Analyse des vides par rayons X : critères correspondant à la classe IPC

Le Test de Rorschach de la Fabrication

Lorsque vous regardez pour la première fois une image radiographique en niveaux de gris d'un BGA, votre instinct est généralement alarmant. Vous voyez un cercle sombre (la bille de soudure) parsemé de taches plus claires et irrégulières. Cela ressemble à une maladie, à une éponge, ou—pour les non-initiés—à un défaut qu'il faut éliminer.

Dans la salle d'inspection, cependant, nous n'inspectons pas pour l'esthétique ; nous inspectons pour la physique. Ces taches plus claires sont des voids—des poches de gaz piégées lors du processus de reflow. Elles sont moches, oui. Mais dans la grande majorité des cas, elles sont structurellement bénignes.

Le défi dans la fabrication électronique moderne n’est pas d’obtenir une jointure de soudure sans voids 'parfaite', ce qui est une entreprise prohibitivement coûteuse et souvent dommageable. Le véritable défi est de faire la distinction entre le void cosmétique qui survivra dix ans sur le terrain et le void structurel qui craquera sous stress thermique. Pour cela, nous devons ignorer la réaction instinctive face à des images 'moches' et compter entièrement sur les ratios de surface définis dans l'IPC-A-610.

La Règle des 25%

La norme industrielle pour l'acceptabilité de l'assemblage électronique, l'IPC-A-610, est étonnamment indulgente en ce qui concerne le voiding. Que vous fabriquiez un produit de Classe 2 (ordinateurs portables, contrôles industriels) ou de Classe 3 (soutien vital, aéronautique), les critères pour le voiding dans les BGA sont souvent identiques. Selon l'IPC-A-610 et son compagnon le J-STD-001, une boule de soudure est acceptable à condition que la zone de voids cumulée ne dépasse pas 25% de la surface totale de la boule.

Ce nombre choque généralement les gens. Un void de 25% sur une image paraît énorme—comme si un quart de la connexion manquait. Mais la physique raconte une autre histoire. La pâte à soudure, en particulier les alliages sans plomb standards SAC305, contient des volatiles de flux qui doivent s'évaporer lors du reflow. Si le temps au-dessus du liquidus est court, ou si le composant est lourd, un peu de gaz est piégé. Cela est naturel. Les 75% restants du volume de la soudure sont plus que suffisants pour conduire le courant électrique et résister au choc mécanique.

En fait, des études internes et des données de fiabilité industrielles montrent que les billes de BGA avec 15–20% de voiding survivent souvent aussi bien à autant de cycles thermiques que celles avec 1% de voiding.

Il existe un mouvement, souvent encouragé par des fabricants de niche haut de gamme, suggérant que aucun L’isolation est un échec. Vous pourriez entendre des arguments en faveur des fours de refusion sous vide, qui aspirent l’atmosphère hors de la chambre pendant la soudure pour faire s’effondrer les bulles. Si vous construisez un satellite pour l’espace profond où la réparation est impossible, la refusion sous vide est une exigence valable, quoique coûteuse. Pour le reste des 99% d’électronique, poursuivre zéro voids est une perte d’argent et de budget thermique. Soumettre une carte à plusieurs cycles de réaffectation thermique pour réparer un void de 15% conforme cause plus de dommages à la laminée et aux pastilles de cuivre qu’un void ne le ferait jamais.

La Géométrie de l'Acceptation

L’inspection est un calcul géométrique, pas une vérification d’ambiance. Lorsqu’une machine d’inspection automatique par rayons X (AXI) ou un opérateur humain examine un BGA, la tâche consiste à calculer la surface projetée des voids par rapport à la surface projetée de la boule. C’est un ratio simple : (Somme des zones de void) / (Surface totale de la boule). Si la boule a un diamètre de 20 mils, nous mesurons le nombre de pixels des taches lumineuses par rapport au cercle sombre.

Cependant, les voids sont rarement des cercles parfaits. Ils apparaissent souvent sous la forme de « fromage suisse » — des amas de minuscules bulles fusionnant et se séparant. Calculer la surface exacte de ces formes irrégulières est une estimation, même pour des algorithmes avancés. La machine trace un périmètre autour des amas de void et les somme.

Lorsque le résultat frôle la limite — disons 24% ou 26% — le jugement humain devient crucial. Nous devons examiner la fidélité de l’image. S’agit-il d’un seul grand void, ou d’un regroupement de petits ? La norme permet un calcul cumulatif, ce qui signifie que beaucoup de minuscules bulles comptent autant qu’une grande, à condition qu’elles ne violênt pas d’autres règles concernant leur localisation.

