Röntgen-Nullsanalyse: Kriterien, die mit der IPC-Klasse übereinstimmen

Der Rorschach-Test der Fertigung

Wenn Sie zum ersten Mal ein Graustufen-Röntgenbild eines Ball Grid Array (BGA) betrachten, ist Ihr Instinkt meist Alarm. Sie sehen einen dunklen Kreis (den Lötball), durchzogen von helleren, unregelmäßigen Flecken. Es sieht aus wie eine Krankheit, ein Schwamm oder – für Ungeübte – ein Defekt, der beseitigt werden muss.

Im Inspektionsraum hingegen inspizieren wir nicht aus ästhetischen Gründen; wir inspizieren nach physikalischen Prinzipien. Diese helleren Flecken sind Hohlräume – Gaskammern, die während des Reflow-Prozesses eingeschlossen wurden. Sie sind hässlich, ja. Aber in der überwiegenden Mehrheit der Fälle sind sie strukturell harmlos.

Die Herausforderung in der modernen Elektronikfertigung besteht nicht darin, eine „perfekte“ luftefreie Lötverbindung zu erreichen, was ein teuer berechtigtes und oft schädliches Unterfangen ist. Die Herausforderung besteht darin, zwischen dem kosmetischen Hohlraum, der zehn Jahre im Feld überleben wird, und dem strukturellen Hohlraum zu unterscheiden, der bei thermischer Belastung reißt. Dazu müssen wir den Bauchentscheidungen bei „hässlichen“ Bildern ignorieren und uns ausschließlich auf die in IPC-A-610 definierten Flächenverhältnisse verlassen.

Die 25%-Regel

Der Branchenstandard für die Akzeptanz elektronischer Baugruppen, IPC-A-610, ist überraschend nachsichtig, wenn es um Hohlräume geht. Ob Sie ein Produkt der Klasse 2 (Laptops, Industrieanlagen) oder der Klasse 3 (Lebensunterstützung, Luft- und Raumfahrt) bauen, die Kriterien für BGA-Hohlräume sind oft identisch. Gemäß IPC-A-610 und seinem Begleitstandard J-STD-001 ist eine Lötglobel akzeptabel, sofern die kumulative Hohlraumfläche 25% der Gesamtfläche des Balls nicht übersteigt.

Diese Zahl schockiert die meisten Menschen. Ein 25%-Hohlraum sieht auf einem Monitor riesig aus – als ob ein Viertel der Verbindung fehlt. Aber die Physik erzählt eine andere Geschichte. Lötpaste, insbesondere die Standardlegierung SAC305, enthält Flussmittel-Volatiles, die beim Reflow ausgasen müssen. Ist die Zeit über dem Liquidus kurz, oder ist die Komponente schwer, wird Gas eingeschlossen. Das ist natürlich. Die verbleibenden 75% des Lötvolumens sind mehr als ausreichend, um den elektrischen Strom zu führen und mechanischen Belastungen standzuhalten.

Tatsächlich zeigen interne Studien und Branchenzuverlässigkeitsdaten, dass BGA-Bälle mit 15–20% Hohlräumen oft genauso viele thermische Zyklen überleben wie solche mit 1% Hohlräumen.

Es gibt eine Bewegung, die oft von High-End-Nischenherstellern vorangetrieben wird, die behauptet, dass beliebig Void ist ein Fehler. Man hört vielleicht Argumente für Vakuumlötofen, die während des Lötens die Atmosphäre aus der Kammer ziehen, um Blasen zum Kollabieren zu bringen. Wenn Sie für einen Satelliten im Tiefraum bauen, bei dem eine Reparatur unmöglich ist, ist Vakuumlöten eine gültige, wenn auch teure Anforderung. Für die anderen 99% der Elektronik ist die Verfolgung von null Blasen eine Geldverschwendung und eine Verschwendung des thermischen Budgets. Die Substanzierung einer Leiterplatte mit mehreren Rework-Heizzyklen, um eine konforme 15%-Blase zu beheben, verursacht mehr Beschädigung an der Laminat- und Kupferpads als die Blase jemals tun würde.

