Análisis de vacíos por Rayos X: criterios que coinciden con la clase IPC

La Prueba de Rorschach de Fabricación

Cuando miras por primera vez una radiografía en escala de grises de un Array de Mallas (BGA), tu instinto suele ser de alarma. Ves un círculo oscuro (la bola de soldadura) lleno de manchas irregulares y más claras. Parece una enfermedad, una esponja o, para los no iniciados, un defecto que debe eliminarse.

En la sala de inspección, sin embargo, no inspeccionamos por estética; inspeccionamos por física. Esas manchas más claras son vacíos—bolsillos de gas atrapados durante el proceso de reflujo. Son feos, sí. Pero en la gran mayoría de los casos, son estructuralmente benignos.

El desafío en la fabricación moderna de electrónica no es lograr una unión de soldadura 'perfecta' sin vacíos, lo cual es prohibitivamente costoso y a menudo dañino. El desafío es distinguir entre el vacío cosmético que sobrevivirá diez años en el campo y el vacío estructural que se agrieta bajo estrés térmico. Para ello, debemos ignorar la reacción instintiva a las imágenes 'feas' y confiar completamente en las relaciones de área definidas en IPC-A-610.

La Regla 25%

El estándar de la industria para la aceptabilidad del ensamblaje electrónico, IPC-A-610, es sorprendentemente indulgente cuando se trata de vacíos. Ya sea que estés fabricando un producto de Clase 2 (portátiles, controles industriales) o un producto de Clase 3 (soporte vital, aeroespacial), los criterios para vacíos en BGA a menudo son idénticos. Según IPC-A-610 y su complemento J-STD-001, una bola de soldadura es aceptable siempre que el área total de vacío no exceda 25% del área total de la bola.

Ese número suele sorprender a la gente. Un vacío de 25% en una bola parece enorme en un monitor—como si faltara un cuarto de la conexión. Pero la física cuenta una historia diferente. La pasta de soldadura, especialmente las aleaciones libres de plomo SAC305 estándar, contiene volátiles de flujo que deben desgasificarse durante el reflujo. Si el tiempo por encima del líquido es corto, o si el componente es pesado, algo de gas queda atrapado. Esto es natural. El 75% restante del volumen de soldadura es más que suficiente para transportar la corriente eléctrica y resistir golpes mecánicos.

De hecho, estudios internos y datos de confiabilidad de la industria muestran que las bolas de BGA con vacíos del 15–20% a menudo sobreviven tantas ciclos térmicos como aquellas con vacíos del 1%.

Hay un movimiento, a menudo impulsado por fabricantes de nicho de alta gama, que sugiere que cualquiera el void es un fallo. Podrías escuchar argumentos a favor de hornos de reflujo al vacío, que extraen la atmósfera de la cámara durante la soldadura para colapsar burbujas. Si estás construyendo para un satélite de espacio profundo donde la reparación es imposible, el reflujo al vacío es un requisito válido, aunque costoso. Para los otros 99% de electrónica, perseguir voids cero es un gasto innecesario de dinero y presupuesto térmico. Someter una placa a múltiples ciclos de calor de retrabajo para arreglar un void de 15% cumple con las especificaciones, hace más daño a la lámina y las almohadillas de cobre que el void en sí.

La Geometría de la Aceptación

La inspección es un cálculo geométrico, no una evaluación de la vibra. Cuando una máquina de Inspección por Rayos X Automática (AXI) o un operador humano revisa una BGA, la tarea es calcular el área proyectada de los voids en relación con el área proyectada de la bola. Es una simple proporción: (Suma de áreas de voids) / (Área total de la bola). Si la bola tiene 20 milésimas de pulgada de diámetro, estamos midiendo el conteo de píxeles de los puntos de luz frente al círculo oscuro.

Sin embargo, los voids rara vez son círculos perfectos. A menudo aparecen como “queso suizo”—conjuntos de pequeñas burbujas que se fusionan y separan. Calcular el área exacta de estas formas irregulares es una estimación, incluso para algoritmos avanzados. La máquina dibuja un perímetro alrededor de los grupos de voids y los suma.

Cuando el resultado está justo en el límite—por ejemplo, 24% o 26%—el juicio humano se vuelve crucial. Tenemos que mirar la fidelidad de la imagen. ¿Eso es un solo void grande, o un grupo de pequeños? La norma permite el cálculo acumulativo, lo que significa que muchas burbujas pequeñas cuentan igual que una grande, siempre que no violen otras reglas sobre la ubicación.

