एक BGA विफलता की संरचना

एक प्रोटोटाइप बोर्ड आता है, निष्क्रिय और बेकार। उत्पाद विकास टीम के लिए, यह केवल देरी से अधिक है; यह निराशाजनक डीबगिंग, समझौता किए गए डेटा, और बढ़ते लागत का चक्र है। आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की सतह के नीचे, बॉल ग्रिड एरे (BGA) पैकेज स्थायी तनाव का प्रतिनिधित्व करता है। यह उच्च घनत्व कनेक्शन का चमत्कार है जो न्यूनतम पदचिह्न में पैक किया गया है, फिर भी यह इन मौन विफलताओं में एक मुख्य संदिग्ध है। एक BGA के नीचे छिपी एक सूक्ष्म दोष पूरे असेंबली को बेकार कर सकता है, और इन विफलताओं के सूक्ष्म भौतिकी को समझना ही रोकथाम का एकमात्र विश्वसनीय रास्ता है।

चुनौती BGA की अस्पष्टता में है। इसकी सबसे महत्वपूर्ण सोल्डर जॉइंट्स एक छुपी हुई दुनिया में बनते हैं, एक ऐसी जगह जहां विनाशकारी दोष बिना किसी दृश्य सबूत के बन सकते हैं। जबकि कई चीजें गलत हो सकती हैं, प्रोटोटाइप रन को बाधित करने वाली विफलताएं एक स्पेक्ट्रम में गिरती हैं, तुरंत स्पष्ट से लेकर खतरनाक रूप से छुपी हुई तक।

एक छोर पर कठोर, अस्पष्ट शॉर्ट्स होते हैं। सोल्डर ब्रिजिंग, जो पास के सोल्डर बॉल्स के बीच अनजाने में विद्युत कनेक्शन है, एक सीधी आपदा है जो अक्सर बहुत अधिक सोल्डर पेस्ट या थोड़ी सी गलत संरेखण से जन्म लेती है। इसी तरह, एक सच्चा ओपन जॉइंट, जहां सोल्डर बॉल पूरी तरह से अपने पैड से जुड़ने में विफल रहता है, एक सरल, पूर्ण डिस्कनेक्ट है। ये निराशाजनक लेकिन ईमानदार विफलताएं हैं। ये प्रारंभिक परीक्षणों में स्पष्ट रूप से खुद को प्रकट करती हैं।

ज्यादा कठिन समस्याएं वे हैं जो जॉइंट को काटने के बजाय खराब कर देती हैं। अत्यधिक वॉइडिंग, यानी सोल्डर के भीतर गैस बबल का फंसना, तुरंत ओपन सर्किट नहीं बनाता। इसके बजाय, यह एक छुपी हुई कमजोरी पैदा करता है। ये वॉइड्स जॉइंट की गर्मी विकिरण करने की क्षमता को नुकसान पहुंचाते हैं, जो कई BGA के लिए एक महत्वपूर्ण कार्य है, और इसकी यांत्रिक शक्ति को कम कर देते हैं। बोर्ड कुछ समय के लिए काम कर सकता है, लेकिन इसमें एक संरचनात्मक दोष होता है जो झटके, कंपन, या थर्मल साइकिलिंग के सरल तनाव से विफलता के प्रति कमजोर बनाता है। यह एक टिक-टिक घड़ी है।

हेड-इन-पिलो की खतरनाक प्रकृति

फिर सबसे कुख्यात दोष आता है, एक विफलता इतनी सूक्ष्म कि इसे एक अनूठा नाम मिला है: हेड-इन-पिलो (HiP)। यह तब होता है जब बोर्ड पर सोल्डर पेस्ट और BGA पर सोल्डर बॉल दोनों रिफ्लो प्रक्रिया के दौरान पिघलते हैं, लेकिन, महत्वपूर्ण रूप से, एकल, संयुक्त जॉइंट में मिलते नहीं हैं। BGA बॉल बस सोल्डर पेस्ट की अवतल छाप में आराम करता है, जैसे एक तकिया पर सिर। परिणामी ओपन सर्किट अक्सर अंतराल में होता है, ऑप्टिकल निरीक्षण से अदृश्य, और प्रारंभिक विद्युत परीक्षणों को पास कर सकता है, फिर भी क्षेत्र में अनियंत्रित रूप से विफल हो सकता है।

यह विफलता एक एकल त्रुटि से नहीं बल्कि रिफ्लो ओवन के अंदर बोर्ड के कुछ मिनटों के दौरान एक गतिशील संघर्ष से उत्पन्न होती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, BGA पैकेज और PCB स्वयं अलग-अलग दरों पर विकृत हो सकते हैं। इस भिन्न विकृति से घटक अस्थायी रूप से बोर्ड से उठ सकता है। उस अलगाव के क्षण में, पिघले सोल्डर बॉल और नीचे की सोल्डर पेस्ट की सतहें ऑक्सीकरण हो सकती हैं। जब असेंबली ठंडी होती है और बाद में रिफ्लो चक्र में सपाट हो जाती है, तो घटक वापस बैठ जाता है, लेकिन नई बनी ऑक्साइड परतें एक बाधा के रूप में कार्य करती हैं, जिससे दो सोल्डर वॉल्यूम मिल नहीं पाते। वे स्पर्श करते हैं, लेकिन जुड़ते नहीं हैं।