L'Exception du Coussin Thermique (QFN/BTC)

Les critères changent radicalement lorsque l’on passe des broches de signal (BGA) aux pastilles thermiques. Des composants comme les QFN (Quad Flat No-leads) et d’autres composants à terminaison inférieure (BTC) disposent d’une grande pastille exposée au centre, principalement pour la dissipation thermique, et non pour le signal électrique. Étant donné qu’il s’agit d’une grande surface plane soudée à une grande pastille plane correspondante sur le PCB, le dégazage n’a nulle part où aller. Pensez à aplatir une pâte à pizza sans emprisonner de bulles d’air ; c’est presque impossible.

Par conséquent, la limite IPC pour ces pastilles thermiques est nettement plus élevée, permettant généralement jusqu’à 50% de void. Les ingénieurs paniquent souvent lorsqu’ils voient une pastille thermique QFN qui ressemble à une rayure d’abeille, la rejetant. Mais si cette pastille est soudée à 50%, l’efficacité du transfert thermique est généralement suffisante pour la puissance de la composante. Bien que les fiches techniques de fabricants comme TI ou Analog Devices indiquent parfois des limites plus strictes pour des applications RF à haute puissance, 50% est la norme pour la logique numérique générale.

Si vous constatez constamment de gigantesques voids dans ces pastilles thermiques — disons 60% ou plus — le problème est rarement lié au profil de refusion. C’est presque toujours la conception du pochoir. Une ouverture de l’ouverture à 1:1 (où le trou dans le pochoir est de la même taille que la pastille) dépose trop de pâte, piégeant les volatils au centre. La solution n’est pas d’ajuster le four, mais d’utiliser une conception de pochoir en « fenêtres » où de petits panneaux avec des canaux permettent l’échappement du gaz, faisant passer les void de 60% à 15% du jour au lendemain.

L'emplacement est le Vrai Tueur

Tandis que le taille du void attire toute l’attention, le lieu est ce qui empêche les ingénieurs qualité de dormir la nuit. Un grand « void en masse » flottant bénignement au centre d’une boule de soudure est rarement une menace pour la fiabilité car il est entouré de métal solide. Les voids dangereux sont ceux qui touchent l’interface — la frontière entre la soudure et la pastille du composant, ou la soudure et la pastille du PCB.

Nous appelons ces « vides de Champagne » parce qu'ils se rassemblent à l'interface comme des bulles dans un verre. Même si ces vides ne représentent que 5% de la surface, ils peuvent être catastrophiques. Ils créent un point de concentration de contraintes juste où se forme le composé intermétaL'IMC. Sous choc de chute ou vibration, une fissure peut commencer à ce vide et se propager à travers la pastille, coupant la connexion. Un vide d'interface de 5% est infiniment pire qu'un vide de masse de 20%. C'est pourquoi les chiffres automatisés de réussite/échec peuvent être trompeurs ; une machine pourrait accepter une carte avec un vide de 5% que l'œil humain rejetterait parce que ce 5% se trouve juste sur la surface de la pastille.

C'est également là que la confusion surgit souvent concernant les défauts « tête dans l'oreiller » (HiP). Vous pourriez voir une forme qui ressemble à un vide ou à un double-cercle étrange sur le rayon X, mais le HiP n'est pas du tout un vide. C'est un circuit ouvert où la boule s'est déformée mais n'a pas fusionné avec la pâte—ressemblant à un bonhomme de neige ou à une tête reposant sur un oreiller. Contrairement à un vide, qui est un indicateur de processus, le HiP est une défaillance fonctionnelle. Ne laissez pas la terminologie vous confondre ; si vous avez un HiP, vous avez un circuit ouvert, pas un problème de vide.

Le Piège du Faux Positif

Les machines modernes de radiographie sont incroyables, mais elles ne sont pas omniscientes. Elles ont du mal avec le bruit de fond. Si vous avez un via (un trou plaqué) situé directement sous une pastille BGA, la radiographie voit l'air à l'intérieur du tube du via et le signale comme un vide dans la sphère de soudure. C'est un faux positif classique où le logiciel perçoit une variation de densité et crie « Défaut ! »

Nous examinons quotidiennement ces « piles d'os » d'images rejetées. Dans de nombreux cas, ce que la machine a signalé comme un vide de 30% est en réalité une boule parfaitement soudée reposant sur un via en tente. Nous devons vérifier l'emplacement du via dans les fichiers de conception pour confirmer. Si nous avions accepté aveuglément le jugement de la machine, nous aurions mis au rebut ou retraité un matériel parfaitement bon.

Fiabilité plutôt que Perfection

L'objectif de l'inspection est la fiabilité, pas la perfection géométrique. En respectant les limites de la norme IPC Classe 2 et 3—25% pour les boules de signal, 50% pour les coussinets thermiques—et en concentrant notre vigilance sur les vides dangereux à l'interface plutôt que sur les vides bénins en masse, nous protégeons le produit sans sacrifier le rendement. Nous acceptons que la soudure soit un matériau dynamique, organique, qui dégage des gaz et se déplace. Tant que les chiffres et la physique s'alignent, la carte est expédiée.