La Excepción del Almohadón Térmico (QFN/BTC)

Los criterios cambian drásticamente cuando nos alejamos de los pines de señal (BGAs) hacia las almohadillas térmicas. Componentes como QFNs (Quad Flat No-leads) y otros componentes de terminación inferior (BTCs) tienen una almohadilla grande expuesta en el centro, principalmente para disipación de calor, no para señal eléctrica. Debido a que es una superficie grande y plana soldada a una almohadilla grande y plana correspondiente en la PCB, no hay lugar para que escape el gases. Piensa en ello como aplanar la masa de pizza sin atrapar burbujas de aire; es casi imposible.

En consecuencia, el límite IPC para estas almohadillas térmicas es significativamente mayor, permittingo típicamente hasta el 50% de voiding. Los ingenieros a menudo entran en pánico cuando ven una almohadilla térmica QFN que parece un panal de abejas, señalándola como rechazada. Pero si esa almohadilla está soldada al 50%, la eficiencia de transferencia de calor generalmente es suficiente para la clasificación del componente. Aunque las hojas de datos de fabricantes como TI o Analog Devices a veces especifican límites más estrictos para aplicaciones RF de alta potencia, 50% es el estándar para lógica digital general.

Si constantemente ves voids enormes en estas almohadillas térmicas—por ejemplo, 60% o más—el problema rara vez es el perfil de reflujo. Casi siempre es el diseño del stencil. Una apertura de abertura 1:1 (donde el agujero en el stencil es del mismo tamaño que la almohadilla) deposita demasiado pasta, atrapando volátiles en el centro. La solución no es ajustar el horno, sino usar un diseño de stencil “ventana”. Dividir el gran cuadrado en panes más pequeños con canales permite que el gas escape, reduciendo los voids de 60% a 15% en una noche.

La ubicación es el verdadero asesino

Mientras que el tamaño de la celda obtiene toda la atención, la localización es lo que mantiene a los ingenieros de calidad despiertos por la noche. Un gran «vacío en masa» flotando benignamente en el centro de una bola de soldadura rara vez representa una amenaza de confiabilidad porque está rodeado de metal sólido. Los vacíos peligrosos son aquellos que tocan la interfaz —el límite entre la soldadura y la almohadilla del componente, o la soldadura y la almohadilla de la PCB.

Llamamos a estos “vacíos de Champagne” porque se reúnen en la interfaz como burbujas en un vaso. Aunque estos vacíos sólo representan el 5% del área, pueden ser catastróficos. Crean un punto de concentración de tensión justo donde se forma el compuesto intermetálico (IMC). Bajo un golpe de caída o vibración, una grieta puede iniciarse en ese vacío y propagarse por toda la almohadilla, cortando la conexión. Un vacío de interfaz del 5% es infinitamente peor que un vacío al por mayor del 20%. Por eso, los números automáticos de aprobado/reprobado pueden ser engañosos; una máquina puede pasar una placa con un 5% de vaciado que un ojo humano rechazaría porque ese 5% está justo en la superficie de la almohadilla.

Esto también es donde a menudo surge confusión respecto a los defectos de “Cabeza en Almohadilla” (HiP). Podrías ver una forma que parece un vacío o un doble círculo extraño en el X-ray, pero HiP no es un vacío en absoluto. Es un circuito abierto donde la bola se ha deformado pero no se ha coalescido con la pasta—pareciendo un muñeco de nieve o una cabeza descansando en una almohadilla. A diferencia de un vacío, que es un indicador del proceso, HiP es una falla funcional. No dejes que la terminología te confunda; si tienes HiP, tienes un circuito abierto, no un problema de vaciación.

La Trampa del Falso Positivo

Las máquinas modernas de rayos X son increíbles, pero no son omniscientes. Tienen dificultades con el ruido de fondo. Si tienes un via (un agujero plated) ubicado justo debajo de una almohadilla BGA, el rayos X ve el aire dentro del tubo del via y lo marca como un vacío en la bola de soldadura. Esto es un falso positivo clásico donde el software detecta un cambio de densidad y grita “¡Defecto!”.

Revisamos diariamente estos “montones de huesos” de imágenes rechazadas. En muchos casos, lo que la máquina marcó como un vacío del 30% en realidad es una bola de soldadura perfectamente soldada sobre un via tentado. Tenemos que verificar la ubicación del via en los archivos de diseño para confirmarlo. Si aceptáramos ciegamente el juicio de la máquina, estaríamos descartando o retrabajando hardware perfectamente bueno.

Fiabilidad sobre perfección

El objetivo de la inspección es la fiabilidad, no la perfección geométrica. Siguiendo los límites de la IPC Clase 2 y 3—25% para bolas de señal, 50% para almohadillas térmicas—y enfocando nuestro escrutinio en los vacíos peligrosos en la interfaz en lugar de los benignos vacíos en masa, protegemos el producto sin destruir el rendimiento. Aceptamos que la soldadura es un material dinámico y orgánico que emite gases y se mueve. Mientras los números y la física estén en línea, la placa se envía.