इसलिए, रोकथाम बहुत पहले शुरू हो जाती है जब बोर्ड रिफ्लो ओवन में नहीं होता। यह नमी को नियंत्रित करने से शुरू होता है, क्योंकि अवशोषित आर्द्रता विकृति को बहुत बढ़ा देती है। उचित घटक भंडारण और हैंडलिंग उसके मॉइस्चर सेंसिटिविटी लेवल (MSL) के अनुसार करना कोई trivial कदम नहीं है; यह HiP के खिलाफ एक मौलिक रक्षा है। दूसरी मुख्य रक्षा एक सावधानीपूर्वक अनुकूलित रिफ्लो प्रोफ़ाइल है। एक क्रमिक प्रीहीट चरण आवश्यक है ताकि थर्मल शॉक को कम किया जा सके जो विकृति का कारण बनता है और सोल्डर पेस्ट के भीतर फ्लक्स को सक्रिय करने का समय दिया जा सके, जिससे धातु सतहें साफ हो जाती हैं और ऑक्सीकरण से बचाव होता है। एक मजबूत फ्लक्स पैकेज वाला सोल्डर पेस्ट, जो पूरे थर्मल यात्रा के दौरान सक्रिय रहता है, एक व्यापक प्रक्रिया खिड़की और इन नाजुक भौतिकी के खिलाफ एक महत्वपूर्ण बफर प्रदान करता है।

हेड-इन-पिलो की खतरनाक प्रकृति यह है कि यह सभी से छुपी रहती है सिवाय सबसे कठोर निरीक्षण के। बाहर से, जॉइंट परिपूर्ण दिखाई देता है। यह इतना ही नहीं, बल्कि यह एक “किसिंग” कनेक्शन भी बना सकता है जिसमें पर्याप्त कैपेसिटेंस हो ताकि सीमा स्कैन पास हो सके। इसे खोजने का एकमात्र भरोसेमंद तरीका है ऑटोमेटेड एक्स-रे निरीक्षण (AXI)। जबकि 2D एक्स-रे ब्रिजिंग जैसी बड़ी दोषों का पता लगा सकता है, HiP को सही मायने में उजागर करने के लिए 3D AXI आवश्यक है। एक 3D सिस्टम सोल्डर जॉइंट के क्रॉस-सेक्शनल स्लाइस बनाता है, जिससे बॉल और पेस्ट के बीच गैर-कोएल्सेस्ड इंटरफेस स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। यह जॉइंट की भौतिक अखंडता की सच्चाई से पुष्टि करने का एकमात्र तरीका है।

रोकथाम के लिए ब्लूप्रिंट: जहां डिज़ाइन और प्रक्रिया मिलते हैं

BGA गुणवत्ता पर विकास टीम का सबसे शक्तिशाली लाभांश बहुत पहले ही प्रयोग किया जाता है, जब एक भी घटक रखा नहीं गया होता। एक डिज़ाइन जो विनिर्माण की वास्तविकताओं को नजरअंदाज करता है, विफलता का ब्लूप्रिंट है।

आधारभूत संरचना पीसीबी पर कॉपर लैंड पैटर्न है। उद्योग की सर्वोत्तम प्रथा अत्यधिक गैर-सोल्डर मास्ड (NSMD) पैड को प्राथमिकता देती है, जहां सोल्डर मास्ड का उद्घाटन कॉपर पैड से बड़ा होता है। यह डिज़ाइन पिघले सोल्डर को पैड के किनारों के चारों ओर लपेटने की अनुमति देता है, जिससे एक यांत्रिक रूप से मजबूत, गेंद-और-सॉकेट जैसी जॉइंट बनती है। पुराने घटक डेटा शीट उदाहरणों पर निर्भर रहने के बजाय, आधुनिक मानकों जैसे IPC-7351 का उपयोग करना एक सामान्य और टालने योग्य त्रुटि है। इन पैड्स के बीच, एक पतली सोल्डर मास्ड डैम आवश्यक है। कम से कम 4 मिल (0.1 मिमी) का डैम सामान्यतः आवश्यक होता है ताकि सोल्डर के पास के पैड्स के बीच प्रवाह को प्रभावी रूप से रोक सके और एक पुल बना सके।

