Die thermische Lüge: Warum Ihre Void-Kriterien Ihre Hardware im Stich lassen

Es gibt einen weit verbreiteten Aberglauben in der Leistungselektronikfertigung, der ein schönes Röntgenbild mit einem zuverlässigen Bauteil gleichsetzt. Man sieht es auf Produktionslinien von Shenzhen bis Guadalajara: ein Qualitätsmanager hält eine Charge QFNs zurück, weil der Hohlraumanteil 28% statt der willkürlichen 25% gemäß IPC-A-610 erreicht hat. In der Zwischenzeit stoppt die Linie, die „schlechten“ Leiterplatten werden verschrottet oder nachgearbeitet, und alle klopfen sich selbst auf die Schulter, weil sie einen Defekt entdeckt haben.

Das ist keine Zuverlässigkeitstechnik. Es ist ein Schönheitswettbewerb.

Physik kümmert sich nicht um Ihre Graustufen-Schwellenwerte. Physik interessiert sich nur für den thermischen Pfad vom Übergang zur Umgebung. Wenn Sie den Hohlraumanteil über die Hohlraumposition priorisieren, schrotten Sie wahrscheinlich gute Hardware, während gefährliche Teile unbemerkt durchrutschen.

Das Problem ist, dass wir Verarbeitungsstandards – die hervorragend geeignet sind, um zu bestimmen, ob ein Prozess abdriftet – als Zuverlässigkeitsphysik ausgeben lassen. Ein Standard wie IPC-A-610 Klasse 3 ist ein binäres Bestehen/Nichtbestehen-Maß, das für Vertragsstreitigkeiten und visuelle Konsistenz entwickelt wurde, nicht um vorherzusagen, ob ein MOSFET einen zehnjährigen Einsatzzyklus in einem automobilen Traktionsinverter überlebt.

Wenn Sie ein 25%-Hohlraumlimit als harte Grenze für thermisches Versagen behandeln, ignorieren Sie das Konzept des „Thermischen Budgets“. Ein Bauteil mit 30% Hohlräumen kann einen Junction-to-Case-Wärmewiderstand (Rth-jc) haben, der statistisch identisch mit einem Bauteil mit 10% Hohlräumen ist, abhängig davon, wo sich diese Hohlräume befinden. Wir müssen aufhören, Schatten zu prüfen, und anfangen, den Wärmefluss zu gestalten.

Geographie über Geometrie

Wärme fließt wie Wasser, nimmt den Weg des geringsten Widerstands und fließt nicht gleichmäßig über die gesamte Die-Attach-Paddle.

Nehmen Sie ein leistungsstarkes 5×6 PowerQFN. Im Test können Sie auf eine Einheit mit massiven Hohlräumen stoßen – bis zu 45% – verursacht durch aggressives Flussmittelausgasen. Für das bloße Auge einer Röntgenmaschine sieht es wie eine Katastrophe aus, ein Schweizer Käse aus Lot, der sofort verbrennen sollte. Wenn Sie diese Hohlräume jedoch kartieren, stellen Sie oft fest, dass es sich um „Champagnerblasen“ handelt, die vollständig am Rand des Pads konzentriert sind, dorthin getrieben durch Benetzungs­kräfte während des Reflows. Die Mitte des Pads, direkt unter dem aktiven Hotspot des Siliziumchips, ist fest.

Wenn Sie dieses „fehlgeschlagene“ Bauteil auf einem Dynodenprüfstand mit einem Thermoelement oder einem transienten Wärmetester betreiben, ist das Ergebnis oft überraschend: Der Anstieg der Übergangstemperatur (Tj) liegt innerhalb von 2°C eines „perfekten“ Kontrollgeräts. Die im Die-Zentrum erzeugte Wärme hat einen direkten, ununterbrochenen Kupferpfad zum Leadframe. Die peripheren Hohlräume sind thermisch irrelevant, weil die Wärme nie durch diese Ränder fließen musste, um zu entweichen.

Umgekehrt kann ein Bauteil mit nur 8% Gesamt-Hohlraumanteil – ein „Bestanden“ nach jedem Standard – einen einzelnen großen Hohlraum direkt unter dem Hotspot des Die haben. Diese lokale Isolierung erzeugt einen massiven thermischen Engpass, der zu Stromkonzentration und einem schnellen Anstieg von Tj führt, den keine Datenblattmarge abdecken kann. Der Prozentsatz ist niedrig, aber das Zuverlässigkeitsrisiko ist kritisch.

Hier versagt die Branchenbesessenheit mit einfachen Zahlen. Die Beziehung zwischen Hohlraumanteil und thermischem Widerstand ist nicht linear; sie ist geometrisch und stark abhängig von der spezifischen Gehäusearchitektur (z. B. LFPAK vs. D2PAK).

Es ist verlockend, nach einer Wunderlösung wie Silber-Sintern zu suchen, um dieses Problem zu lösen, in der Annahme, dass ein dichteres, blasenfreies Material das Problem behebt. Aber während das Sintern eine höhere Wärmeleitfähigkeit bietet, bringt es seine eigenen Probleme mit sich, insbesondere im Hinblick auf Delaminationen an der Schnittstelle bei großflächigen Dies. Wenn Sie Materialien wechseln, ohne die Geografie Ihres Wärmeflusses zu verstehen, tauschen Sie nur einen Ausfallmodus gegen einen teureren ein.

Das Null-Hohlraum-Paradoxon

Es gibt eine dunklere Seite bei der Suche nach der „perfekten“ Lötstelle, die Teams, die mit harten thermischen Zyklen (-40 °C bis 125 °C) zu tun haben, oft überrascht.

