معًا.

عندما يقفز الناتج عند الحد—مثلاً، 24% أو 26%—يصبح الحكم البشري حاسمًا. علينا أن نلقي نظرة على دقة الصورة. هل هو فجوة كبيرة واحدة، أو مجموعة من الفتحات الصغيرة؟ يسمح المعيار بالحساب التراكمي، مما يعني أن الكثير من الفقاعات الصغيرة تحسب مثل واحدة كبيرة، بشرط ألا تنتهك قواعد الموقع الأخرى.

استثناء الوسادة الحرارية (QFN/BTC)

تتغير المعايير بشكل كبير عندما نبتعد عن دبابيس الإشارة (BGAs) إلى الوسادات الحرارية. تحتوي مكونات مثل QFNs (مستطيل مسطح بدون دبابيس) ومكونات الإنهاء السفلي الأخرى (BTCs) على وسادة مكشوفة كبيرة في المركز للتبديد الحراري بشكل رئيسي، وليس للإشارة الكهربائية. لأنه سطح كبير ومستوٍ ملحم على وسادة مطابقة كبيرة ومستوية على لوحة الدائرة المطبوعة، ليس هناك مكان لذوبان الغازات. فكر في الأمر كمسطح عجين البيتزا بدون حبس أي فقاعات هوائية؛ الأمر يكاد يكون مستحيلاً.

نتيجة لذلك، فإن الحد الأقصى لوسادة الحرارة وفقًا لمعيار IPC هو أعلى بكثير، وغالبًا ما يسمح بفجوات تصل إلى 50%. غالبًا ما يصاب المهندسون بالذعر عندما يرون وسادة حرارة QFN تشبه خلية نحل، ويصنفونها كمرفوضة. ولكن إذا كانت تلك الوسادة ملحمة بـ 50%، فإن كفاءة النقل الحراري عادةً تكون كافية لتصنيف المكون. على الرغم من أن أوراق البيانات من شركات مثل TI أو Analog Devices تحدد أحيانًا حدودًا أكثر صرامة لتطبيقات RF عالية الطاقة، فإن 50% هو المعيار للدوائر الرقمية العامة.

إذا كنت تلاحظ باستمرار فجوات ضخمة في هذه الوسادات الحرارية—مثلاً، 60% أو أكثر—فالمشكلة نادراً ما تكون ملف تدفق الحرارة. إنها دائمًا تقريبًا تصميم الستينسل. فتحة بمصراع 1:1 (حيث يكون الثقب في الستينسل بنفس حجم الوسادة) يودع كمية زائدة من المعجون، مما يحبس الغازات في المركز. الحل ليس بضبط الفرن، وإنما باستخدام تصميم ستينسل "نافذة زجاجية". تقسيم المربع الكبير إلى أجزاء أصغر قنوات يسمح للغازات بالهروب، وغالبًا ما يقلل الفجوات من 60% إلى 15% بين عشية وضحاها.

الموقع هو القاتل الحقيقي

بينما ال حجم الفجوة يحصل على كل الاهتمام، ال الموقع هو ما يبقي مهندسي الجودة مستيقظين ليلاً. الفجوة الكبيرة "الكتلية" العائمة بلطف في مركز كرة اللحام نادرًا ما تمثل تهديدًا للموثوقية لأنها محاطة بمعدن صلب. الفجوات الخطرة هي تلك التي تلمس الواجهة—الحد الفاصل بين اللحام ووسادة المكون، أو اللحام ووسادة لوحة الدائرة المطبوعة.

نسمي هذه الفراغات "فراغات الشمبانيا" لأنها تتجمع عند الواجهة مثل الفقاعات في كوب. حتى لو كانت هذه الفراغات تمثل فقط 5% من المنطقة، فهي يمكن أن تكون كارثية. إنها تخلق نقطة تركيز إجهاد في المكان الذي تتكون فيه المركب المعدني الداخلي (IMC). تحت تأثير صدمة السقوط أو الاهتزاز، قد تبدأ شرارة في تلك الفراغ وتنتشر عبر الوسادة، مما يقطع الاتصال. فراغ الواجهة بنسبة 5% أسوأ بكثير من فراغ الكتلة بنسبة 20%. لهذا السبب، أرقام النجاح/الفشل الآلية قد تكون مخادعة؛ قد تتجاوز آلة اختبار لوحة بفراغ بنسبة 5% ما يرفضه العين البشرية لأن تلك النسبة تقع مباشرة على سطح الوسادة.

وهذا أيضًا هو المكان الذي غالبًا ما ينشأ فيه اللبس بخصوص عيوب "الرأس في الوسادة" (HiP). قد ترى شكلًا يشبه فراغًا أو دائرة مزدوجة غريبة على الأشعة السينية، لكن HiP ليست فراغًا على الإطلاق. إنها دائرة مفتوحة حيث تآكل الكرة لكنها لم تتداخل مع المعجون — وتبدو كشخصية ثلجية أو رأس يستريح على وسادة. على عكس الفراغ، الذي هو مؤشر على العملية، فإن HiP هو فشل وظيفي. لا تدع المصطلح يربكك؛ إذا كان لديك HiP، فإن لديك دائرة مفتوحة، وليس مشكلة في الفراغ.

فخ الإيجابيات الكاذبة

آلات الأشعة السينية الحديثة مذهلة، لكنها ليست كليمة المعرفة. تواجه صعوبة مع الضوضاء الخلفية. إذا كان لديك ممر (ثقب مطلي) يقع مباشرة تحت وسادة BGA، ترى الأشعة السينية الهواء داخل أنبوب الممر وتعلنه كفراغ في كرة اللحام. هذا هو النموذج الكلاسيكي للإيجابية الكاذبة حيث يرى البرنامج تغيير الكثافة ويصرخ "عيب!"

نقوم يوميًا بمراجعة "كومات العظام" من الصور المرفوضة. في العديد من الحالات، ما أشار إليه البرنامج على أنه فراغ بنسبة 30% هو في الواقع كرة لحام ملحومة تمامًا على قمة ممر مغطى. علينا التحقق من موضع الممر في ملفات التصميم للتأكيد. لو قبلنا حكم البرنامج بشكل أعمى، كنا سنقوم بتخريب أو إعادة تصنيع معدات جيدة تمامًا.

الاعتمادية تتفوق على الكمال

هدف الفحص هو الاعتمادية، وليس الكمال الهندسي. من خلال الالتزام بحدود IPC Class 2 و 3 — 25% للكرات الإشارية، 50% لوسادات الحرارة — والتركيز على الشوائب الخطرة في الواجهة بدلاً من الفراغات الكلية البسيطة، نحمي المنتج دون تدمير الناتج. نحن نقبل أن اللحام هو مادة ديناميكية وعضوية تخرج من غازاتها وتتغير. طالما توفقت الأرقام والفيزياء، يتم شحن اللوحة.