शायद सबसे महत्वपूर्ण डिज़ाइन नियम रूटिंग से संबंधित है। BGA पैड में वियास सीधे रखने की तकनीक घने डिजाइनों के लिए सामान्य है, लेकिन इसमें एक अनिवार्य नियम है: विया भरना और प्लेटेड होना चाहिए। एक खुला विया, जो पैड में होता है, रिफ्लो के दौरान एक छोटे से स्ट्रॉ की तरह काम करता है, सोल्डर को छेद में खींच लेता है। यह सोल्डर की चोरी जॉइंट से आवश्यक मात्रा को चुराती है, जिससे अत्यधिक वॉइडिंग या पूरी तरह से खुला हो सकता है। यह दिखाता है कि कैसे एक सरल डिज़ाइन विकल्प का प्रत्यक्ष और पूर्वानुमानित परिणाम फैक्ट्री में होता है।

फिर भी, एक परिपूर्ण डिज़ाइन भी असेंबली प्रक्रिया की अनिश्चितता से बिगड़ सकती है। असेंबलर का कार्य कठोरता से निष्पादन करना है, और यह सतह माउंट तकनीक में सबसे महत्वपूर्ण कदम: सोल्डर पेस्ट प्रिंटिंग से शुरू होता है। एक उच्च गुणवत्ता वाली, लेज़र-कटा स्टेंसिल को हर पैड पर स्थिर और सटीक मात्रा में पेस्ट जमा करना चाहिए। उसके बाद, पिक-एंड-प्लेस मशीन को अपनी विजन गाइडेंस सिस्टम का उपयोग करके BGA को लगभग सही सटीकता के साथ रखना चाहिए।

ये कदम रिफ्लो ओवन में समाप्त होते हैं, जहां थर्मल प्रोफ़ाइल—उस असेंबली के लिए विशिष्ट तापमान रेसिपी—अंतिम परिणाम निर्धारित करती है। प्रोफ़ाइल को बोर्ड के थर्मल मास और चुने गए सोल्डर मिश्र धातु के अनुसार अनुकूलित किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, मानक लीड-फ्री SAC305 मिश्र धातु को लगभग 245°C के उच्च शिखर तापमान की आवश्यकता होती है, जो थर्मल तनाव को बढ़ाता है और वॉरपेज और HiP का कारण बन सकता है। कम तापमान सोल्डर का उपयोग करके इस जोखिम को नाटकीय रूप से कम किया जा सकता है, जो लगभग 180°C के करीब रिफ्लो करता है, लेकिन यह एक व्यापारिक समझौता भी लाता है। ये कम तापमान वाले जॉइंट अक्सर अधिक भंगुर होते हैं, जो उन उत्पादों के लिए संभावित जोखिम हैं जो झटके या व्यापक तापमान स्विंग का अनुभव करेंगे। यह केवल एक तकनीकी विकल्प नहीं है; यह विश्वसनीयता और लागत के बारे में एक व्यावसायिक निर्णय है।

खतरे, पुनःकार्य, और वास्तविकता का नेविगेशन

एक आदर्श दुनिया में, हर प्रोटोटाइप BGA को 3D एक्स-रे के साथ सत्यापित किया जाएगा। हालांकि, कड़ी बजट में टीमों के लिए, यह हमेशा संभव नहीं है। AXI से बाहर निकलने का अर्थ है आप स्वाभाविक रूप से उच्च जोखिम स्वीकार कर रहे हैं। इस जोखिम को कम किया जा सकता है अधिकतर विद्युत परीक्षण जैसे JTAG/Boundary Scan पर निर्भर करके और महत्वपूर्ण संकेतों के लिए सुलभ परीक्षण बिंदु डिजाइन करके। एक उपकरण के पूरे संचालन तापमान रेंज में कठोर कार्यात्मक परीक्षण कभी-कभी छुपे हुए दोषों को प्रकट कर सकता है। लेकिन यह समझना जरूरी है कि ये तरीके प्रॉक्सी हैं। ये कनेक्टिविटी की पुष्टि करते हैं, गुणवत्ता की नहीं, और वे छुपी हुई संरचनात्मक दोषों को नहीं देख सकते हैं जो दीर्घकालिक विश्वसनीयता खतरे का संकेत देते हैं।

और क्या होता है जब एक BGA फेल हो जाता है? पुनः कार्य संभव है, लेकिन यह एक विशेष, महंगा, और जोखिम भरा अंतिम उपाय है। इस प्रक्रिया के लिए एक समर्पित स्टेशन की आवश्यकता होती है ताकि दोषपूर्ण घटक को स्थानीय रूप से गर्म किया जा सके और हटा दिया जाए, साइट को सावधानीपूर्वक साफ किया जाए, नया सोल्डर लगाया जाए, और बिना बोर्ड के बाकी हिस्सों को नुकसान पहुंचाए नए भाग को पुनः रिफ्लो किया जाए। स्थानीयकृत थर्मल तनाव आसानी से पैड उठाने या PCB की आंतरिक परतों को नुकसान पहुंचाने में सक्षम है। फैक्ट्री फ्लोर पर अनुभव एक स्पष्ट पाठ पढ़ाता है: सोच-समझकर डिज़ाइन और प्रक्रिया नियंत्रण के माध्यम से रोकथाम हमेशा मरम्मत से अधिक सस्ती और अधिक विश्वसनीय होती है।