Ich habe Rückläufer von Hochzuverlässigkeits-Traktionsmodulen analysiert, bei denen die Röntgeninspektionsdaten aus der Fabrik nahezu keine Hohlräume auf den DBC (Direct Bonded Copper)-Substraten zeigten. Sie sahen makellos aus. Doch im Feld rissen die Lötstellen und ermüdeten vorzeitig. Die Untersuchung ergab, dass das Fehlen von Hohlräumen tatsächlich ein Symptom für eine zu dünne Bondline war.

Im Eifer, Hohlräume zu eliminieren, wurde der Prozess so eingestellt, dass das Gehäuse fest zusammengedrückt wurde, wodurch fast keine Lötstandoff-Höhe als mechanischer Puffer übrig blieb. Lötzinn ist ein nachgiebiges Material; es benötigt Volumen, um die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen dem steifen Silizium/Leadframe und der Leiterplatte zu absorbieren.

Wenn Sie „null Hohlräume“ erreichen, indem Sie die Bondline zerdrücken, entfernen Sie diese Spannungsentlastung. Eine kleine Menge verteilter Hohlräume kann tatsächlich die Rissausbreitung stoppen, indem sie als Spannungsunterbrechung im Kristallgitter wirkt. Eine perfekt feste, mikroskopisch dünne Verbindung überträgt all diese mechanischen Spannungen direkt auf die intermetallischen Schichten, was zu Ermüdungsrissen führt, die den thermischen Pfad viel schneller unterbrechen als es ein paar Blasen je könnten. Null ist nicht das Ziel; oft ist eine perfekt hohlraumfreie Verbindung nur ein spröder Ausfall, der darauf wartet, zu passieren.

Aufhören zu raten, anfangen zu messen

Wenn Sie sich nicht auf den Röntgenprozentsatz verlassen können, wie validieren Sie dann den Prozess? Sie müssen aufhören, sich 2D-Schatten anzusehen, und anfangen, die dynamische thermische Reaktion zu messen. Der statische thermische Widerstand (Rth) ist nützlich, aber die transiente thermische Impedanz (Zth) ist der Wahrheitsfinder. Die Verwendung der in JEDEC JESD51-14 beschriebenen Methoden, insbesondere der Dual-Interface-Methode, ermöglicht es Ihnen, die Wärmeausbreitung durch den Aufbau zeitlich zu verfolgen.

Durch die Analyse der Strukturfunktionskurve, die von einem T3Ster oder ähnlichen Geräten erzeugt wird, können Sie genau feststellen, wo der thermische Engpass auftritt. Sie können zwischen einem Hohlraum an der Die-Attach-Schnittstelle und einer Delamination an der Kupfer-zu-FR4-Schicht unterscheiden. Dies ist der einzige Weg, um zu beweisen, ob ein Hohlraum „isolierend“ (den Pfad blockierend) oder „irrelevant“ (in einer toten Zone sitzend) ist.

Es erfordert Investitionen in Laborausrüstung und die Geduld, komplexe Kurven zu interpretieren, aber es verlagert das Gespräch von „das sieht hässlich aus“ zu „das läuft 15 °C heißer“. Das sind Daten, die Sie einem Kunden oder einem Compliance-Beauftragten vorlegen können, um eine Abweichung von den Standardspezifikationen zu rechtfertigen.

Den Ausstieg konstruieren

Bevor Sie das Management um eine halbe Million Dollar für den Kauf eines Vakuum-Reflow-Ofens bitten, um Ihre Hohlraumzahlen zu reduzieren, schauen Sie sich Ihr Schablonendesign an. Vakuum-Reflow ist ein mächtiges Werkzeug, wird aber oft als Krücke für schlechte Prozessentwicklung verwendet. Die häufigste Ursache für Hohlräume in großen thermischen Pads ist einfaches Gaseinschluss—Flüchtige Bestandteile aus dem Flussmittel haben während der Soak-Phase keinen Fluchtweg.

Oft können Sie die Hohlräume von einem nicht bestandenen 35% zu einem bestandenen 15% reduzieren, indem Sie einfach das Öffnungsdesign von einem großen Block zu einem „Fensterrahmen“-Raster ändern. Dies schafft Kanäle, durch die das ausgasende Flussmittel entweichen kann, bevor das Lot flüssig wird. Kombinieren Sie dies mit einer Profiloptimierung—passen Sie die Soak-Zeit an, um eine vollständige Aktivierung der Flüchtigen sicherzustellen—und Sie können das Problem oft für die Kosten einer neuen Schablone ($300) statt eines neuen Ofens ($500k) lösen.

Letztendlich ist Ihr Ziel, eine Prozessspezifikation zu erstellen, die die Realität widerspiegelt. Kopieren Sie nicht einfach die IPC Class 3-Grenzwerte in Ihre Hauptzeichnung, es sei denn, Sie möchten sich mit Ihrem Auftragshersteller streiten. Definieren Sie Ihre Kriterien basierend auf der Physik Ihrer spezifischen Leistungsdichte:

1. Definieren Sie kritische Zonen: Geben Sie an, dass Hohlräume unter dem Die-Thermopad (dem Hotspot) stärker gewichtet werden als periphere Hohlräume.
2. Verlangen Sie Bondline-Kontrolle: Mindestabstandshöhen einstellen, um Spannungsbrüche zu verhindern.
3. Verwenden Sie Zth zur Verifikation: Qualifizieren Sie den Prozess mit thermischen Transiententests und verwenden Sie dann nur Röntgenstrahlen als Prozessüberwachung, um sicherzustellen, dass nichts driftet.

Zuverlässigkeit bedeutet, sicherzustellen, dass das Gerät funktioniert, nicht Röntgenbilder für ein Stockfoto zu polieren.