Die Geometrie der Akzeptanz

Inspektion ist eine geometrische Berechnung, kein Stimmungstest. Wenn eine automatische Röntgeninspektion (AXI) Maschine oder ein menschlicher Bediener ein BGA überprüft, besteht die Aufgabe darin, die projizierte Fläche der Blasen im Verhältnis zur projizierten Fläche des Balls zu berechnen. Es ist ein einfaches Verhältnis: (Summe der Blasenflächen) / (Gesamtfläche des Balls). Wenn der Ball 20 Mil im Durchmesser hat, messen wir die Pixelanzahl der Lichtpunkte gegenüber dem dunklen Kreis.

Allerdings sind Blasen selten perfekte Kreise. Sie erscheinen oft als „Schweizer Käse“ – Cluster winziger Blasen, die verschmelzen und sich trennen. Die genaue Fläche dieser unregelmäßigen Formen zu berechnen, ist eine Schätzung, selbst für fortgeschrittene Algorithmen. Die Maschine zeichnet eine Umgrenzung um die Blasencluster und summiert sie auf.

Wenn das Ergebnis genau an der Grenze liegt – sagen wir, 24% oder 26% – wird menschliches Urteilsvermögen entscheidend. Wir müssen die Bildqualität beurteilen. Ist das eine einzelne große Blase oder ein Cluster kleinerer? Der Standard erlaubt eine kumulative Berechnung, was bedeutet, dass viele winzige Blasen genauso gewertet werden wie eine große, vorausgesetzt, sie verletzen keine anderen Regeln bezüglich des Standorts.

Die Thermalpad-Ausnahme (QFN/BTC)

Die Kriterien ändern sich drastisch, wenn wir von Signalpins (BGAs) zu Thermopads wechseln. Komponenten wie QFNs (Quad Flat No-leads) und andere Bottom Termination Components (BTCs) haben eine große freiliegende Pad in der Mitte, hauptsächlich zur Wärmeableitung, nicht für das elektrische Signal. Weil es sich um eine große, flache Oberfläche handelt, die an ein passendes großes, flaches Pad auf der Leiterplatte gelötet ist, hat Ausgasung keinen Fluchtweg. Man kann es sich vorstellen wie das Flachdrücken von Pizzateig, ohne Luftblasen einzuschließen; es ist fast unmöglich.

Dementsprechend ist die IPC-Grenze für diese Thermopads deutlich höher und erlaubt typischerweise bis zu 50% Blasen. Ingenieure geraten oft in Panik, wenn sie ein QFN-Thermopad sehen, das wie eine Honigwabe aussieht, und kennzeichnen es als Ausschuss. Aber wenn dieses Pad 50% gelötet ist, ist die thermische Übertragungseffizienz in der Regel für die Bewertung des Bauteils ausreichend. Datenblätter von Herstellern wie TI oder Analog Devices geben manchmal strengere Grenzen für Hochleistungs-RF-Anwendungen vor, 50% ist jedoch der Standard für allgemeine digitale Logik.

Wenn Sie konsequent massive Blasen in diesen Thermopads sehen – sagen wir, 60% oder höher – liegt das Problem selten am Reflow-Profil. Es ist fast immer das Schablonendesign. Eine 1:1-Aperturöffnung (bei der das Loch in der Schablone die gleiche Größe hat wie das Pad) legt zu viel Paste ab und versperrt flüchtige Stoffe im Zentrum. Die Lösung ist nicht, den Ofen anzupassen, sondern ein „Fenster-Schablonendesign“ zu verwenden. Das Aufteilen des großen Quadrats in kleinere Scheiben mit Kanälen ermöglicht das Entweichen von Gas, was oft das Volllaufen von 60% auf 15% über Nacht reduziert.

Der Standort ist der wahre Marker

Während das Größe der Blase der Standort was die Qualitätssicherungsingenieure nachts wach hält. Eine große „Masseblasen“ im Zentrum einer Lötkugel schwebend, ist selten eine Zuverlässigkeitsbedrohung, weil sie von festem Metall umgeben ist. Die gefährlichen Blasen sind diejenigen, die die Schnittstelle berühren – die Grenze zwischen Lötmittel und dem Pad des Bauteils oder zwischen Lötmittel und dem Pad der Leiterplatte.

Wir nennen diese „Champagner-Leerräume“, weil sie sich an der Schnittstelle wie Blasen in einem Glas sammeln. Auch wenn diese Leerräume nur 5% der Fläche ausmachen, können sie katastrophal sein. Sie schaffen einen Spannungsanstiegspunkt genau dort, wo die intermetallische Verbindung (IMC) entsteht. Bei Fallstoß oder Vibration kann an dieser Leerräume eine Rissbildung einsetzen und sich über die Fläche ausbreiten, wodurch die Verbindung unterbrochen wird. Ein 5%-Interface-Leerraum ist unendlich schlimmer als ein 20%-Volumenleerraum. Deshalb können automatisierte Bestehen-/Durchfallen-Zahlen täuschen; eine Maschine könnte eine Platine mit 5%-Leerräumen bestehen lassen, die ein menschliches Auge aufgrund der Oberflächenlage ablehnen würde.

Hier entsteht auch oft Verwirrung bezüglich „Head-in-Pillow“ (HiP)-Defekten. Man könnte eine Form sehen, die wie ein Leerraum oder ein seltsamer Doppelkreis auf dem Röntgenbild aussieht, aber HiP ist überhaupt kein Leerraum. Es ist eine offene Schaltung, bei der die Kugel verformt, aber nicht mit der Paste verschmolzen ist—sie sieht aus wie ein Schneemann oder ein Kopf, der auf einem Kissen ruht. Anders als bei einem Leerraum, der ein Prozessindikator ist, ist HiP ein funktionaler Fehler. Lassen Sie sich nicht durch die Terminologie verwirren; wenn Sie HiP haben, handelt es sich um eine offene, nicht um ein Leerraumproblem.

Die False-Positive-Falle

Moderne Röntgengeräte sind beeindruckend, aber nicht allwissend. Sie haben Schwierigkeiten mit Hintergrundrauschen. Wenn sich eine Via (ein platierter Durchgang) direkt unter einer BGA-Pad befindet, erkennt das Röntgen das Innere der Via und markiert es als Leerraum im Lote. Dies ist ein klassisches Falsch-Positiv, bei dem die Software eine Dichteänderung erkennt und „Fehler!“ ruft.

Wir überprüfen täglich diese „Knochenhaufen“ abgelehnter Bilder. In vielen Fällen ist die von der Maschine als 30%-Leerraum markierte Stelle tatsächlich eine perfekt gelötete Kugel, die auf einer gezielten Via sitzt. Wir müssen die Position der Via in den Konstruktionsdateien überprüfen, um das zu bestätigen. Wenn wir das Urteil der Maschine blind akzeptieren würden, würden wir perfekt funktionierende Hardware verschrotten oder nacharbeiten.

Zuverlässigkeit über Perfektion

Das Ziel der Inspektion ist Zuverlässigkeit, nicht geometrische Perfektion. Durch die Einhaltung der IPC Class 2 und 3 Grenzen—25% für Signalkugeln, 50% für Wärmefüße— und die Konzentration auf gefährliche Schnittstellen-Leerräume anstatt harmloser Volumenleeräume schützen wir das Produkt, ohne die Ausbeute zu zerstören. Wir akzeptieren, dass Lötmaterial ein dynamisches, organisches Material ist, das Gase freisetzt und sich bewegt. Solange Zahlen und Physik im Einklang sind, wird die Platine versendet.